© Fraunhofer IIS/David Hartfield

Gemeinsam stark

Die Weichen sind gestellt: Das Leistungszentrum Elektroniksysteme (LZE) startet durch, um sich als führendes Zentrum für Elektroniksysteme in Deutschland zu etablieren. Energieeinsparung und Energieeffizienz – auf nichts Geringeres als diese zentralen wirtschafts- und gesellschaftspolitischen Themen der Zukunft konzentriert sich die strategische Kooperation von Forschung und Industrie. Mitten in der Metropolregion Nürnberg geschieht, wovon andere träumen: Weltklasseforschung mit ganz konkretem Anwendungsbezug.

Donnerstag, 19. November 2015. Das Leistungszentrum Elektroniksysteme (LZE) veranstaltet seinen ersten Tech Day. Hochkarätiger Besuch hat sich angemeldet, und zwar nicht zu knapp: Rund 100 Vertreter aus Industrie und Wirtschaft – vom Mittelständler bis zum Weltkonzern – haben sich eingefunden. Vertreter von renommierten Industrieunternehmen, führenden Automobilproduzenten und -zulieferern, international bekannten Sportartikelherstellern, Herstellern von Automatisierungstechnik, kleinen Energietechnikfirmen, aus der Textilindustrie. »Was wir auf dem Tech Day unseren Partnern und möglichen Kunden zeigen, ist zielgerichtete Weltklasseforschung mit ganz konkretem Anwendungsbezug«, erläutert Prof. Dr. Albert Heuberger, Leiter des Fraunhofer IIS in Erlangen.

Ausgereifte Prototypen im Schaufenster der Forschung

Im Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB führen Prof. Dr. Heuberger und der Leiter des Fraunhofer IISB, Prof. Dr. Lothar Frey, gemeinsam durch eine kleine, aber feine Ausstellung. An vier Ständen stellen die Forscher beider Fraunhofer-Institute und der Universität Erlangen-Nürnberg wie in einem Schaufenster stolz die ausgereiften Prototypen ihrer aktuellen LZE-Projekte vor: »Es sind unsere Leuchtturmprojekte «, sagt Professor Frey mit einem zufriedenen Lächeln. »Sie zeigen exemplarisch, dass unsere Teams komplexe Elektroniksysteme mit einem einzigartigen Kompetenzspektrum angehen können.« Mit insgesamt 10 Mio € wird das LZE dabei gefördert. Die Mittel stammen zu gleichen Teilen vom Bayerischen Wirtschaftsministerium und von der Fraunhofer- Gesellschaft, weitere 5 Mio € kommen über Projekte mit der Industrie.

 

»ZIELGERICHTETE WELTKLASSEFORSCHUNG MIT GANZ KONKRETEM ANWENDUNGSBEZUG.«

An einer der Stationen steht die Projektleiterin Dr. Nadine Lang. Der Monitor auf dem Tisch zeigt die Kurven unterschiedlicher Vitaldaten an, daneben liegt ein weißes T-Shirt. Die promovierte Biophysikerin erklärt, was das FitnessSHIRT auszeichnet: »Wir haben eine neue Methode entwickelt, um mit intelligenten Textilien unterschiedliche Gesundheitsdaten zu messen und aufzuzeichnen.« Jeder, der sich auf die Laufstrecke begibt oder das Rennrad besteigt und sein Pensum erfüllen möchte, kennt das Dilemma: Über einen straff sitzenden Messgurt zeigt ein Gerät zwar den Pulsschlag an. Aber liegt auch die Atemfrequenz im grünen Bereich? Passt sich der Herzschlag tatsächlich an die körperliche Anstrengung an? »Mit der Sensorelektronik, die in das FitnessSHIRT integriert ist, lassen sich Puls, Atmungsaktivität und Bewegungsintensität gleichzeitig erfassen, auswerten und auf einer App darstellen«, erläutert Lang, die in ihrer Freizeit selbst gerne klettert und Rad fährt. Nun kombinierte das Projektteam um Nadine Lang die Sensorik des FitnessSHIRTs mit der funkbasierten Echtzeitlokalisierungstechnologie RedFIR®, die ebenfalls am Fraunhofer IIS entwickelt und mittlerweile verfeinert wurde. Das bedeutet, dass sich mit dem Shirt neben EKG und Atmung gleichzeitig Positions- und Bewegungsdaten erfassen lassen. Außerdem haben die Wissenschaftler zusätzlich neuartige Algorithmen entwickelt, um EKG-Signale wie etwa die Herzratenvariabilität interpretieren und analysieren zu können. Nadine Lang erläutert: »So kann man etwa gleich eine ganze Fußballmannschaft in Echtzeit ›verfolgen‹. Trainer erhalten für jeden Spieler ein Bündel an aussagekräftigen Informationen.« Low-Power-Elektronik für Sport- und Fitnessanwendungen ist dabei nur ein Technologiefeld, das im Leistungszentrum Elektroniksysteme (LZE) kontinuierlich bearbeitet wird.

