Fraunhofer, SABIC und Procter & Gamble kooperieren im Rahmen eines Pilotprojekts zum Closed-Loop-Recycling von Einweg-Gesichtsmasken

Source: Fraunhofer-GesellschaftDas Fraunhofer-Institut UMSICHT, SABIC und Procter & Gamble (P&G) gaben heute ihre Zusammenarbeit im Rahmen eines innovativen Pilotprojekts zur Kreislaufwirtschaft bekannt, das die Möglichkeiten zur Rückführung von Einweg-Gesichtsmasken in den Verwertungskreislauf aufzeigen soll.
Die milliardenfache Verwendung von Einweg-Gesichtsmasken zum Schutz vor dem Coronavirus birgt große Gefahren für die Umwelt, insbesondere wenn die Masken in der Öffentlichkeit, z.B. in Parks, bei Open-Air-Veranstaltungen oder an Stränden, gedankenlos weggeworfen werden. Neben der Herausforderung, eine nachhaltige Lösung für derart große Mengen unverzichtbarer Hygieneartikel zu finden, bedeutet die bloße Entsorgung der gebrauchten Masken auf Mülldeponien oder in Verbrennungsanlagen einen Verlust an wertvollem Rohstoff, mit dem sich neue Materialien herstellen ließen.
»Vor diesem Hintergrund haben wir untersucht, wie gebrauchte Gesichtsmasken wieder zurück in die Wertschöpfungskette der Maskenproduktion gelangen könnten«, so Dr. Peter Dziezok, Director R&D Open Innovation bei P&G. »Doch für eine echte Kreislauflösung, die sowohl nachhaltige als auch wirtschaftliche Kriterien erfüllt, braucht es Partner. Deshalb haben wir uns mit den Expertinnen und Experten vom Fraunhofer CCPE und Fraunhofer UMSICHT sowie den Technologie- und Innovations-Fachleuten von SABIC zusammengetan, um Lösungen zu finden.«
Im Rahmen des Pilotprojekts sammelte P&G an seinen Produktions- und Forschungsstandorten in Deutschland gebrauchte Gesichtsmasken von Mitarbeitenden und Besuchenden ein. Auch wenn diese Masken immer ordnungsgemäß entsorgt werden, fehlte es doch an Möglichkeiten, diese effizient zu recyceln. Um hierbei alternative Herangehensweisen aufzuzeigen, wurden extra dafür vorgesehene Sammelbehälter aufgestellt und die eingesammelten Altmasken an Fraunhofer zur Weiterverarbeitung in einer speziellen Forschungspyrolyseanlage geschickt.
»Einmal-Medizinprodukte wie Gesichtsmasken haben hohe Hygieneanforderungen, sowohl in Bezug auf die Entsorgung als auch hinsichtlich der Produktion. Mechanisches Recycling wäre hier keine Lösung«, erklärt Dr. Alexander Hofmann, Abteilungsleiter Kreislaufwirtschaft am Fraunhofer UMSICHT. »Unser Konzept sieht zunächst die automatische Zerkleinerung und anschließend die thermochemische Umwandlung in Pyrolyseöl vor. Unter Druck und Hitze wird der Kunststoff bei der Pyrolyse in molekulare Fragmente zerlegt, wodurch unter anderem Rückstände von Schadstoffen oder Krankheitserregern wie dem Coronavirus zerstört werden. Im Anschluss können daraus neuwertige Rohstoffe für die Kunststoffproduktion gewonnen werden, die zudem die Anforderungen an Medizinprodukte erfüllen«, ergänzt Hofmann, der auch Leiter der Forschungsabteilung Advanced Recycling am Fraunhofer CCPE ist.
Das Pyrolyseöl wurde im nächsten Schritt an SABIC weitergereicht, wo es als Ausgangsmaterial für die Herstellung von neuwertigem Polypropylen (PP) zum Einsatz kam. Das Polymer wurde nach dem allgemein anerkannten Massenbilanz-Prinzip hergestellt, bei dem das alternative Ausgangsmaterial im Produktionsprozess mit fossilen Rohstoffen kombiniert wird. Das Massenbilanz-Prinzip gilt als wichtige Brückenlösung zwischen der heutigen Linearwirtschaft und der nachhaltigeren Kreislaufwirtschaft der Zukunft.
»Das in diesem Pilotprojekt gewonnene, hochwertige zirkuläre PP-Polymer zeigt deutlich, dass Closed-Loop-Recycling durch die aktive Zusammenarbeit von Akteuren aus der gesamten Wertschöpfungskette erreicht werden kann«, betont Mark Vester, Global Circular Economy Leader bei SABIC. »Das Kreislaufmaterial ist Teil unseres TRUCIRCLE™-Portfolios, mit dem wertvolle Altkunststoffe wiederverwertet und fossile Ressourcen eingespart werden sollen.«
Mit der abschließenden Lieferung des PP-Polymers an P&G, das dort zu Faservliesstoffen verarbeitet wurde, schloss sich der Kreis. »Durch dieses Pilotprojekt konnten wir besser beurteilen, ob der Kreislaufansatz auch für Kunststoffe, die bei der Herstellung von Hygiene- und Medizinprodukten zum Einsatz kommen, geeignet wäre«, so Hansjörg Reick, Senior Director Open Innovation bei P&G. »Natürlich muss das Verfahren noch verbessert werden. Die bisherigen Ergebnisse sind jedoch durchaus vielversprechend.«
Das gesamte Kreislaufprojekt – von der Einsammlung der Gesichtsmasken bis hin zur Produktion – wurde innerhalb von nur sieben Monaten entwickelt und umgesetzt. Der Einsatz innovativer Recyclingverfahren bei der Verarbeitung anderer Materialien und chemischer Produkte wird im Fraunhofer CCPE weiter erforscht.
Über Fraunhofer CCPE und Fraunhofer UMSICHT
Der Übergang von einer Linear- zu einer Kreislaufwirtschaft in der Kunststoffproduktion kann nur gelingen, wenn die beteiligten Akteure und Akteurinnen zusammenarbeiten. Der Fraunhofer Cluster of Excellence Circular Plastics Economy CCPE bündelt die Kompetenzen von sechs Fraunhofer-Instituten und setzt auf eine enge Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie. Unter Berücksichtigung des gesamten Lebenszyklus von Kunststoffprodukten arbeiten wir gemeinsam an systemischen, technischen und gesellschaftlichen Innovationen.  
Durch den Transfer von wissenschaftlichen Erkenntnissen in die Wirtschaft, Gesellschaft und Politik zählt das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT zu den Vorreitern beim nachhaltigen Umgang mit Energieträgern und Rohstoffen. Gemeinsam mit verschiedenen Partnern und Partnerinnen erforschen und entwickeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Fraunhofer UMSICHT spannende Produkte, Prozesse und Dienstleistungen zum Thema Nachhaltigkeit.  
Über SABIC
SABIC ist ein weltweit diversifiziertes Chemieunternehmen mit Hauptsitz in Riad, Saudi-Arabien. Das Unternehmen produziert in Nord- und Südamerika und Europa sowie im Nahen Osten und asiatisch-pazifischen Raum. Seine Produktpalette umfasst unterschiedliche Erzeugnisse: Chemikalien, Standard- und Hochleistungskunststoffe, Agri-Nährstoffe und Metalle.
SABIC unterstützt seine Kunden mit Lösungen für wichtige Endnutzungsanwendungen in den Bereichen Baugewerbe, Medizinprodukte, Verpackungen, Agri-Nährstoffe, Elektro- und Elektronikanwendungen, Verkehr und saubere Energie. Die Produktion im Jahr 2020 belief sich auf 60,8 Millionen Tonnen.
Das Unternehmen beschäftigt weltweit mehr als 32.000 Mitarbeitende und ist in rund 50 Ländern aktiv. SABIC fördert Innovationen und Erfindungen und hat weltweit bereits 9.946 Patente angemeldet. Der Konzern verfügt über umfangreiche Forschungsressourcen mit Innovationszentren in fünf Schlüsselregionen –  USA, Europa, Naher Osten sowie Süd- und Nordasien.
Das TRUCIRCLE-Programm von SABIC umfasst die Entwicklung von Recyclingservices und die Gewinnung von mechanisch recycelten Materialien, zertifizierten Kreislaufprodukten durch chemisches Recycling von Altkunststoffen sowie zertifizierten erneuerbaren Polymeren aus biobasiertem Rohstoff.  
Über Procter & Gamble
P&G bedient Verbraucher auf der ganzen Welt mit einem umfassenden Portfolio an vertrauenswürdigen, hochwertigen und führenden Marken, darunter Always®, Ambi Pur®, Ariel®, Bounty®, Charmin®, Crest®, Dawn®, Downy®, Fairy®, Febreze®, Gain®, Gillette®, Head & Shoulders®, Lenor®, Olay®, Oral-B®, Pampers®, Pantene®, SK-II®, Tide®, Vicks® und Whisper®. P&G ist weltweit in rund 70 Ländern aktiv. 

