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Grenzen als Treiber von Innovationen

27. Juni 2019 | 14:54 Autor: Andreas Ettemeyer - NTB FOLIO | Anzeige Deutschland, Liechtenstein, Vorarlberg, Schweiz

Grenzen sind lästig, ja oft sogar ärgerlich. Vor nicht allzu langer Zeit war ein «grenzenloses» Europa eine Vision. Mühsame Passkontrollen die Regel. Heute sind Probleme an der Grenze eher die Ausnahme. Für den Forscher sind Grenzen eine Herausforderung, etwas, das er überwinden will. Dieser Artikel zeigt anhand einiger Beispiele, wie an einer technischen Fachhochschule das Ziel, Grenzen zu überwinden, zu Innovationen und kreativen Lösungen führt.

Im Alpen-Rheintal haben wir eine spezielle Grenzsituation: Der Rhein teilt die Schweiz von ihren Nachbarn, dem Fürstentum Liechtenstein und Vorarlberg. Der Bodensee trennt uns von Deutschland. Für die wirtschaftliche Entwicklung der Region sind diese Grenzen eine Hypothek: Will man über die Landesgrenzen hinweg kooperieren, muss man komplizierte Zollvorschriften beachten und geforderte Formularien einhalten. Fördermittel für Forschungsprojekte enden typischerweise an der Landesgrenze. Eine positive Ausnahme bildet die Kooperation mit dem Fürstentum Liechtenstein, das in das Innosuisse-Forschungsprogramm integriert ist.

Um diese Grenzen zu überwinden, wurde die «Internationale Bodensee Hochschule IBH» geschaffen, ein länderübergreifender Verbund von Hochschulen aus der Schweiz, aus Liechtenstein, Österreich und Deutschland. Die IBH fördert den grenzüberschreitenden Austausch zwischen den Partnern und konnte u.a. mit der Bildung von virtuellen «Labs» einen bedeutenden Beitrag zur Kooperation der Hochschulen leisten. Über das IBH-Lab «KMUdigital» und andere Labs wurde bereits in früheren Ausgaben des NTB FOLIO berichtet.

Ein weiteres Beispiel für eine Kooperation, welche durch den IBH-Verbund angestossen worden ist, ist das Projekt «Rhein-Labs 4.0». Es soll die auf beiden Seiten des Rheins vorhandene hervorragende Infrastruktur mit Reinräumen und zugehörigem Equipment gemeinsam nutzbar machen. Neben der Einsparung teurer Doppelinvestitionen auf beiden Seiten soll damit auch die Forschungskooperation und der fachliche Austausch intensiviert werden. Schöner Nebeneffekt: Die Überwindung der harten Landesgrenzen führt zu Lösungsansätzen, die mittels Digitalisierung und neuer Technologien zu noch engerer Kooperation und höherer Effizienz führen können.

RheinLabs 4.0 Digitalisierung zweier Reinräume über den Rhein hinweg verknüpft
Das Institut für Mikro- und Nanotechnologie MNT der NTB betreibt seit 25 Jahren eine komplexe Reinraum-Infrastruktur für die Herstellung mikrosystemtechnischer Bauteile, sogenannter MEMS. 2016 wurde das neue Laborgebäude mit topmodernem Reinraum für die 200-mm-Waferprozessierung (8-Zoll) in Betrieb genommen. Diese anspruchsvollen Prozessanlagen sind kostspielig, und es macht Sinn, sich mit anderen vergleichbaren Institutionen synergistisch zusammenzuschliessen. Aus dieser Überlegung entstand das Projekt «RheinLabs 4.0». Die Vision hierbei: Die Reinräume der NTB und der Fachhochschule Vorarlberg FHV sollen durch die Digitalisierung als virtueller Gesamtreinraum flexibel und attraktiv präsentiert werden und für Lehre sowie Forschung und Entwicklung von überall «erreichbar» sein. Hier verwenden wir Virtual-Reality-Technologie von Vive Pro. Alle Prozessketten sollen durchgängig geplant, alle Anlagenspezifikationen abgerufen und die Infrastruktur reserviert werden können. Die institutionelle Kooperation zwischen FHV und NTB soll sich dabei so etablieren, dass Prozessanlagen und teure Gerätschaften strategisch geplant, komplementär beschafft und gemeinsam bedient werden können – dies, um Ressourcen zu sparen und hochspezialisiertes Expertenwissen generieren zu können.

Im Institut für Ingenieurinformatik INF der NTB werden die Web-Anwendungen für die Planungsund Reservierungs-Tools entwickelt – in enger Absprache mit den Reinraumverantwortlichen beidseits des Rheins. Ferner gehören zum Projekt auch die vertrags- und zolltechnischen Aspekte der Zusammenarbeit und gemeinsamen Nutzung der Anlagen.