Schulterschluss mit Signalwirkung

Im Januar 2015 startete das LZE in seine zweieinhalbjährige Pilotphase. Die gemeinsame Initiative der Fraunhofer-Gesellschaft, ihrer beiden Erlanger Institute Fraunhofer IIS und Fraunhofer IISB, der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), weiteren außeruniversitären Forschungseinrichtungen, Siemens sowie weiteren Partnern aus der Industrie ist ein Schulterschluss mit Signalwirkung. »Wir verstehen das LZE als ein wegweisendes Modell für die Metropolregion Nürnberg«, sagt Professor Heuberger. »Wir bauen auf eine langjährige und fruchtbare Zusammenarbeit zwischen den Fraunhofer-Instituten und der Universität und nutzen zusätzlich die einzigartige Konzentration von Forschung und Industrie im Bereich der Elektroniksysteme am Standort Nürnberg-Erlangen-Fürth.« Derartig außergewöhnliche Voraussetzungen gibt es nirgendwo sonst in Deutschland. Ohne komplexe Elektroniksysteme sind zukünftige Hightech-Anwendungen nicht denkbar – ob im Automobil- und Anlagen-Bau, in der Automatisierungs- und Energietechnik oder in der Medizin- und Gesundheitstechnik. Gerade wenn es bei einer strategischen Kooperation wie dem LZE um clevere Lösungen für intelligente Stromnetze, Medizintechnik, Elektromobilität, Industrie 4.0 oder Energieeffizienz geht, sind die wirtschaftlichen Potenziale enorm. Gemeinsam mit Industriepartnern verfolgt das LZE ein großes Ziel: »Wir wollen auch über die Metropolregion hinaus eine Strahlkraft erreichen, die bundesweit und international Aufmerksamkeit erregt«, sagt Professor Frey. Das Leistungszentrum Elektroniksysteme sei, wie er unterstreicht, »deshalb weitaus mehr als nur ein größeres Verbundprojekt«.

© Fraunhofer IIS/Kurt Fuchs
LZE-Projekt »Low-Power- Elektronik für Sport- und Fitnessanwendungen«: Die Wissenschaftler entwickeln einen erweiterten Prototypen für Vital- und Bewegungsdaten aus dem T-Shirt. Das Shirt nimmt Positions- und Bewegungsdaten gleichzeitig mit Vitaldaten, wie EKG oder Atmung, auf.
© Fraunhofer IIS/Kurt Fuchs
LZE-Projekt »Kontaktlose Energie- und Datenübertragung in Systemen mit schnell bewegten Komponenten«: Ziel des Projekts ist eine induktive, also kontaktlose Übertragung von Energie zusammen mit der Übertragung von Daten in schnell bewegte Komponenten.
© Fraunhofer IIS/Kurt Fuchs
LZE-Projekt »DC-Backbone mit Strom-Gas-Kopplung«: Energie für die Zukunft – die Wissenschaftler erforschen ein neues System für die Energiespeicherung.