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Fraunhofer-Gesellschaft und VSB – Technische Universität Ostrava starten deutsch-tschechische Forschungskooperation für nachhaltige Produktion

Source: Fraunhofer-GesellschaftNach mehr als fünf Jahren erfolgreicher Zusammenarbeit zwischen der VSB – Technische Universität Ostrava (VSB-TUO), dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU und dem Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT ist ein ehrgeiziges Vorhaben an den Start gegangen: Die »Fraunhofer Innovation Platform for Applied Artificial Intelligence for Materials & Manufacturing at VSB – Technical University of Ostrava« (FIP-AI@VSB-TUO) hat am 1. Juni 2021 ihre Arbeit aufgenommen. Die Eröffnungsfeierlichkeiten, an denen neben den genannten Partnern auch der tschechische Minister für Handel und Industrie, Karel Havlíček, teilnahm, fanden am 8. Juni 2021 auf dem Campus der VSB-TUO in Ostrava statt.
Ziel der Kooperation ist es, neuartige Lösungsansätze für die Wärmerückgewinnung in der Industrie auf Basis modularer Konzepte für Energiespeicher und Wärmetauscher-Systeme zu erforschen und diese Ansätze mit Lösungen für digitale Produktionstechnologien und die Integration in Prozessketten zu verknüpfen. Bei jedem Schritt sind weiterentwickelte und hochspezialisierte KI-Anwendungen ein entscheidender Faktor.
Auf dieser Grundlage schaffen die Kooperationspartner ein breites Portfolio von Forschungs- und -Entwicklungs-Angeboten für Unternehmen und Industriepartner. Die Industrie wird in die Lage versetzt, ihre Energiebilanz zu verbessern, die CO2-Emissionen zu verringern und gleichzeitig ihre Produktion zu optimieren.
Bündelung der Kompetenzen
Für das anspruchsvolle Vorhaben bringen die Projektpartner jeweils ihre eigenen Kompetenzen ein: Die VSB-TUO in den Bereichen Künstliche Intelligenz und Next Generation Computing, das Fraunhofer ICT in Materialforschung und Energiesystemen und das Fraunhofer IWU in Fertigungstechnik und Produktion. Die Bündelung dieser Kompetenzen ermöglicht es den Partnern, besonders leistungsfähige und umfassende Lösungen für die gesamte Wertschöpfungskette der Industrie anzubieten.
»Die Fraunhofer-Gesellschaft ist seit Jahren ein wichtiger und geschätzter Partner für die VSB – Technische Universität von Ostrava. Ich freue mich sehr, dass diese Partnerschaft durch die Etablierung der ersten Fraunhofer Innovation Platform in der Tschechischen Republik noch stärker und noch produktiver wird«, sagt Václav Snášel, Rektor der Universität.
Grüner Deal für Europa
Prof. Reimund Neugebauer, Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft, sagt: »In Zeiten des Klimawandels benötigen wir ambitionierte forschungsbasierte Lösungen, die Industrie und Wirtschaft nutzen können, um CO2-Emissionen wirksam zu senken und gleichzeitig die Wettbewerbsfähigkeit zu stärken. Unsere Kooperation mit der VSB – Technische Universität Ostrava und der Tschechischen Republik setzt hier ein starkes Zeichen im europäischen Raum. Über Ländergrenzen hinweg bündeln wir Kompetenzen in Schlüsseltechnologien wie Künstliche Intelligenz, Next Generation Computing, Energiemanagement und Produktion. Gemeinsam schaffen wir ein attraktives Forschungs- und Entwicklungsangebot für Unternehmen. Wir unterstützen sie bei der Realisierung zukunftsweisender Lösungen für intelligente und nachhaltige Fertigungsprozesse. Auf dieser Basis entstehen werteorientierte Wertschöpfungsketten. Damit leistet diese tschechisch-deutsche Partnerschaft auch einen Beitrag zum Grünen Deal der EU.«
Prof. Martin Dix, Leiter des Fraunhofer IWU, ist überzeugt: »Der Ausbau der grenzüberschreitenden Zusammenarbeit kommt allen drei Partnern zugute. Gemeinsam mit der VSB-TUO bieten wir Unternehmen aus der Fertigung ein enormes Potenzial. Durch die Bündelung unseres Know-hows in den Bereichen Produktion und Informationstechnologie können hochspezialisierte Fertigungsprozessketten der Zukunft optimal simuliert und gesteuert werden. Auf diese Weise reduzieren wir CO2-Emissionen, senken die Kosten, steigern die Produktivität und beseitigen Fehlerquellen. Die drei Partner bringt dies einen großen Schritt weiter – und unsere Industriepartner ebenso.«
»Diese Form der Zusammenarbeit ist wahrlich einzigartig«, ergänzt Dr. Vladislav Kolarik, Projektleiter beim Fraunhofer ICT. »Die FIP-AI@VSB-TUO ist die erste Fraunhofer Innovation Platform in der Tschechischen Republik. Die Bündelung der verschiedenen Forschungsdisziplinen bietet für alle beteiligten Projektpartner erhebliches technologisches Potenzial.«
Das Gemeinschaftsprojekt FIP-AI@VSB-TUO wird Unternehmen diese konkreten Leistungen zur Verfügung stellen:
•          Technologiekonzepte•          Steuerungslösungen•          Werkstoffe•          Vorführmodelle•          Ganzheitliche Lösungen unter Einbeziehung weiterer Fachabteilungen•          Detaillierte Lösungen und Optimierungsmöglichkeiten
Chance für Mittelstand und regionale Unternehmen
Die FIP-AI@VSB-TUO richtet sich an Kunden aus der Industrie und dem öffentlichen Sektor. Aber auch mittelständische Unternehmen ohne eigene Forschungs- und Entwicklungsabteilung oder Unternehmen mit anderen Forschungsschwerpunkten können von der Kooperation und vom Know-how profitieren. Zudem steht das Angebot Industriepartnern aus Deutschland und Tschechien sowie Interessenten aus anderen europäischen Ländern offen
Darüber hinaus zielt die FIP-AI@VSB-TUO darauf ab, die Forschungsaktivitäten der VSB-TUO auszubauen und dabei auch regionale Unternehmen noch stärker durch Spitzenforschung zu unterstützen. Diesen eröffnet die Kooperation die Möglichkeit, im Rahmen internationaler Projekte zusammenzuarbeiten, schnellen Zugang zu den Märkten der Partnerregionen zu erlangen und sich mit deutschen Unternehmen zu Forschungsprojekten zusammenzuschließen.
Karrierechance für den wissenschaftlichen Nachwuchs
Das Gemeinschaftsprojekt wird deutschen als auch tschechischen Studierenden, Promovierenden sowie Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern durch Praktika im jeweiligen Partnerland noch bessere Karrierechancen ermöglichen. Ein regelmäßiger Austausch von Studierenden und Mitarbeitenden fördert die gemeinsamen Forschungsaktivitäten und generiert Ideen für neue Projekte und Geschäftsmodelle.
Die Leitung der FIP-AI@VSB-TUO setzt sich aus je einem Vertreter oder einer Vertreterin der Partnerinstitutionen zusammen. Die Wahl der Generaldirektorin fiel auf Michaela Vráželová, die derzeit Leiterin des Auslandsbüros der VSB-TUO ist. Zwei stellvertretende Direktoren, Dieter Weise vom Fraunhofer IWU und Vladislav Kolarik vom Fraunhofer ICT, vertreten die Fraunhofer-Institute und koordinieren die Forschungsaktivitäten einer eigens dafür etablierten so genannten Spiegelgruppe der FIP-AI@VSB-TUO an ihren Heimatinstituten, um eine jederzeit effiziente Zusammenarbeit zu gewährleisten

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Maritime Technologien im Einklang mit dem Ökosystem Ozean