IEA HPT Annex 46 Domestic Hot Water Heat Pumps
Geografisch noch weiter gesteckt sind die Grenzen bei der internationalen Kooperation IEA HPT Annex 46. Diese ist ein internationales Projekt im Rahmen des «IEA Technical Collaboration Program for Heat Pumping Technologies (TCP-HPT)» zum Thema Warmwasser-Wärmepumpen. Das Institut für Energiesysteme (IES) nimmt dabei im Auftrag des Bundesamtes für Energie (BFE) die Ländervertretung der Schweiz wahr. Das IES informiert die Schweizer Fachbranche auch über die aktuellen Ergebnisse. Das Hauptziel des Annex 46 ist die detaillierte Analyse von Wärmepumpen-Technologien für die Erzeugung von Brauchwarmwasser, sowohl im Hinblick auf den Markt als auch auf den Forschungsstatus. Teilnehmende Länder sind die Niederlande (Operating Agent), das Vereinigte Königreich, Frankreich, die Schweiz, Japan, Südkorea, Kanada und die USA.

Die Schweiz spielt dabei eine Vorreiterrolle mit einem bereits sehr hohen Marktanteil an Wärmepumpen in Neubauten. Allgemein sind regionale und kulturelle Unterschiede der Warmwassernutzung festzustellen, welche nach unterschiedlichen Wärmepumpen-Systemen und -Kombinationen verlangen. Die nachhaltige Warmwasserbereitung mit Wärmepumpen bietet intelligente Speichermöglichkeiten im Neubau, wie auch bei der Sanierung bestehender Gebäude zum Ersatz elektrischer oder ölbefeuerter Heizungen. Mit Wärmepumpen lässt sich Wasser sehr effizient erwärmen und der CO2-Ausstoss reduzieren. Gerade bei Smart-Grid- Anwendungen besteht grosses Potenzial zur Optimierung der Speicherkapazität in Kombination mit der Photovoltaik.

Das Projekt Annex 46 ermöglicht den internationalen Informationsaustausch, bietet Zugang zu Herstellerdaten und liefert hilfreiche Einblicke für Endanwender und Installateure. Die gewonnenen Informationen und Erkenntnisse werden strukturiert aufgearbeitet, um ein besseres Verständnis bei Endverbrauchern und politischen Entscheidungsträgern zu erzielen. Die wichtigsten Ergebnisse sind auf der Website des Annex 46 öffentlich zugänglich.

NTB überschreitet Grenzen mit Mikro- und Nanotechnologie
Während man bei Grenzen in der Regel zunächst an Landesgrenzen und somit linienförmige Abgrenzungen denkt, arbeitet die Technik sehr viel mit flächenhaften Grenzen. Jede Oberfläche ist eine Grenze: Die Haut schützt unseren Körper vor Infektionen und Verletzungen. Eine Gebäudehülle stellt eine Grenze gegenüber der Umwelt dar, innerhalb dieser Hülle können wir geschützt wohnen. Wenn wir aber Oberflächen mit dem Mikroskop anschauen – und die Oberfläche gezielt mit winzigsten Strukturen, Belägen oder anderem verändern – dann passieren erstaunliche Dinge. Wir können die Eigenschaften des ganzen Bauteils optimieren: Wir produzieren eine mit Mikrostrukturen veränderte Oberfläche, welche wasserabweisend ist und nicht mehr verschmutzt (Lotusblüteneffekt). Ein mit einer unsichtbar dünnen Schicht überzogenes Brillenglas spiegelt nicht mehr. Ein entsprechend behandeltes Werkzeug weist eine vielfach höhere Standzeit auf.

Moderne Mikrostrukturierungs- und Beschichtungsverfahren erlauben somit heute ungeahnte Veränderungen in der Eigenschaft von Bauteilen. Die gezielte Behandlung und Veränderung der Grenzschicht wird damit zum Schlüsselelement für neue und innovative technische Produkte. Die wirtschaftliche Entwicklung des Rheintals rechts und links des Rheins basiert übrigens genau auf diesen innovativen Technologien. Die NTB Buchs besitzt sowohl die nötige Infrastruktur wie auch das Know-how, um mit Mikro- und Nanotechnologie gezielt Grenzen zu überschreiten.

Tintenstrahldrucker Technik setzt auf «Grenzen»
Im Elektronikmarkt gibt es sie schon für unter CHF 100: Tintenstrahldrucker, die durch Ausstossen einer Vielzahl kleinster Farbtröpfchen ein Blatt Papier in Windeseile bedrucken. Auch in der Tintenstrahldrucktechnik werden «Grenzen» gezielt eingesetzt: Indem hauchdünne Beschichtungen aufgebracht werden, wird die Oberfläche als Heizelement, Isolator, Stromleiter oder als Strukturelement umfunktioniert. Die mikroskopischen Bilder zeigen einen Tintenstrahldruckkopf im Querschnitt (links oben) und Elemente der zugehörigen Schaltung auf dem Silizium-Chip (links unten, rechts). Entlang feiner Fluidkanäle gelangt die Tinte direkt in das Reservoir unterhalb einer Düse, die durch ein winziges Loch in einer kaum haardicken, elektrochemisch abgeschiedenen Metallschicht gebildet wird. Über diesen «Grenzübergang» verlassen kleinste Tröpfchen den Tintenstrahldruckkopf. Und zwar immer dann, wenn Tinte im darunterliegenden Reservoir durch einen Dünnfilmheizer kurzzeitig so stark aufgeheizt wird, dass die Flüssigkeit dort die Grenze vom flüssigen in den gasförmigen Zustand überschreitet. Die dabei entstehende expandierende Gasblase «spuckt» dann einen Tropfen Tinte aus.