Megathemen der Zukunft

Spezialisiert ist das LZE auf zentrale wirtschafts- und gesellschaftspolitische Megathemen der Zukunft: Energieeinsparung und Energieeffizienz. Mit großer Leidenschaft und jeder Menge Erfindergeist packen sie gleich in zweifacher Hinsicht an. Einerseits gilt es, neuartige Low-Power-Elektronik zu entwickeln, um also den Energieverbrauch so niedrig wie möglich zu gestalten. Wie etwa die ausgeklügelte Technologie beim FitnessSHIRT und bei anderen Sport- und Fitnessanwendungen. Weitere Szenarien sind ebenso clevere Lösungen für energiesparende Schaltungen und die energieeffiziente Datenübertragung in komplexen Kommunikationsnetzen, wie sie etwa im Bereich Industrie 4.0 benötigt werden. Andererseits konzentrieren sich die LZE-Aktivitäten darauf, richtungsweisende Leistungselektronik, etwa für Antriebstechnik und die zukünftige Energieversorgung, bereitzustellen – damit elektrische Energie kostengünstig und wirkungsvoll gewandelt und verteilt werden kann. Dafür steht z. B. das Projekt »Kontaktlose Energie- und Datenübertragung in Systemen mit schnell bewegten Komponenten«. Kaum jemand anderes kennt dieses Projekt besser als Thomas Heckel. An einem gelb lackierten industriellen Greifarm-Roboter zeigt Heckel auf einen dicken Kabelstrang, der sich entlang der Roboterachse vom Fuß bis hoch in die Spitze des Greifarms schlängelt. »Da geht es eng zu. Der klassische Industrieroboter kann sich nicht flexibel drehen, um zu schrauben, zu schweißen oder Messwerte aufzunehmen, weil der Kabelstrang blockiert. Das ist ein Nachteil für die Fertigung.« Außerdem wiege der Kabelstrang bis zu 40 Kilogramm, was zu einer Unwucht in der Bewegung des Arms führt. Doch wie sorgt man dafür, dass die Stromversorgung preisgünstiger, die Datenübertragung zuverlässiger und das gesamte Elektroniksystem kleiner und kompakter wird? »Unsere Vision ist es, auf die Kabel zu verzichten und ein funktionstüchtiges induktives Verfahren für die Energie- und Datenübertragung zu entwickeln.« Dies ist dem Projektleiter mit seinem Team gelungen. Nur 7 Millimeter dick ist die Induktionssendespule, die sich gemeinsam mit einem Kugellager im Greifarm befindet. Die erforderliche Elektronik ist dabei kleiner als eine Streichholzschachtel und lässt sich platzsparend im Standfuß des Roboters unterbringen. »Gerade eine altbekannte, konventionelle Technologie wie das Induktionsverfahren in eine völlig neue Anwendung zu bringen und gleichzeitig etwas Neues zu schaffen hat mich fasziniert«, sagt Thomas Heckel. »Wir haben die Leistungselektronik bis zu einem gewissen Reifegrad getrieben«, betont er selbstbewusst. »Jetzt wollen wir sie in die Praxis bringen.« Schon hat er mit seinem Team damit begonnen, die Technologie für eine induktive Steckverbindung zu entwickeln. Robuste kabellose Stecker könnten überall dort zum Einsatz kommen, wo Schmutz oder Öl elektrische Kontakte außer Gefecht setzen könnten; z. B. in der Lebensmittelproduktion, in der chemischen Industrie oder bei Bau- und Landmaschinen, wenn etwa Traktor und Anhänger »zusammengesteckt« werden müssen. »Mit Elektrik kann man viel schneller regeln und steuern als mit einem konventionellen, mechanischen Zapfwellenantrieb.« Allein die Projekte von Dr. Nadine Lang und Thomas Heckel machen deutlich, wie nah an der praktischen Anwendung sich das LZE positioniert hat. »Die Projekte zeigen die Chancen und gleichzeitig auch die Notwendigkeiten dessen auf, was die Industrie erwartet und wünscht«, sagt Professor Heuberger. »Das LZE hat ein enormes wirtschaftliches Potenzial«, ergänzt er. »Wir haben viele Ideen für die Einsatzbereiche unserer Technologien und wie wir sie mit unseren Partnern umsetzen können«, ergänzt Professor Frey.

© Fraunhofer IIS/Kurt Fuchs
LZE-Projekt »Energieautarkes Asset-Tracking-System für Logistikanwendungen «: Stromsparende Funkempfänger – sogenannte WakeUp-Receiver – benötigen nur ein Tausendstel des Stroms einer Leuchtdiode (LED).