Source: Fraunhofer-GesellschaftUnsere Meere sind für das Leben auf der Erde unentbehrlich und stecken zugleich voller Potential – insbesondere für nachhaltige Technologien. Erforschung wie Erschließung dieses schwer zugänglichen Lebensraums bleiben jedoch eine große Herausforderung und machen intensive Praxistests für zuverlässige Lösungen zwingend erforderlich. Bisher gibt es allerdings kaum Möglichkeiten, komplexe Unterwassertechnik und deren Zusammenspiel in realen Szenarien zu erproben.Das soll sich ändern. Mit dem Großprojekt »Ocean Technology Campus« (OTC) wird die Hansestadt Rostock aktuell zum führenden Standort der technologischen Unterwasserforschung ausgebaut – mit einem vielseitig einsetzbaren Testfeld in Küstennähe: dem »Digital Ocean Lab« (DOL). Fachleute können ihre Lösungen und Simulationen in dem Fraunhofer-Labor unter kontrollierten Bedingungen testen, bewerten und optimieren.
Gemeinsam für nachhaltige Lösungen
Generell stößt eine Forschungsdisziplin bei der Entwicklung zukunftsweisender Meeres-technik allein schnell an ihre Grenzen. Aus diesem Grund schlossen sich 13 Fraunhofer-Institute und -Einrichtungen 2016 zum Kompetenznetzwerk »Subsea@Fraunhofer« zusammen. Gemeinsam arbeiten hier Fachteams aus IT, Materialwissenschaften, Ingenieurwissenschaften, Elektronik, Sensortechnik, Energietechnik, Robotik, Aquakultur sowie Automatisierungs- und Systemtechnik an neuen Lösungen – ein europaweit einzigartiger Forschungsverbund der Unterwassertechnik.Zudem stößt die Fraunhofer-Gesellschaft mit der »Innovationsplattform Sustainable Subsea Solutions ISSS« die prominente Positionierung des Themas auf europäischer Ebene an. Die Vision der Innovationsplattform Sustainable Subsea Solutions ISSS ist die nachhaltige Nutzung der Weltmeere, um die Nahrungsmittel- und Ressourcensouveränität Deutschlands und der EU zu gewährleisten und gleichzeitig die Ozeane als zentrales Element des globalen Ökosystems zu schützen.Die Innovationsplattform soll helfen, die Entwicklung neuer Technologien und Materialien voranzutreiben sowie deren Anwendung und den Transfer in die Prozesse der maritimen Industrie zu beschleunigen Insbesondere Aquakulturen sowie maritime Offshore-Energiegewinnung stehen zunächst im Mittelpunkt. Weitere Ziele sind die Bereinigung der Meere von Mikro- und Makroplastik wie auch von Munitionsaltlasten.Durch zielgerichtete Investitionen in neue Infrastrukturen und die intelligente Vernetzung bestehender Strukturen und Aktivitäten soll sich die Innovationsplattform zum führenden Innovationsanbieter für angewandte maritime Forschung entwickeln – stets im Schulterschluss mit Wirtschaft, Politik und Gesellschaft. Neben Fraunhofer umfasst das Konsortium der Innovationsplattform Sustainable Subsea Solutions ISSS aktuell sieben weitere anwendungsnahe europäische Forschungseinrichtungen. Deren zentraler Anspruch: alle Lösungen für die maritime Wirtschaft zuverlässig und im Einklang mit dem Ökosystem der Meere betreiben zu können.
»The Ocean we want«
Die Zukunft der maritimen Wirtschaft hängt maßgeblich von nachhaltigen Technologien sowie von einer Bündelung der nationalen und europäischen Kompetenzen ab. Nur wenn die Wissens- und Innovationsgrundlagen ausgebaut werden, lassen sich Hightech-Standorte sichern und unsere Meere als zentrales Element des globalen Ökosystems schützen.Über ihren konkreten Beitrag hierzu informieren Expertinnen und Experten aus der maritimen Industrie und Wissenschaft auf dem EU Green Week Partner Event »The Ocean we want«, das die Fraunhofer-Gesellschaft am 8. Juni 2021 gemeinsam mit ihrem norwegischen Partner SINTEF Ocean ausrichtet. Wie können hochentwickelte Technologien zu einer verschmutzungsfreien Wirtschaft beitragen, welche die Ökosysteme schützt und gleichzeitig Arbeitsplätze schaffen? Wie können wir die Herausforderungen angehen, denen unsere Ozeane und Küstenregionen zunehmend ausgesetzt sind? Und wie kann Forschung für nachhaltige Unterwasserlösungen zu einem gesunden Ökosystem beitragen und die Blue Economy vorantreiben? In der Veranstaltung stellen die Fachleute verschiedene Lösungsansätze vor und gewähren Einblicke in die Erstellung von digitalen Zwillingen und deren Integration in Unterwasser-Reallabore bei Fraunhofer und SINTEF Ocean.

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Enzyme erfolgreich in Kunststoffe einbinden

