Kategorie: Allgemein

12. Oktober 2021

So gelingt die Zukunft des autonomen Fahrens

Nach dem Hype stehen die deutschen Hersteller beim autonomen Fahren auf dem Bremspedal. Kunden warten bisher vergeblich auf den Durchbruch zum Auto der Zukunft. Vielleicht haben sie auch nur die Falschen gefragt. Denn der Durchbruch kommt womöglich von den Zulieferern.

Washington, D.C. im Jahre 2054: Die Wagentür öffnet sich via DNA-Scan, vom Wohnzimmer im 100. Stockwerk aus steigt der Fahrer direkt ins Auto ein, das an der Hauswand entlang in die Tiefe gleitet und unten mühelos in den dichten Verkehr auf der Stadtautobahn einfädelt. Infrarot hält andere Fahrzeuge auf Abstand, die Beleuchtung wechselt mit der Stimmung. Die Szene stammt aus Steven Spielbergs „Minority Report“ und soll im Jahr 2054 spielen. Science-Fiction? Einige der Auto-Gadgets des Films von 2002 sind heute Alltag, etwa die Abstandshaltung zu anderen Fahrzeugen durch Sensorik. Hypermoderne Technik umzusetzen, dafür sind heute längst nicht nur kalifornische Nerds, sondern auch Entwickler in etablierten Unternehmen zuständig.

Doch in Deutschland fährt noch kein autonomes Auto die Hauswände hoch. Es traut sich nicht mal richtig in den Straßenverkehr. Ein mit modernsten Sensoren ausgestatteter Mercedes fährt eine Strecke von 1000 Kilometern im dreispurigen öffentlichen Straßenverkehr auf Autobahnen bei Paris. Bis zu 130 km/h schnell, meistert der Wagen Konvoi-Fahrten mit automatischer Abstandshaltung und autonome Überholmanöver. Nur: Das war bereits vor 26 Jahren. Eine verpasste Chance – selbst nach Maßstäben der in langen Entwicklungszyklen denkenden Automobilindustrie. Trotzdem kommt aus dem Land, das das Auto erfunden und perfektioniert hat, bisher noch kein bahnbrechender Entwurf für das autonome Fahren. Die technologischen Hürden liegen hoch. Sie zu überwinden, daran arbeiten Wissenschaftler und Ingenieure intensiv. Die Lösung könnte, man glaubt es kaum, aus dem Saarland kommen. Und das hat seine Gründe.

Ein Mann mittleren Alters mit kurzen grauen Haaren und Bart sitzt an einem Tisch und trägt ein marineblaues Polohemd. Im Innenraum vor weißen Schränken verkörpert er das Saarland Marketing - das Gesicht von Deutschlands Hidden Champion - und hat eine Brille auf dem Tisch vor sich stehen.

Zulieferer können freier als die großen Markenhersteller agieren, weil sie bei neuen Fahrzeugen keine besonderen Kundenerwartungen erfüllen müssen.»
Christian Müller

Hochqualifizierte Wissenschaftler im Saarland

Autonome Fahrzeuge müssen in Millisekundenbruchteilen die Umgebung in 360 Grad wahrnehmen, ihre Position verifizieren, Gefahrenquellen verfolgen, ihre Fahrmanöver berechnen und durchführen. „Allein auf einer Straßenkreuzung gibt es unzählige Bewegungen einzelner Verkehrsteilnehmer“, sagt Dr. Christian Müller, Leiter des Kompetenzzentrums Autonomes Fahren am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Saarbrücken, in dem 360 hochqualifizierte Wissenschaftler aus mehr als 20 Nationen an etwa 80 Forschungsprojekten arbeiten.

„Multipliziert mit unzähligen Wetter- und Tageslichtsituationen, ergibt dies Milliarden an Parametern, die ein autonomes System berechnen muss, bevor es reagiert.“ Die Rechenleistung aus Künstlicher Intelligenz (KI) macht es möglich, dass ein Fahrzeug Sensordaten in Echtzeit auswerten kann. Daten aus Kameras, Radar- und Lidar gehören dazu. Statt der Radiowellen wie beim Radar kommen bei Lidar Laserstrahlen zum Einsatz, die Abstände zu anderen Fahrzeugen und die Geschwindigkeit messen.

Ein Samsung-Tablet auf dem Armaturenbrett eines Autos zeigt eine deutsche Straßenwarnung vor Fußgängern und einer scharfen Kurve an und unterstreicht so die lokale Sicherheit - eine subtile Anspielung auf das Standortmarketing Saarland, das für sicheres Reisen in Deutschlands Hidden Champion Region wirbt.

Eine Überwachungskamera und zwei Verkehrsschilder - eines für Stopp, das andere für Links- oder Rechtsabbiegen - sind an einem Mast neben einem historischen Backsteingebäude mit Turm montiert und spiegeln das Standortmarketing Saarland unter freiem Himmel.

In der saarländischen Kreisstadt Merzig wurde eine Kreuzung mit Kameras ausgestattet, die rein zu Forschungszwecken Objekte wie Fahrzeuge, Fußgänger oder Fahrradfahrer, erkennt. Mit entsprechender Technik ausgestattete Fahrzeuge werden mit Hilfe einer standardisierten Nachricht von der Kreuzung über Position und Bewegungsrichtung der erkannten Objekte informiert. So kann das Fahrzeug ableiten, ob eine Gefahrensituation vorliegt, und den Fahrer rechtzeitig warnen.