Begeisterte Rückmeldung aus Wirtschaft und Industrie

Dass die Ideen bei den Vertretern aus Wirtschaft und Industrie auf mehr als Gegenliebe stoßen, beweist der erste Technology Day, kurz Tech Day, des LZE. So will sich der Produkt- und Innovationsmanager eines führenden Automobilzulieferers »den letzten Stand der Technik abholen und die bisherige Zusammenarbeit mit Fraunhofer intensivieren«. Ein Industriemanager für Innovationselektronik beurteilt die vorgestellten Pilotprojekte als »vielversprechende Ansätze, um neue Märkte zu verfolgen«. Die Begeisterung, etwas Neues Wirklichkeit werden zu lassen, ist auch in den beiden anderen LZE-Projekten zu spüren. Etwa beim »DC-Backbone mit Strom-Gas-Kopplung«, das Bernd Wunder leitet. Die Projektarbeit will die großen Fragen beantworten: Wie sich im Rahmen der Energiewende und immer knapper werdender fossiler Kraftstoffe der Strombedarf sichern und wie sich selbst erzeugte Energie in großem Stil und wirtschaftlich rentabel speichern lässt. Dass Lithium-Ionen-Batterien, die nur eine begrenzte Menge an Energie »aufbewahren« können, nicht die Lösung sind, wissen die Fraunhofer-Forscher nur allzu gut. Deshalb erforschen sie in ihrer Anlage zusammen mit der Universität die Kopplung mit einem chemischen flüssigen Trägerstoff, dem sogenannten Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC). Wie ein Schwamm bindet dieser sicher den alternativen Energieträger Wasserstoff. Mithilfe einer Brennstoffzelle lässt sich der Wasserstoff wieder in elektrische Energie, also Strom, zurückwandeln. Damit kann saisonal etwa im Sommer Energie gespeichert werden, um diese in der winterlichen Heizperiode wieder abzugeben oder Lastschwankungen im Stromnetz auszugleichen. Nicht zuletzt schließt sich der Kreis mit dem Projekt »Energieautarkes Asset-Tracking-System für Logistikanwendungen«. Im Mittelpunkt stehen extrem stromsparende Elektroniklösungen, die das Internet der Dinge erst möglich machen. Am Beispiel einer leistungsfähigen Logistikanwendung haben die Forscher rund um Projektleiter Dr. Heinrich Milosiu ein spezielles wartungsarmes Ortungssystem entwickelt. Mit dessen Hilfe lassen sich Güter in einer Lagerhalle oder auch im Außenbereich lokalisieren und nachverfolgen. Wie spektakulär wenig Strom diese Funklösung verbraucht, führen die Forscher anhand eines ziemlich fruchtigen Demonstrators vor: einer zur Batterie umfunktionierten leuchtend roten Erdbeere. Bereits eine solche schwache und einfache »Erdbeerbatterie« ist in der Lage, den Funkempfänger zu betreiben. Die Elektronik des »Tags« – des Etiketts, auf dem die Dateninformationen gespeichert sind, – glänzt also mit einem besonders niedrigen Stromverbrauch, der unter zehn Mikroampere liegt. Schon jetzt arbeiten die Forscher daran, dass der Stromverbrauch auf nur noch ein Mikroampere sinkt.

Kurze Wegstrecke von der Grundlagenforschung in die Anwendung

Was das LZE als »Forschung in neuen Dimensionen« definiert, ist nicht nur ein ganzheitlicher Ansatz, die gemeinsame Elektroniksysteme-Forschung neu zu denken. Vielmehr soll die Wegstrecke von der Grundlagenforschung in die industrielle Anwendung verkürzt werden. Das Wie und die nächsten Schritte sind bereits angedacht: Thinktank-ähnliche Forschungsstrukturen, besondere Investitions- und Entwicklungsteams oder neue Hightech-Geschäftsmodelle von Start-up-Firmen. Schon jetzt haben die klugen Köpfe im LZE jedenfalls Technologien entwickelt, die, wie Professor Albert Heuberger sagt, »bereits heute und in mittlerer Zukunft das Leben des Einzelnen beeinflussen werden«.

Hinweis: Mit dem Starten des Videos werden Daten an youtube übertragen.