Source: Fraunhofer-GesellschaftMaterialien, die sich selbst reinigen, die Anti-Schimmel-Oberflächen besitzen oder sich sogar selbst abbauen können, sind nur einige Beispiele dafür, was möglich wird, wenn es gelingt, aktive Enzyme in Kunststoffe einzubinden. Doch damit die enzymspezifischen Eigenschaften auf die Materialien übertragen werden können, dürfen die Enzyme beim Einbau in den Kunststoff nicht geschädigt werden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Fraunhofer IAP haben hierfür im Rahmen des Projekts »Biofunktionalisierung/Biologisierung von Polymermaterialien BioPol« eine Lösung entwickelt. Seit Sommer 2018 läuft das Projekt in Kooperation mit der BTU Cottbus-Senftenberg. Gefördert wird es vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kultur des Landes Brandenburg.
»Dass es uns nicht um die Produktion von biofunktionalisierten Kunststoffen im Labormaßstab geht, war von Anfang an klar. Wir wollten direkt groß einsteigen, um zu zeigen, dass die technische Herstellung möglich ist.« So fasst Dr. Ruben R. Rosencrantz, Leiter der Abteilung »Biofunktionalisierte Materialien und (Glyko)Biotechnologie« am Fraunhofer IAP, die ambitionierten Ziele des Projekts zusammen. Schon jetzt, nachdem ungefähr die Hälfte der Laufzeit vorbei ist, zeigen sich große Erfolge: Mit Blick sowohl auf die Enzyme selbst als auch auf den Verarbeitungsprozess ist die Einbindung von Enzymen gelungen.
Höhere Temperaturstabilität durch anorganische Schutzrüstungen
Die Suche nach einer Möglichkeit, die Enzyme zu stabilisieren, führte die Forschenden zu einer Verwendung von anorganischen Trägern. Diese stellen eine Art Schutzrüstung für das Enzym dar, erklärt Rosencrantz: »Wir verwenden beispielsweise anorganische Partikel, die sehr porös sind. Die Enzyme binden an diese Träger, indem sie sich in die Poren einlagern. Auch wenn dadurch die Beweglichkeit der Enzyme eingeschränkt ist, bleiben sie weiterhin aktiv und halten deutlich höheren Temperaturen stand.«
Rosencrantz betont jedoch, es gebe keinen allgemein gültigen Stabilisierungsprozess: »Jedes Enzym ist anders. Welcher Träger und welche Technologie für dessen Beladung am geeignetsten ist, bleibt enzymabhängig.«
Stabilisierte Enzyme: nicht nur an der Oberfläche, sondern auch im Inneren von Kunststoffen
Die Forschenden suchten bewusst nach einer Möglichkeit, die stabilisierten Enzyme nicht nur auf der Oberfläche des Kunststoffes aufzutragen, sondern sie direkt in den Kunststoff einzuarbeiten. »Dies ist zwar deutlich schwieriger, aber so können auch Abnutzungserscheinungen an der Materialoberfläche der Funktionalität der Kunststoffe nichts anhaben«, erklärt Thomas Büsse, der das institutseigene Verarbeitungstechnikum für Biopolymere in Schwarzheide leitet.
Um im Weiterverarbeitungsprozess ein optimales Materialergebnis zu erhalten, müssen die stabilisierten Enzyme in der heißen Kunststoffschmelze, der sie beigemischt werden, schnellstmöglich verteilt werden, ohne dass dabei die Krafteinwirkung oder die Temperaturen zu hoch werden. Eine Gratwanderung, mit deren Ergebnis Büsse sich zufrieden zeigt: »Wir haben ein Verfahren entwickelt, das sich sowohl für Biokunststoffe als auch für die klassischen erdölbasierten Kunststoffe wie Polyethylen eignet. Zusätzlich zeigen unsere Untersuchungen, dass stabilisierte Enzyme nach der Einarbeitung in den Kunststoff nochmals höheren thermischen Belastungen gewachsen sind, als sie es vor der Verarbeitung waren. Dies erleichtert den Einsatz der Enzyme und sämtliche Prozessschritte in erheblichem Maße.«
Selbstreinigende Kunststoffe sind erst der Anfang
Bisher haben sich die Forschenden am Fraunhofer IAP, was die Wahl des Enzyms betrifft, vor allem mit Proteasen beschäftigt. Diese können andere Eiweiße spalten. Der mit ihnen funktionalisierte Kunststoff erhält dadurch eine selbstreinigende Wirkung. So könnten beispielsweise Rohre weniger leicht zuwachsen oder verstopfen. Aber auch andere Enzyme werden systematisch getestet. Die Kooperationspartner an der BTU Cottbus-Senftenberg setzen sich beispielsweise verstärkt mit Enzymen zum Kunststoffabbau und zum Abbau von giftigen Substanzen auseinander.
Erste funktionalisierte Kunststoffgranulate, Folien und Spritzgusskörper wurden bereits hergestellt. Dass die darin eingearbeiteten Enzyme weiterhin aktiv sind, haben die Forschenden nachgewiesen. Im nächsten Schritt wird nun die Alltagstauglichkeit in verschiedenen Anwendungen getestet und weiter optimiert. Rosencrantz und Büsse sind optimistisch – und haben nun auch eine Patentanmeldung auf ihre Forschung eingereicht.

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Entscheidungshilfe für die Industrie: Technologiebaukasten für die Bipolarplattenproduktion von Brennstoffzellen