60 000 Euro – Nur für das System

Mal angenommen, dass alles klappt. Wir erreichen die magische Automatisierungstufe vier. Das Auto fährt fast von allein, die Fahrerin oder der Fahrer relaxen. Können sie auch. Bis es ans Bezahlen geht. Denn derzeit kostet ein System aus fünf Lidar- und vier Radarsystemen, Kamera und Zentralcomputer über 60 000 Euro. Golf-Klasse klingt anders. Der Preis könnte einer Prognose der Unternehmensberater von Bain zufolge in den nächsten zehn Jahren um mehr als 85 Prozent sinken. Heute würden in erster Linie noch Prototypen- und Teile aus Kleinstserien verwendet. Eine Kostenreduktion bei der Hardware durch Industrialisierung und Skalierung soll dann für einen Preisverfall sorgen. Das wäre der Durchbruch, auf den die Kunden warten. Vielleicht haben sie bisher einfach nur die Falschen gefragt. Denn den Urknall beim vernetzten Fahren wird womöglich nicht ein großer Autohersteller, sondern ein Zulieferer auslösen. Die Branche ist Christian Müller zufolge dafür gut aufgestellt. „Zulieferer können freier als die großen Markenhersteller agieren, weil sie bei neuen Fahrzeugen keine besonderen Kundenerwartungen erfüllen müssen.“

Saarland setzt auf die Vernetzung der Forschung

Damit Deutschlands Vorzeigeindustrie den Sprung nach vorn macht, muss viel passieren. Automobilhersteller und Zulieferer müssen trotz Corona weiter in Zukunftstechnologien investieren und Partnerschaften mit großen Technologiekonzernen eingehen. Forschung und Industrie müssen eng zusammenrücken und Technologie-Cluster bilden. Dafür gibt es Beispiele, und eines findet sich im Südwesten der Republik. Internationale Exzellenz durch Top-Universitäten, kurze Wege zu politischen Entscheidern und die richtige Auto-DNA, das gibt es in dieser Kombination auf kompakter Fläche nur im Saarland. Hier befindet sich mit 42 500 Beschäftigten die höchste Dichte an Automobilbeschäftigten in Deutschland, wie es das Institut der Deutschen Wirtschaft in einer aktuellen Studie ausgewiesen hat. Im Saarland gleicht man den Größenvorteil der amerikanischen Unternehmen durch Vernetzung der Forschung aus, ohne die Amerikaner außen vor zu lassen. Denn Alphabet und Microsoft sind ebenso wie BMW und VW, Bosch und ZF Group Gesellschafter des DFKI. Das letztgenannte Unternehmen hat mit dem „ZF AI & Cybersecurity Center“ im letzten Jahr in Saarbrücken ein Technologiezentrum für Künstliche Intelligenz und Cybersicherheit gegründet und kooperiert mit dem saarländischen Helmholtz-Zentrum für Informationssicherheit (CISPA).

Die Forschungsgruppe Verkehrstelematik der htw saar forscht in Saarbrücken zu Kommunikationsmöglichkeiten von Fahrzeugen untereinander sowie mit der Verkehrsinfrastruktur. Die Versuchsanwendungen haben das Ziel zu mehr Sicherheit, Umweltfreundlichkeit und Effizienz im Straßenverkehr beizutragen.

Zwei Jungs hacken einen Jeep – und bekommen einen Job

Es geht um ein Zukunftsthema: Datensicherheit im Auto. Im Jahr 2015 hackten zwei junge Amerikaner das System eines Jeep Cherokee. Das brachte ihnen ein bisschen Ärger, aber letztlich einen Job beim Fahrdienst-Vermittler Uber ein. An Systemen, die Kommunikation in einem autonomen Fahrzeug absichern, wird im Saarland intensiv geforscht. „Im Auto sind Hunderte von Komponenten vom Gaspedal über die Scheibenwischer bis zur Bremse miteinander vernetzt“, sagt Christian Rossow, leitender Wissenschaftler am CISPA. „Leider reicht es meistens aus, nur eines dieser Komponenten zu manipulieren, um das ganze Auto kontrollieren zu können. Dieses Problem wollen wir lösen.“ Daran arbeiten die Zulieferer mit. „Das ist nicht nur aus Sicherheitsgründen wichtig, sondern auch um das Vertrauen der Menschen in das autonome Fahren zu fördern“, sagt Torsten Gollewski von der ZF Group, die wie Bosch, Dürr und andere weltweit erfolgreichen Zulieferer im Saarland ansässig ist. Auf dem länderübergreifenden Testfeld Deutschland-Frankreich-Luxemburg etwa lassen sich Zukunftsszenarien der Mobilität über Ländergrenzen hinweg untersuchen – Tesla würde hier eine perfekte Infrastruktur vorfinden, die jedem internationalen Vergleich standhält. Die Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes (HTW Saar) kooperiert mit Bundes- und EU-Forschungsprojekten und mit der Automobilindustrie. Wenn es ums Prüfen und Testen geht, sind deutsche Ingenieure Weltspitze und werden das auch bleiben: Von knapp 3000 Patenten, die zum autonomen Fahren seit 2010 weltweit registriert wurden, stammt rund die Hälfte aus Deutschland.

Spitzentechnologie – aus St. Ingbert und Püttlingen

Eine zum Patent angemeldete Neuheit ist der Prüfstand der Dürr Group, auf dem sich autonome und teilautonome Fahrzeuge testen lassen. Das Unternehmen rechnet zukünftig wegen der stärkeren Verbreitung von Elektrofahrzeugen zwar mit weniger Abgastests. „Aber Funktionstests und die gesetzlich geforderte Bremsprüfung, die bleiben“, sagt Thomas Kolb von Dürr Assembly Products aus dem saarländischen Püttlingen. Eine halbe Autostunde Richtung Westen, in St. Ingbert, lässt iMAR Navigation auf Prüfgeländen Fahrzeuge autonom fahren. „Da sind zehn Fahrzeuge unterwegs, die tun so, als wären sie normaler Verkehr“, sagt Gründer Edgar von Hinüber. „Und in diesem Pulk von Fahrzeugen ist ein Testfahrzeug unterwegs, das bestimmten Aufgaben unterzogen wird. Wenn da etwas schiefgeht, ist das ärgerlich, aber es kommt niemand zu Schaden.“ Das Unternehmen hat eine Test-Software für hochautomatisierte Autos in verschiedenen Verkehrssituationen entwickelt und forscht auch zu People-Mover-Systemen, automatisch verkehrenden Fahrzeugen für meist kurze Strecken. Diese seien derzeit noch sehr langsam. „Die mit siebzig, achtzig Stundenkilometern fahren lassen, das ist eine Herausforderung, die derzeit noch keiner hinkriegt.“ Aber diese Systeme sind, wenn auch in gemessenem Tempo, bereits weltweit im Einsatz. Etwa bis zum Sommer die autonomen Minibusse am Mainkaiufer in Frankfurt am Main oder die People-Mover-Systeme von ZF für die autofreie und CO2-neutrale Stadt Masdar in Abu Dhabi.