Im Bild erscheinen unten links die als hauchdünne Metallfime vorliegenden Widerstandsheizer bräunlich rot bzw. grünlich. Sie müssen eine bestimmte «Grenztemperatur» überschreiten, um die darüber liegende Tinte zum Sieden zu bringen. Der Schalter (Transistor), der den Strom durch den Widerstandsstreifen ansteuert, ist im Bild rechts zu sehen. Wenn am gitterartigen Gate eine bestimmte «Grenzspannung» überschritten wird, fliesst Strom zwischen A und B und der Widerstand heizt sich auf. Die Gate-Leitung ist eine strukturierte, dünne leitende Schicht von nur wenigen Tausendstel einer typischen Papierdicke. Die Gate-Bahnen sind von einer dünnen transparenten und isolierenden Siliziumoxidschicht überzogen, die stromleitende Ebenen voneinander «abgrenzt». Die Dickenvariation dieser durchsichtigen Schicht über den Bildausschnitt hinweg ruft charakteristische Regenbogenfarben hervor, wie man sie von dünnen Ölfilmen kennt.

Digitalisierung sprengt Grenzen
Heute ist das Thema Digitalisierung in aller Munde. Und tatsächlich zeigt sich an dieser Entwicklung, wie eine weitere Grenze bewusst und aktiv überschritten wird, um Innovationen voranzutreiben: die Grenze zwischen realer und virtueller Welt. Früher war es notwendig, die Funktionsweise neuer Bauteile in aufwendigen Laborversuchen zu entwickeln und zu überprüfen. Heute geht man mehr und mehr dazu über, ein virtuelles mathematisches Modell aufzubauen. Daran simuliert und prüft man alle geforderten Eigenschaften. Das ist in der Regel einfacher und schneller als der Umgang mit teuren Materialien und die Herstellung aufwendiger Versuchsaufbauten. Zusätzlich ist die Simulation am Rechner weit weniger gefährlich. Man kann die Grenzen gefahrlos austesten. Dies kann besonders interessant sein für Schulungszwecke. An der NTB profitieren Studierende davon in der «hybriden Lernfabrik» (siehe NTB FOLIO 2018-11).

Allerdings ist eine vollständige Simulation der realen Welt mitunter sehr aufwendig und nicht mehr wirtschaftlich. Daher beginnen sich auch diese Welten zunehmend zu nähern. Die Grenzen zwischen virtueller und realer Welt vermischen sich zusehends. Bei kollaborativen («mitarbeitenden») Systemen werden die technischen Systeme mit Sensoren und «Intelligenz» ausgestattet, sodass sie den Menschen bei seiner Tätigkeit unterstützen können. So können Exoskelette Menschen beim Tragen schwerer Lasten assistieren. In der Industrie werden die Absperrungen zu den Robotern abgebaut, und Mensch und Roboter arbeiten «kollaborativ » zusammen. Auch in der Medizin und Chirurgie werden inzwischen virtuelle und reale Welt zusammengeführt. Der Operateur kann damit bei der Durchführung komplizierter Operationen unterstützt werden.

Ausgetretene Pfade verlassen – dank Systemtechnik
Grenzen aller Art fordern uns Menschen heraus, sie zu überwinden. Dies ist in der Regel nur durch intelligente Lösungen möglich. Auf diese Weise kooperieren Erfindergeist und Kreativität des Menschen mit den verfügbaren Ressourcen, um neue Lösungen zu entwickeln. Dazu muss man häufig ausgetretene Pfade verlassen und Wege über andere Fachdisziplinen oder methodisch neue Vorgehensweisen suchen. Diese Denkweise verfolgen wir an der NTB mit unserem Systemtechnikansatz: In der Kooperation der verschiedenen Fachrichtungen und Institute sehen wir den entscheidenden Mehrwert, um heute und in Zukunft Innovationen zu ermöglichen.

  • Aufnahmen eines Tintenstrahldruckkopfes im optischen Mikroskop mit Querschnitt inklusive Düsenöffnung (links oben), zwei Heizstreifen zum Ausstoss von Tintentropfen (links unten) und dem Transistor (Schalter), mit dem der Heizstreifen angesteuert wird (rechts).
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  • Erste Operation am Menschen mit der ersten Version des Operationsroboters.
    uploads/pics/4_71.jpg

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