Source: Fraunhofer-GesellschaftDas Interesse und der Bedarf an Brennstoffzellen steigen kontinuierlich. Besonders im Mobilitätssektor bieten sie eine vielversprechende, umweltfreundlichere Alternative zu fossilen Energieträgern. Doch um den Weg in die Massenproduktion zu finden, muss die Herstellung von Brennstoffzellen noch einfacher und günstiger werden. Große Potenziale zur Kosteneinsparung finden sich vor allem in der Produktion der Bipolarplatten. Als zentrales Element der Brennstoffzelle regeln sie die Zufuhr von Wasserstoff und Luft sowie die Abgabe von Wasserdampf und Energie. Von entscheidender Bedeutung ist hierbei das Design des Flussfeldes, das die Kanalstrukturen der Bipolarplatte bildet. Durch diese Kanäle strömen die beteiligten Gase. Je größer die Oberfläche ist und je ebener die Platten sind, desto besser interagieren die Bipolarplatten mit den übrigen Komponenten der Brennstoffzelle und desto höher ist der Wirkungsgrad.
Ihre Gestalt erhalten die Bipolarplatten und ihr Flussfeld während des Umformungsprozesses. Mit diesem Produktionsschritt kennt man sich sowohl am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz als auch am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen sehr gut aus und hat daher beschlossen, die vorhandenen Kompetenzen in einem gemeinsamen virtuellen Technologiebaukasten zu bündeln.
Entscheidungshilfe bei Technologie und Material
»Meist beabsichtigen die Unternehmen, die sich an uns wenden, in die Produktion von Brennstoffzellen zu investieren. Sie haben grundsätzliche Vorstellungen, was das Umformverfahren anbetrifft, sind sich jedoch unsicher, welche wirtschaftlichen Konsequenzen deren Einsatz bedeutet. So sind zum Beispiel Ausbringungsmengen und Herstellungskosten besonders schwer bewertbar«, erklärt Dr. Ulrike Beyer, Leiterin der TaskForce Wasserstoff@IWU. »Durch unseren Technologiebaukasten können wir dank evidenzbasierter Analysen die Ausgangslage ergebnisoffen betrachten, die verschiedenen Abhängigkeiten systematisiert berücksichtigen und so für jeden Bedarf eine passgenaue technologische Lösung entwickeln.«
Als Parameter für die Entscheidung ziehen die Forschenden neben Anlagen- und Werkzeugkosten und der Produktionsmenge auch die erzielbaren Umformergebnisse wie Größe, Ebenheit und abbildbares Flussfelddesign heran. Hydroforming, Hohlprägen, Walzprägen, Formpressen – je nach individuellem Schwerpunkt ändert sich, welches der möglichen Umformverfahren das vielversprechendste ist, so Beyer: »Während beispielsweise das Hohlprägen und das Hydroforming für eine hohe Qualität der Bipolarplatte sorgen, gestattet bisher einzig das Walzprägen eine signifikante Erhöhung der Ausbringungsmenge. Letzteres hat dafür aber wieder an anderen Stellen noch seine Schwächen.«
Auch das verwendete Ausgangsmaterial bestimmt die Wahl des Umformungsverfahrens, weiß Dr. Christoph Baum, Geschäftsführer des Fraunhofer IPT: »Ursprünglich hat man vor allem mit Kompositmaterialien gearbeitet. Diese versprechen eine lange Leistungsdauer der Brennstoffzelle, eignen sich aber nur bedingt für die Massenproduktion, da sie in ihrer Herstellung aufwendiger und teurer sind. Außerdem bleibt bei Kompositmaterialien die Werkstoffdicke auch nach der Verarbeitung recht hoch. Ein Brennstoffzellenstack wird so schnell sehr groß, was etwa bei einem Einsatz in Fahrzeugen unpraktisch ist. Daher setzen wir nun verstärkt auf Metalle wie Stahl und erzielen damit in der Regel bessere und kostengünstigere Ergebnisse.« Zusätzlich ist je nach Technologieauswahl auch die Reihenfolge der Produktionsschritte variabel, sodass beispielsweise die Beschichtung der Bipolarplatten je nach geplanter Anwendung schon vor oder besser erst nach der Umformung erfolgen sollte. Auch hier gibt der Technologiebaukasten Orientierung.
Ziel: Technologiebaukasten für gesamte Brennstoffzellenproduktion
Gegenwärtig baut das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA einen Webauftritt für den Technologiebaukasten auf, der in Kürze verfügbar sein wird. Zielgenaue Beratungen zur idealen Umformung sind aber schon jetzt möglich.
Mittelfristig ist eine Erweiterung des Technologiebaukastens um zusätzliche Produktionsschritte und Brennstoffzellenkomponenten in Kooperation mit weiteren Fraunhofer-Instituten geplant. »Unser Ziel ist eine große, übergeordnete digitale Plattform, in der einzelne Produktionsschritte sichtbar sind und miteinander verknüpft werden können, um in einem konkreten Fall schnell die optimale Kombination zur Herstellung einer kompletten Brennstoffzelle zu finden«, so Beyer. Realisierbar wäre dies mit dem »Nationalen Aktionsplan Brennstoffzellenproduktion« der Fraunhofer-Gesellschaft, an dessen Ausgestaltung zurzeit gearbeitet wird.