Ein Mann mit Brille, hellblauem Button-Down-Hemd und Jeans steht in einem Innenraum, lächelt und stützt sich mit der Hand auf ein Glasgeländer. Er repräsentiert Saarland Marketing mit einer modernen Bürokulisse im Hintergrund.

Im Auto sind hunderte von Komponenten vom Gaspedal über die Scheibenwischer bis zur Bremse miteinander vernetzt.»
Christian Rossow

In Zukunft ohne menschlichen Aufpasser

In Zukunft soll das Software im Auto ohne menschlichen Aufpasser hinbekommen. „Künstliche Intelligenz ändert die Fahrzeugarchitektur zum ersten Mal seit Jahrzehnten grundlegend“, glaubt Manuvir Das von Nvidia. Die Technik des amerikanischen Chipkonzerns soll teilautomatisiertes Fahren und eigenständiges Navigieren auf Parkplätzen ermöglichen. Ein Daimler-Modell mit dem gemeinsam entwickelten System soll Ende 2024 auf die Straße kommen. Für die Automobilindustrie womöglich ein Paradigmenwechsel. Ein Auto wäre nicht mehr als Neuwagen am besten, sondern wird durch Software-Updates wertvoller.

Der Urknall beim autonomen Fahren ist womöglich näher als gedacht. Er könnte durchaus in den nächsten zehn Jahren stattfinden – die Autos müssen dann ja nicht gleich wie in „Minority Report“ an Hochhauswänden hoch- und runterflitzen.

Erschienen im Rahmen einer Content-Kooperation mit dem Verlag der F.A.Z.

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12. Oktober 2021

Materialforschung: Saarländische Experimente im Weltall

Wie Tricks der Natur zu Technik werden

Wenn ein Offshore-Windpark Sturm und Wellen trotzt, wenn „Geckofüße“ Weltraumschrott einfangen oder ein Gleitlager besonders lange durchhält, steckt dahinter Materialforschung aus dem Saarland. Die Zusammenarbeit verschiedener wissenschaftlicher Disziplinen und die kurzen Wege zu Industrie und Politik sind dabei ein großes Plus.

Phänomene der Natur auf die Technik zu übertragen faszinierte bereits Leonardo da Vinci. Der Universalgelehrte tüftelte schon 1505 daran, den Vogelflug durch Flugmaschinen nachzuahmen. Seitdem die Flügelfrucht des Ahorns bei der Entwicklung des Propellers Pate stand, sind viele Technikideen auf Naturbeobachtungen zurückzuführen, wie etwa Winglets an den Flügelspitzen, mit denen Vögel Kraft sparen – und Flugzeuge Treibstoff.

„Die biologische Evolution hat durch Zufall und Irrtum viele interessante Prinzipien gefunden, die naturgemäß ressourcenschonend sind und nicht auf potentiell toxischen Chemikalien beruhen“, sagt Eduard Arzt, Wissenschaftlicher Direktor und Leiter der Forschungsgruppe Funktionelle Mikrostrukturen am INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien in Saarbrücken. Das INM ist mit 260 Mitarbeitern ein internationales Zentrum für Materialforschung und kooperiert mit Instituten und Unternehmen in aller Welt. So untersuchten Forscher vom INM gemeinsam mit der Universität of California in San Diego anhand von Knochen und Federn die Verbesserung des Auftriebs bei fliegenden Vögeln. Am INM wird zudem an Augen der Motten geforscht, die mit ihrer Nanostruktur kein Licht reflektieren, was die Nachtsichtfähigkeit erhöht. Die Forschung in Saarbrücken trug zur Entwicklung neuer optischer Anti-Reflex-Oberflächen bei. Oberflächen sind ein entscheidender Punkt der Bionik, angefangen vom Klettverschluss, den Georges de Mestral 1956 nach dem Vorbild der Klettfrüchte entwickelte, bis hin zu den Riblet-Folien, deren Vorbild die scharfkantigen feinen Rillen in der Haut von Haien sind. Ab 2022 sollen Lufthansa-Transportflugzeuge mit einer solchen Folie ausgerüstet werden, die den Reibungswiderstand senkt.

Den Weg von der Forschung in die Industrie schaffen Ideen aus der Natur besonders schnell im Saarland, denn hier sind die Wege zwischen Wissenschaft, Industrie und politischen Entscheidern so kurz wie sonst kaum wo in Deutschland. Beim EU-geförderten Projekt STICK2SEE etwa geht es darum, die Eigenschaften von Geckofüßen für industrielle Anwendungen zu nutzen. Mit Abermillionen von mikroskopisch kleinen Härchen haften die Reptilien wie von Zauberhand an verschiedenen Oberflächen. „Wir haben sehende Greifersysteme in der Entwicklung, die mitdenken und damit die Zuverlässigkeit entscheidend verbessern“, sagt Arzt. „Vor allem für Mikroobjekte, die kleiner als ein Staubkorn sein können, werden neue Greif- und Platziersysteme dringend gebraucht.“ Anwendungen im Bereich Displayfertigung, Medizintechnik und Weltraum seien bereits erkennbar. Auch kommerziell wird das Gecko-Prinzip bereits im Saarland vermarktet: Die INM-Ausgründung INNOCISE GmbH in Saarbrücken entwickelt damit nachhaltige und präzise Greiflösungen. „Im Gegensatz zu Sauggreifern fällt bei der Gecko-Technologie kein Energiebedarf an, und sie funktioniert auch bestens unter Vakuumbedingungen“, erklärt Marc Schöneich, CEO von INNOCISE. Würde ein Großteil der Greifsysteme weltweit durch dieses System aus dem Saarland ersetzt, könnten – so zeigen Modellrechnungen – Millionen von Tonnen CO₂ jährlich eingespart werden.