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Nachhaltige Stromversorgung auf dem Land

Source: Fraunhofer-Gesellschaft90 Prozent der Fläche in Deutschland sind laut Bundesregierung ländlich geprägt. Etwa 44 Millionen Menschen leben auf dem Land, das sind mehr als die Hälfte der Einwohner. Dies gilt für ganz Europa: Die Mehrheit der Bevölkerung lebt nicht in urbanen Zentren. Ruhe, Natur, bezahlbare Mieten – das sind die Vorteile des Landlebens. Doch die Idylle hat auch ihre Schattenseiten, wie die mangelhafte Energieversorgungsinfrastruktur, deren Ausbau in den vergangenen Jahrzehnten vernachlässigt wurde. Mitunter werden ländliche Regionen in Europa nur über eine einzige Leitung mit Strom versorgt, Netze sind veraltet. Der gestiegene Stromverbrauch kommt erschwerend hinzu. In der Folge kann es immer wieder zu Versorgungsengpässen kommen.
Für eine sichere, zuverlässige, kostengünstige und zugleich ökologische Stromversorgung auf dem Land setzen sich die Partner im Projekt RIGRID ein, kurz für Rural Intelligent Grid. Sie sehen die Zukunft in dem Ausbau regenerativer Energie und dem Aufbau dezentraler, intelligenter Versorgungsnetze – sogenannter Smart Grids –, die die Integration kleiner Energieerzeuger in das Versorgungsnetz und eine größere Unabhängigkeit von zentralen Energieversorgungsstrukturen ermöglichen. Im Projekt RIGRD wurde ein solches regionales, intelligentes Energieversorgungsnetz und -managementsystem entwickelt und in der polnischen Stadt Puńsk sowie in der Kommune Dardesheim im Harz in Sachsen-Anhalt beispielhaft erprobt. Mit diesem neuen Werkzeug lassen sich neue Energieinfrastrukturen und -versorgungssysteme im ländlichen Raum optimal planen, etablieren und betreiben. Partner im abgeschlossenen Vorhaben waren neben dem Fraunhofer IFF der Harz-Regenerativ-Druiberg e.V. und die RegenerativKraftwerke Harz RKWH GmbH.
Versorgungssicherheit in ländlichen Regionen
»Smart Grids helfen unter anderem, die schwankende Lieferung von Strom aus regenerativen Quellen zu koordinieren«, sagt Prof. Przemyslaw Komarnicki, Wissenschaftler am Fraunhofer IFF und Leiter der Abteilung Elektrische Energiesysteme und Infrastrukturen ESI. Gemeinsam mit seinem Team hat er als Projektkoordinator das virtuell-interaktive Energie-Infrastruktur-Design-Tool entwickelt. Für das Pilot-Microgrid in Puńsk haben die Forschenden vor Ort ein kleines Demonstrationsnetz aufgebaut, das die örtliche Kläranlage, eine Photovoltaikanlage sowie ein Batteriespeichersystem umfasst. Mit ihm konnten sie live testen, wie ihr System funktioniert und ob bzw. wie es von der Bevölkerung angenommen wird.
Das bedienerfreundliche Planungstool übernimmt die 3D-Raumdaten der betroffenen Gebiete samt Gebäuden und überträgt sie in ein virtuelles Szenario. Mit ihm sollen die Betreiber und Bewohner vor Ort interaktiv und individuell ihr Energieversorgungssystem und die dafür notwenige Infrastruktur planen. »Konkret könnten die Nutzer die Kosten, den CO2-Fußabdruck und die Abhängigkeit vom öffentlichen Versorgungsnetz berechnen und anzeigen lassen, wenn beispielsweise auf jedem Dach der Stadt Puńsk eine PV-Anlage installiert werden würde. Natürlich sind auch beliebige andere Modellberechnungen denkbar«, erläutert der Ingenieur ein Anwendungsszenario. Wie würden sich zusätzliche Windkraftanlagen auf die Versorgungslage auswirken, welche Konsequenzen hätte der Ausbau von Elektromobilität für den öffentlichen Nahverkehr? All diese Aspekte lassen sich einbeziehen. Dabei berücksichtigt die Software nicht nur technische und ökonomische, sondern auch sozioökonomische Faktoren sowie Umwelt- und Stadtplanungsaspekte. »Wie viele Arbeitsplätze können durch nachhaltige Energieversorgungssysteme in einer kleinen Gemeinde entstehen? Wie sieht unsere Stadt/Gemeinde danach aus bzw. akzeptieren wir die baulichen Veränderungen, etwa durch neue Windkraftanlagen? Auch solche Fragen beantwortet unser Planungstool«, erläutert Komarnicki das Alleinstellungsmerkmal der Plattform. Wichtig sei, dass die regionalen technischen, wirtschaftlichen und sozialen Gegebenheiten vor Ort in die Planung und Umsetzung einbezogen würden. Nur so könne der Energietransformationsprozess gelingen. In Puńsk gelang dieser Prozess: Nicht nur die Energieeffizienz konnte gesteigert und die CO2-Emission gesenkt werden. Auch die Bewohner hat das System nach anfänglicher Skepsis überzeugt.