Ein Mann mit Brille, schwarzem Blazer und weißem Hemd steht vor einem modernen Gebäude mit geschwungener Architektur und blauen Fensterelementen und lächelt in die Kamera - das wahre Gesicht von Saarland Marketing.

Die Ausbreitung von Keimen über Kontaktflächen ist nur bei einer unkritischen Lebens- und Wachstumsfähigkeit der Mikroorganismen auf den Kontaktoberflächen möglich.«
Dominik Britz

Weltraumschrott einfangen — mit einer Idee aus dem Saarland

Gecko-Technologie kann dabei helfen, Weltraumschrott zu entfernen. Einen am INM mitentwickelten Mechanismus zum „Einfangen“ von Weltraumschrott testete die Crew der Internationalen Raumstation (ISS) unter Weltraumbedingungen bereits erfolgreich. Von der NASA entwickelte Astrobees, kleine fliegende Roboter, statteten Techniker mit Saarbrücker Gecko-Haftstrukturen aus. Diesen gelang es, Weltraumschrott zu greifen – konventionelle Sauggreifsysteme würden im Vakuum des Weltalls nicht funktionieren. Im Herbst 2021 soll mit Matthias Maurer ein Materialwissenschaftler aus dem Saarland seinen ersten Raumflug zur ISS absolvieren. Maurer wird dort an Technologien forschen, die der Ausbreitung von Keimen entgegenwirken. Kupfer etwa wirkt auf Bakterien, Viren und Pilze abtötend. Forscher haben dafür komplexe Erklärungsansätze: Kupferoberflächen können die Zellwand der Bakterien destabilisieren, und Kupferatome können sich anschließend an die DNA der Keime binden und deren Zellteilung stoppen. Die Saarbrücker Materialwissenschaftler möchten durch den Einsatz im All herausfinden, wie sich auf Oberflächen aus Kupferwerkstoffen und Edelstahl in der Schwerelosigkeit Keime ansiedeln und wie eine nanometergenaue Laserstrukturierung in Kombination mit antimikrobiellen Eigenschaften verhindern kann, dass sich Bakterienstämme ausbreiten.

„Der Laser verändert Oberflächen berührungslos und auch ohne Chemie“, sagt Frank Mücklich, Materialforscher an der Universität des Saarlandes und Direktor des Material Engineering Center Saarland. „Mit einem einzigen Schuss gezielt überlagerter Laserpulse bildet er ein mikroskopisch perfektes, periodisches Relief und verändert die Oberfläche maßgeschneidert für die jeweilige Funktion, beispielsweise um ein Hundertstel eines Haares. Genug, um Bakterien die Haftung zu erschweren und das Wachstum von kritischen Biofilmen zu minimieren oder gar zu verhindern.“

Die Forschung im All unterstützt die Experimente der Forscher in Saarbrücken, die aktuelle Brisanz besitzt. Denn die Gefahr durch gefährliche Erreger auf Kontaktflächen, die die Menschen berühren, hat sich durch COVID-19 verstärkt. Patienten auf den Stationen müssen vor weiteren Infektionen geschützt werden. Rund 500.000 Menschen erleiden laut Robert Koch-Institut jährlich eine Infektion im Krankenhaus. „Die Ausbreitung von Keimen über Kontaktflächen ist nur bei einer unkritischen Lebens- und Wachstumsfähigkeit der Mikroorganismen auf den Kontaktoberflächen möglich“, sagt Dominik Britz, CEO eines Start-ups aus dem Material Engineering Center Saarland, des auf modernste Oberflächenfunktionalisierung durch Lasertechnik spezialisierten Unternehmens SurFunction in Saarbrücken. Derartig mikrostrukturierte Oberflächen können Bakterien, aber auch Pilze und wahrscheinlich sogar Viren auf Oberflächen abwehren oder gar abtöten.

Wie künstliche Intelligenz der Materialforschung hilft

Metallische Werkstoffe weiterzuentwickeln ist die Leidenschaft von Frank Mücklich. Mit seiner Arbeitsgruppe in Saarbrücken untersucht er den Zusammenhang zwischen dem mikroskopischen Innenleben der Werkstoffe und den damit steuerbaren Eigenschaften. Er begnügt sich nicht damit, Erkenntnisse nur wissenschaftlich zu publizieren. „Mir geht es darum, dass die Fähigkeiten der Werkstoffe ihren Weg in den Alltag finden“, sagt Mücklich. Um einen schnellen Transfer für Kooperationen mit der Industrie zu schaffen, wurde 2009 das Steinbeis Forschungszentrum Material Engineering Center Saarland (MECS) gegründet. Nicht zuletzt wegen der Orientierung auf industrielle Anwendungen genießt die Materialforschung im Saarland internationales Renommee.

Da das Saarland ein Autoland ist, sind die Bande zur Autoindustrie und Zulieferern wie etwa Bosch und Schaeffler besonders eng. Mücklich nennt ein Beispiel. „Stellen Sie sich vor, Sie haben ein Gleitlager. Gemeinhin würde man denken, wenn die Flächen möglichst glatt sind, wird das Gleitlager wohl am längsten funktionieren. Aber das Gegenteil ist der Fall.“ Mücklich konnte nachweisen, dass bei einer maßgeschneiderten, mikroskopisch feinen Strukturierung der Oberfläche das Gleitlager wesentlich stabiler ist und weniger schnell verschleißt. Zu sagen, die Forscher an der Universität des Saarlandes würden Millimeterarbeit machen, wäre eine Untertreibung. „Wir arbeiten in Dimensionen von wenigen Mikrometern, von Nanometern“, sagt Mücklich. „Und wir arbeiten auch in der atomaren Skala und haben dafür eine Untersuchungstechnik, die es in Deutschland nicht so häufig gibt.“

Ein Mann im Anzug steht vor einem Whiteboard und gestikuliert, während er etwas erklärt - vielleicht wirbt er für Saarland Marketing oder erklärt, warum das Saarland als Deutschlands Hidden Champion bekannt ist. Eine Uhr und ein blau gestrichenes Fenster vervollständigen die Szene.

„Mir geht es darum, dass die Fähigkeiten der Werkstoffe ihren Weg in den Alltag finden“
Frank Mücklich

Zudem bewährt sich die räumliche Nähe zum Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) auf demselben Campus in Saarbrücken. „Wir sind froh, dass DFKI als Nachbarn zu haben“, sagt Mücklich. „Wir arbeiten intensiv zusammen, um die großartigen Möglichkeiten der KI auch für die zukünftige Materialforschung zu erkunden.“

Der in Dresden geborene Forscher leitet an der Saar-Uni den Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe, die er anhand eines einfachen Beispiels erklärt: „Wenn Sie mit dem Finger über die Bildschirmoberfläche Ihres Mobiltelefons streichen, wieso weiß das Glas dann, wo der Finger war? Dahinter stecken Funktionswerkstoffe. Wir hier in Saarbrücken sind spezialisiert auf neue metallische Werkstoffe.“ Das Feld für industrielle Anwendungen ist schier endlos, sie reichen von der Medizintechnik bis zu Steckverbindern. Es geht um antibakterielle Eigenschaften, die Verschleißminderung geschmierter Oberflächen oder die Verbesserung der Effizienz von Solarzellen. Besonders Zukunftstechnologien profitieren. Elektrische Steckverbinder, die all die vielen Sensoren und Kameras zuverlässig verbinden und bei Fahrassistenz-Systemen oder dem autonomen Fahren immer wichtiger werden, sind dank der Materialforschung weniger anfällig für Wackelkontakte. Die vielfältigen Möglichkeiten der Laser-Technik haben in Saarbrücken zu Ausgründungen wie SurFunction geführt, die sich mit „direkter Laserinterferenzstrukturierung“ (DLIP) beschäftigen. „Wir wollen mit dieser Technik neue funktionale Oberflächen ohne Chemie und daher umweltschonend erzeugen“, sagt SurFunction-Chef Britz, der sich wie die Forscher am INM an Oberflächenstrukturen in der belebten Natur orientiert. „In der belebten Natur sind praktisch alle Oberflächen strukturiert. Bei Pflanzen und Tieren sorgt die mikroskopisch feine Strukturierung der Oberfläche für optimale Anpassung und zum Beispiel auch für Schutz.“ Die vielfältigen Prinzipien wirken über mikroskopisch feine geometrische Strukturen. Diese können schnell und effizient durch DLIP auf technische Oberflächen übertragen werden, die etwa auch für die Medizintechnik interessant sind.

Eine Person im Anzug blickt auf einen Computermonitor, auf dem ein vergrößertes Graustufenbild einer strukturierten oder kristallinen Probe angezeigt wird. Hier werden die fortschrittlichen Forschungstechnologien vorgestellt, die von Saarland Marketing, Deutschlands Hidden Champion, unterstützt werden.

Ein Mann im Anzug zeichnet mit einem roten Marker geschwungene Pfeile auf ein Whiteboard, die Ideen für das Standortmarketing Saarland illustrieren. Eine Uhr zeigt 10:11, während blaue vertikale Jalousien das Fenster verdecken und seinen Fokus auf Saarland-Marketing-Strategien widerspiegeln.

Die Anwendung der Materialforschung reicht von der Medizintechnik bis hin zu Steckverbindern und das oft nanometergenau. In Saarbrücken arbeiten verschiedene wissenschaftliche Disziplinen eng zusammen um an alltagtauglichen Lösungen zu forschen.

Grüner Stahl aus dem Saarland

Die Zusammenarbeit verschiedener Disziplinen der Wissenschaft ist ein großes Plus im Saarland. So gehen zahlreiche wissenschaftliche Arbeiten und internationale eröffentlichungen in der Materialwirtschaft und Werkstofftechnik auf das Konto der Zusammenarbeit der Forschungsabteilung des Stahlunternehmens Dillinger mit der Saar-Uni und dem MECS. In den gemeinsamen Forschungsprojekten kommen 3-D-Analysetechniken auf der Mikrometer-, Nanometer- und auch atomaren Skala zum Einsatz, um die inneren Strukturen des Stahls genauer zu verstehen. Wer die gewünschten Eigenschaften des Materials besser vorhersagen kann, erspart sich langwierige Experimente und teure Betriebsversuche. In der Debatte um nachhaltigere Herstellungsmethoden hat in diesem Sinne auch der „grüne Stahl“ für die Industrie an Bedeutung gewonnen.