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Polypropylen-Recycling aus Teppichabfällen

Source: Fraunhofer-GesellschaftEtwa 1,6 Millionen Tonnen Teppichabfälle fallen pro Jahr an – allein in der EU. Der Großteil davon wird deponiert oder verbrannt, denn Teppiche gehören zu den Verbundwerkstoffen, bei denen man mit einem rein mechanischen Recycling kaum weiterkommt. Doch damit gehen viele Ressourcen verloren, schließlich bestehen Teppichabfälle, die im Projekt ISOPREP behandelt werden, etwa zu einem Viertel aus dem erdölbasierten Kunststoff Polypropylen.
Teppich-Recycling: Neuartiges Verfahren macht´s möglich
Ein Forscherteam, dem auch das Fraunhofer IBP angehört, hat im EU-Projekt »ISOPREP« (siehe auch Logo) ein neuartiges Recycling-Verfahren entwickelt. »Mit diesem lässt sich erstmals Polypropylen aus Teppichabfällen zurückgewinnen – und zwar in Primärqualität«, sagt Maike Illner, Wissenschaftlerin am Fraunhofer IBP. Das wiedergewonnene Polypropylen kann also nicht nur für minderwertigere Produkte verwendet werden – man spricht dabei von »Down-Cycling« – sondern kommt mit seiner Qualität an die von neu hergestelltem Polypropylen heran. Es eignet sich somit auch für hochwertige Produkte.
Basis für das Verfahren ist ein besonderes Lösungsmittel, genauer gesagt ein ionisches Liquid. Besteht dieses aus den passenden Komponenten, löst es selektiv das Polypropylen aus den Teppichfasern heraus. Bevor das Expertenteam den Teppichabfällen mit dem Lösungsmittel zu Leibe rückt, werden diese gereinigt – dabei wird unter anderem möglichst viel des Teppichrückens abgetrennt– und zerkleinert. Die vorbehandelten Teppichabfälle kommen in einen Reaktor, in dem sie mit dem Lösungsmittel behandelt werden: Das Polypropylen wird selektiv im Lösungsmittel gelöst, was für eine effektive Abtrennung von Farbstoffen und anderen Additiven sorgt. Im größeren Labormaßstab mit mehreren Litern funktioniert das Verfahren bereits. Nun arbeitet das Konsortium daran, den Prozess auf eine Pilotanlage zu übertragen: Eine Tonne Teppichabfälle soll diese pro Tag recyclen können. Zum Projektende im März 2022 soll die Pilotanlage in Betrieb sein.
Kosten und Umweltwirkung
Doch ein Recyclingverfahren kommt nur dann zum großtechnischen Einsatz, wenn es kostenmäßig konkurrenzfähig ist. Das heißt in diesem Fall: Das recht teure ionische Liquid muss möglichst vollständig im Kreislauf geführt werden. »Liegen die Verlustraten bei einem Prozent oder darunter, hat der Prozess das Potenzial, hinsichtlich der Kosten mit der Neuherstellung von Polypropylen zu konkurrieren«, fasst Illner zusammen. »Das zeigt eine vorläufige ökonomische Analyse, die wir am Fraunhofer IBP durchgeführt haben.« Dazu untersuchten die Fraunhofer-Forscherinnen und -Forscher, welche Mengen an Material und Energie für den Prozess benötigt werden sowie was als Produkt wieder herauskommt, und errechneten die entsprechenden Kosten. Sie berücksichtigten in der ökonomischen Analyse zudem, wie sich die Kosten langfristig entwickeln könnten.
Die Ökologie des Teppich-Recyclings steht am Fraunhofer IBP im Fokus. Aufschluss gibt unter anderem die Lebenszyklusbetrachtung: Welche Emissionen beispielsweise entstehen beim Recyclingprozess? Auch hier gilt: Erreicht das Konsortium sein Ziel, die Verlustraten des Lösungsmittels auf ein Prozent und weniger zu senken, sind Primärenergiebedarf und Treibhausgasemissionen in einer ähnlichen Größenordnung wie die der Neuherstellung.
Auf andere Polypropylen-Abfallströme übertragbar
Zwar stehen Teppichabfälle im Blickpunkt des Projekts. Doch das entwickelte Verfahren kann deutlich mehr: Die Expertinnen und Experten gehen davon aus, dass es sich auf eine Vielzahl an Abfallströmen übertragen lässt, die Polypropylen enthalten und für das konventionelle Recycling ungeeignet sind. »Ein Beispiel sind Polypropylen-Produkte, die Farbstoffe und Additive enthalten«, konkretisiert Illner. »Bislang ist es schwierig, diese aus dem Kunststoff herauszulösen, so dass sich das recycelte Polypropylen nur für einen minderwertigeren Einsatz verwenden lässt.« Mit dem neuen Verfahren lässt sich das Polypropylen nicht nur von anderen Materialien, sondern auch von zugesetzten Farbstoffen und Additiven trennen und steht somit einer hochwertigen Anwendung zur Verfügung.
Dieses Projekt wird mit Mitteln aus dem Horizon 2020 Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union unter Grant Agreement Nr. 820787 gefördert.