„Die Stahlindustrie hat schon heute die technologischen Konzepte zur Erreichung des Ziels einer CO₂-neutralen Stahlerzeugung auf Basis von Strom und Wasserstoff“, sagt Karl-Ulrich Köhler, Vorsitzender des Vorstands von Dillinger, der auch für den Bereich Technik verantwortlich ist. Eine erste Anlage zur Nutzung von wasserstoffreichem Koksgas zur Verringerung der CO₂-Emissionen läuft in Dillingen bereits im Regelbetrieb. „Die Dekarbonisierung der Stahlerzeugung hat ein erhebliches Potential, die industrielle CO₂-Emission zu reduzieren“, sagt Köhler. „Da Stahl zu 100 Prozent recyclingfähig ist, kann eine nachhaltige Energie- und Mobilitätswende, etwa durch die Errichtung von Windparks, nicht ohne den Werkstoff gemeistert werden.“ Dennoch könne ein Markt für „grünen Stahl“ erst entstehen, wenn der Begriff durch die Politik eindeutig definiert wird. „Damit der Ausstoß von CO₂ nicht in andere Regionen oder zu den Energieerzeugern verlagert wird, müssen infrastrukturelle Voraussetzungen für die Versorgung der Industrie mit grünem Strom und grünem Wasserstoff geschaffen werden“, sagt Köhler. „Dazu kommt ein weiteres Hindernis: Obwohl Kunden bereits grünen Stahl fordern, sind sie nicht bereit, den Aufpreis dafür zu zahlen.“

Der Löwenanteil der Offshore-Windparks in Europa und weltweit steht laut Köhler auf Stahl von Dillinger. Um die Stahlrohre für Offshore-Windparks anzufertigen, werden Grobbleche benötigt, wie sie Dillinger im Saarland herstellt. Die Stahlrohre („Monopiles“) haben ein Gewicht von bis zu 2400 Tonnen und müssen viele Jahre durchhalten. Die Oberflächen des Stahls müssen also besonders widerstandsfähig sein, wenn sie Phänomenen der Natur wie Stürmen, Wellen und aggressivem Salzwasser auf hoher See trotzen wollen. Auch dafür ist moderne Stahlforschung, beispielsweise am MECS und an der Universität des Saarlandes, so wichtig.

Erschienen im Rahmen einer Content-Kooperation mit dem Verlag der F.A.Z.

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12. Oktober 2021

„Cyber Security“: Havard? Stanford? Saarbrücken!

So gelingt Datensicherheit

Früher würden Autos aufgebrochen, heute werden sie gehackt. Ganz klar: ohne Cybersecurity kommt im allvernetzten „Internet der Dinge“ kein Fahrzeug und keine Fabrik mehr aus. Mit seiner Bündelung von Wissenschaft und Technologie auf kleinster Fläche setzt das Saarland auf technologische Exzellenz in dieser Zukunftsbranche.

Auf dem Computerbildschirm ploppt eine Weltkarte auf. Kleine Kreise leuchten darin. Was wir sehen, sind Hackerangriffe auf Server, Internetseiten und soziale Netzwerke. An den Flaggen erkennt der Betrachter, welche Länder wie stark betroffen sind. Alles geschieht in Echtzeit, am Helmholtz-Zentrum für Informationssicherheit (Cispa) in Saarbrücken.

„Jeder Kreis ist ein Angriff“, sagt Christian Rossow, Professor für IT-Sicherheit am Cispa. „Die Hacker entfalten oft mit geringem Einsatz eine maximale Wucht.“ Rossow spürt ihnen mit sogenannten Honigfallen nach. „Wir haben Systeme aufgestellt, die verwundbar sind und für den Angreifer so aussehen, als ob er sie verwenden kann.“ Tappt ein Hacker in die Falle, können die Forscher aus dem Saarland seinen Angriff bis zur Quelle zurückverfolgen. Hacker attackieren weltweit E-Mail-Server, die IT-Struktur von Unternehmen, Kraftwerken und sogar von Krankenhäusern. Sie kapern fremde Rechner und nutzen die zusammengeschlossenen Computer wie eine ferngesteuerte Angriffsarmee. Die dann die Server der Zielobjekte mit Massenanfragen bis zur Überlastung attackieren. Unternehmen müssen in so einem Fall blitzschnell reagieren, um ihre Infrastruktur zu schützen. „Unsere Honeypots wirken wie ein Frühwarnsystem“, sagt Rossow. „Sie sind 40 Sekunden schneller als vergleichbare Abwehrsysteme.“

Das klingt nicht nach viel Zeit, sind bei Cybercrimes aber Welten. Bei Gegenmaßnahmen zählt jede Sekunde. Etwa, um eine Videokonferenz zu schützen, die kriminelle Hacker in Zeiten der Pandemie bevorzugt ins Visier nehmen. Denn einmal eingeschleust, können Hacker ganze Produktionsanlagen lahmlegen. Auch wenn es so schlimm nicht kommt, drohen Unternehmen Imageverluste und finanzielle Einbußen. „Manche Betroffene zahlen Angreifern sogar Lösegeld, damit zum Beispiel ihr Onlineshop wieder ans Netz gehen kann“, sagt Michael Brengel, Doktorand am Cispa. Erpressung, Sabotage und Industriespionage gelten als Hauptmotivationen bei Angriffen auf Unternehmen und deren Infrastruktur. Privathaushalte sind ebenso betroffen, und so beschäftigen sich Informatiker der Universität des Saarlandes auch mit den Gefahren im Smart Home: „Watchdog“ ist ein Mini-Rechner, der, an den Router angeschlossen, alle Geräte eines Heimnetzwerkes kontrolliert, bei Auffälligkeiten warnt und Angriffe, wenn möglich, automatisch abwehrt.

„Die Hacker entfalten oft mit geringem Einsatz eine maximale Wucht.“
Christian Rossow

Milliardenverluste für die Automobilbranche

Datensicherheit ist ein Thema, dass Wissenschaftlern wie Unternehmern gleichermaßen auf den Nägeln brennt. Die 5G-Technologie und das Internet der Dinge sorgen für die Vernetzung sämtlicher Bereiche in Fabriken und Privathaushalten. Maschinen, W-Lan-Router, Waschmaschinen und Rauchmelder sind mittlerweile mit dem Internet verbunden. „Viele dieser Geräte sind heute preisgünstig“, sagt Rossow. „Sie haben aber auch oft Schwachstellen und sind angreifbar.“ Seine Forschungsgruppe hat einen Honeypot gebaut, der die gleichen Schwachstellen aufweist wie derlei Geräte. Im „Internet der Dinge“ werden die Angriffsflächen größer. Und damit die Herausforderungen für alle, die für Sicherheit Sorge tragen. Im Jahr 2020 betrugen dem Bitkom zufolge die weltweiten Ausgaben für Cybersicherheit 54,7 Milliarden US-Dollar. Im Jahr 2021 sollen sie bereits geschätzte 60 Milliarden US-Dollar betragen. Massive Investitionen in Datensicherheit sind eine Reaktion auf Umsatzverluste, die den Unternehmen weltweit aufgrund von Cyberangriffen entgehen. Eine Statista-Umfrage schätzt die Umsatzverluste allein für die Automobilbranche für die Jahre 2019 bis 2023 auf 505 Milliarden US-Dollar.

Eine KPMG-Studie aus 2020 ergab, dass erst ein Viertel der weltweit befragten 16.000 Unternehmen ihre industriellen Kontrollsysteme aktiv verteidigen. 58 Prozent der Unternehmen verwiesen darauf, dass ihnen die Sicherheitskompetenz im Haus fehlt.

Zunehmend erregen Patente oder Informationen aus Forschung und Entwicklung das Interesse der Hacker. Zum Teil merken Behörden und Unternehmen nicht einmal, das sie attackiert wurden. Die Dunkelziffer ist erheblich, und aus Angst vor Imageschäden hängen Unternehmen einen Schadensfall nicht gern an die große Glocke. Für einige Unternehmen haben IT-Attacken gar existenzgefährdende Dimensionen. „Die landläufige Vorstellung ist, dass da irgendwo auf der Welt ein junger Typ im Keller sitzt, die Schadsoftware baut und dann in die Welt rausschickt“, sagt Brengel. „In Wahrheit ist das ein professionelles Business.“ Dass oft aus Ländern betrieben wird, die als politisch instabil gelten. „Leider sind Maßnahmen dagegen oft nur Reaktionen auf vorherige Angriffe“, sagt Rossow. „Und davon wollen wir als Cispa weg. Wir wollen Technologien entwickeln, die auch vor zukünftigen Angriffen schützen.“ So forscht das Cispa an Sicherheitseinrichtungen, die sich selbständig auf Schadsoftware stürzen und sie dann aus IT-Systemen fernhalten.

Ein Mann mit kurzen dunklen Haaren und dunklem T-Shirt steht in einem hellen Raum mit weißen Wänden und großen Fenstern und blickt mit neutraler Miene in die Kamera - ein Zeichen für die moderne Ausstrahlung von Saarland Marketing, dem Hidden Champion Deutschlands.

„Die landläufige Vorstellung ist, dass da irgendwo auf der Welt ein junger Typ im Keller sitzt, die Schadsoftware baut und dann in die Welt rausschickt.“
Michael Brengel

Einziger Stanford-Partner in der Cyber Security

Rossow ist als einer der Gründungsmitglieder von der Universität des Saarlandes ans Cispa gewechselt und leitet heute als Forschungsleiter ein Team aus Doktoranden und Postdoktoranden mit dem Schwerpunkt Systemsicherheit. Zentrale Themenbereiche am Cispa sind zudem Cybersicherheit und Künstliche Intelligenz, die im Zusammenspiel für das autonome Fahren entscheidend sind. Es geht an der Saar auch um die vertrauenswürdige Verarbeitung von medizinischen Daten und die Entwicklung einfach zu nutzender Sicherheitslösungen. Die Forschung am Cispa findet weltweit Beachtung. Im aktuellen CS Ranking, dem wichtigsten Exzellenzranking in der Informatik, steht das Cispa vor namhaften US-amerikanischen Universitäten seit Monaten weltweit auf Platz eins, wie Cispa-Direktor Michael Backes betont: „In der Vergangenheit hatten wir in Deutschland häufig im Rennen um Spitzenkräfte das Nachsehen. Deswegen haben wir 2016 das Cispa-Stanford-Programm ins Leben gerufen und sind stolz darauf, der einzige Partner der Elite-Universität auf diesem Gebiet zu sein.“

Die Universität Stanford gilt als Keimzelle der Hightech-Industrie im Silicon Valley. Hier studierten die Google-Gründer Larry Page und Sergey Brin, Paypal-Gründer Peter Thiel sowie zahlreiche Nobelpreisträger. Hervorragende Nachwuchswissenschaftler können nach zwei Jahren am Cispa weitere zwei Jahre an der Stanford-Universität dranhängen, um mit einem Gastprofessorenstatus in der Cybersicherheit zu arbeiten. Sie kehren dann als leitende Wissenschaftler ans Cispa zurück, bewerben sich auf Professuren an deutschen Universitäten oder als Forschungsleiter in der Industrie. „Wir ziehen also viele brillante Köpfe nach Deutschland und schaffen es oft, sie zu halten“, sagt Backes.

Datensicherheit ist ein Autothema

Dazu trägt der „Saarland Informatik Campus“ bei, der Saarbrücken zu einem Zentrum der Informatik- und KI-Forschung gemacht hat. Cispa und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) liegen nur ein paar Schritte voneinander entfernt. „Wir greifen neue Ideen schnell auf und arbeiten dann mit allen Partnern daran intensiv zusammen“, sagt Philipp Slusallek, Standortleiter des DFKI. So bündelt mit der ZF Friedrichshafen AG der weltweit fünftgrößte Automobilzulieferer am „ZF AI & Cybersecurity Center“ seine KI-Forschung in Saarbrücken. Auch der Datenspezialist Daimler Protics hat sich auf dem Campus der Universität des Saarlandes angesiedelt. Denn Datensicherheit ist ein Autothema par excellence. „In einem Fahrzeug ist alles vernetzt“, sagt Rossow. „Es reicht leider meist aus, eine Komponente zu kompromittieren, um das ganze Auto anleiten zu können.“ Nur wer die Sicherheitsansprüche der Technik tief erforscht, kann Fahrzeugsysteme vor Angriffen und Manipulation schützen.

Eine UN-Arbeitsgruppe hat mittlerweile den rechtlichen Rahmen für die Regulierung von Cybersecurity in der Automobilindustrie festgezurrt. Bis 2024 müssen Autohersteller die Verordnungen umsetzen. Datensicherheit im Auto ist ab Juli 2024 dann keine Option mehr, sondern vorgeschrieben. Es geht bei der Cybersecurity darum, den Angreifern stets eine Nasenlänge voraus zu sein. Das gilt vor allem bei einer Technologie, die ebenso faszinierend wie beängstigend ist: Quantencomputer. Diese sind weitaus leistungsfähiger als klassische Computer und werden in Zukunft auch anspruchsvolle Verschlüsselungen problemlos knacken können – ein Problem für die digitale Sicherheit von Fahrzeugen. Ein normaler Computer speichert Informationen als Bits, die nur zwei mögliche Zustände annehmen können. eins oder null. Ein Qubit eines Quantencomputers kann auch alle Zustände dazwischen einnehmen. Dadurch steigt die Menge an Informationen, die ein Quantencomputer verarbeiten kann, exponentiell an.

Eine bronzefarbene Statue eines muskulösen antiken Kriegers mit Speer und Schild steht auf einer Wiese vor einem modernen mehrstöckigen Gebäude mit großen Fenstern - ein eindrucksvolles Symbol für Deutschlands Hidden Champion, Saarland Marketing.

Ein modernes, vierstöckiges Bürogebäude mit großen Glasfenstern und weißer Vertäfelung, umgeben von Bäumen und einem teilweise wolkenverhangenen Himmel - ein idealer Rahmen, der den Geist von Deutschlands Hidden Champion und Standortmarketing Saarland widerspiegelt.

Am CISPA in Saarbrücken forscht das Team um Christian Rossow zu Cyberabwehrsystemen um Attacken abzuwehren, bevor diese überhaupt stattfinden. Die Architektur des CISPAs verkörpert den transparenten Ansatz der Forschungseinrichtung, wobei die Statue eines Spartaners am Eingang des Gebäudes symbolisch „Tojaner“ abwehren soll.

Neue Forschungsansätze in der Quantentechnolgie

Die Quantentechnologie hat bereits ihren Weg von den Forschungsinstituten in die Wirtschaft gefunden. So setzt sie der Maschinenbauer Trumpf bei der Berechnung des robotisierten Zuschnitts von Blechteilen ein. Analysten von IDC prognostizieren, dass 25 Prozent der Fortune-Global-500-Unternehmen ab 2023 einen Wettbewerbsvorteil durch Quantencomputer erwirtschaften werden. „Die Quantentechnolgie ist extrem spannend und ermöglicht Dinge, die mit herkömmlicher Computer-Technologie nicht machbar ist“, sagt DFKI-Standortleiter Slusallek. „Das gilt gerade auch für den Bereich der KI. Hier loten wir zusammen mit einigen der besten Quantenforschern in Europa aus, wo sich die größten Chancen bieten.“ Ein neuerer Forschungstrend, zu welchem eine Gruppe am Cispa forscht, ist Quantum Money. „Quanteninformationen verhalten sich im Unterschied zu klassischen digitalen Informationen eher wie physikalische Objekte, die man nicht ohne weiteres kopieren kann“, beschreibt Nico Döttling, leitender Wissenschaftler am Cispa, die Grundidee. Banknoten könnten so als nichtkopierbare Quanteninformation kodiert werden. Ein spannender Forschungsansatz aus dem Saarland, auch wenn derzeit noch keine Technologie existiert, Quanteninformation verlässlich über längere Zeit zu speichern.

Das Unternehmerische bei der Forschung mitdenken

Ziemlich sicher wird die Quantentechnologie neben anderen Technologien eine Rolle beim neuen Cispa-Innovation-Campus spielen. Auf dem Gelände der „Alten Schmelz“ in St. Ingbert sollen sich Ausgründungen aus Cispa und DFKI im Bereich der Cybersicherheit und KI ansiedeln. „Hier werden viele unserer Start-ups aus der Forschung eine Heimat finden“, sagt Backes. An Cispa und der Universität des Saarlandes wird das Unternehmerische bei der Forschung mitgedacht. Der Studiengang Entrepreneurial Cybersecurity zielt neben dem Studienabschluss auf die Firmengründung. Zudem hilft ein High-Tech Gründerfonds jungen Unternehmen mit Risikokapital dabei, vielversprechende Forschungsergebnisse unternehmerisch umzusetzen. Cybersecurity-Start-ups finden im Saarland gute Bedingungen vor. Ein Beispiel ist das junge Unternehmen AIS GmbH, dessen Systeme Computeroberflächen auf Schwachstellen kontrolliert und Hacker-Angriffe simuliert, um Unternehmen mit größeren Netzwerken zu schützen. Die Alte Schmelz, derzeit noch eine Industriebrache, soll später auf einer Fläche von zehn Fußballfeldern Platz für Ausgründungen bieten. Eine nicht besonders schwierige Berechnung haben die saarländischen Informatiker dazu bereits angestellt. Die Alte Schmelz ist vom Cispa aus in fünf Minuten erreichbar – mit dem E-Bike.

Erschienen im Rahmen einer Content-Kooperation mit dem Verlag der F.A.Z.

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