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Rechtschreibprüfung für Entwickler: Automatisierte Erkennung von Sicherheitslücken in Cloudanwendungen

Source: Fraunhofer-GesellschaftImmer mehr Unternehmen verlagern ihre IT-Infrastruktur in die Cloud, nutzen die Speicher- und Rechenkapazitäten von Clouddiensten oder programmieren Applikationen direkt in der Cloud. Cloudsysteme bieten zahlreiche Vorteile, sie erfordern jedoch auch besondere Sicherheitsvorkehrungen. Viele Firmen sind darauf nicht vorbereitet – mit Folgen für die eigene Datensicherheit. »Oftmals sind es vulnerable Webinterfaces, falsch konfigurierte Schnittstellen oder verwundbare Zugangsprotokolle, die Cyberkriminelle ausnutzen. Dies kann beispielsweise zum Verlust sensibler Daten führen«, weiß Prof. Dr. Eric Bodden, Wissenschaftler am Fraunhofer IEM. Gemeinsam mit Kollegen des Heinz Nixdorf Instituts der Universität Paderborn hat er 2020 das Spin-off CodeShield gestartet und mit CodeShield ein Tool entwickelt, das die Sicherheit von Cloud-anwendungen analysiert, bewertet und Schwachstellen behebt. Zu den Gründungsmitgliedern gehören neben Prof. Bodden Manuel Benz, Andreas Dann und Dr. Johannes Späth. Inzwischen zählt das Start-up neun Mitarbeiter. »Ziele von Hackerangriffen sind beispielsweise offen beschreibbare Buckets von Unternehmen. In dieser Art von Cloud-Containern werden Daten in Form von Objekten gespeichert. Die Attacken sind beispielsweise möglich, wenn das Bucket nicht schreibgeschützt ist und so öffentlich darauf zugegriffen werden kann«, erläutert Bodden. Bekannte Opfer dieser Art von Attacken sind die Tradingplattform BHIM und Autoclerc, eine Plattformvermittlung für Zimmer und Hotelgäste. Millionen von User- und Kontodaten gelangten in die Hände der Angreifer.
Sicherheitslücken automatisch erkennen
Mit CodeShield will das Start-up diesem cyberkriminellen Vorgehen einen Riegel vorschieben. Die Software analysiert automatisiert Schwachstellen im Programmcode, wobei der Fokus auf Cloud-Native-Anwendungen liegt, die derzeit einen Boom erleben. Prominente Beispiele für Cloud-Native-Technologien sind Spotify und Netflix. Auch Elektroroller, die seit einiger Zeit zum Straßenbild gehören, sind mit der Cloud verbunden. Die Anwendungen werden direkt beim Cloud Provider gehostet. Auch der Programmcode wird in der Cloud programmiert und liegt dann beispielsweise bei Amazon Web Services, einem bekannten Anbieter dieser Dienste. Die Crux: »Die von den Providern bereitgestellten Schnittstellen und Komponenten, man kann sie als eine Art Baukastensystem beschreiben, sind nicht einfach zu benutzen. Sie versetzen den Programmierer zwar in die Lage, in kurzer Zeit neue Applikationen zu entwickeln. Konfiguriert man die Schnittstellen jedoch falsch, können private Daten ungewollt veröffentlicht werden«, sagt der Informatiker. »CodeShield deckt diese Schwachstellen nicht nur automatisiert in Echtzeit auf, sondern visualisiert sie auch gleichzeitig.« Die Software stellt von der Webseite und App über den Code bis hin zum Datencontainer die komplette Cloud-Infrastruktur in Form von Diagrammen dar, sodass Programmierer mögliche Probleme und Angriffspunkte schnell erkennen. Auch Komponenten wie Open-Source-Bibliotheken von Drittanbietern lassen sich hier einbinden, anzeigen und prüfen.
Fingerprinting-Verfahren und Datenflussanalyse
Um die Sicherheitslücken im Code aufzudecken, nutzt das Werkzeug zum einen das sogenannte Fingerprinting-Verfahren. Dabei laden Bodden und sein Team die Open-Source-Komponenten aus der Cloud herunter und berechnen pro Komponente einen Fingerabdruck, anhand dessen unsicherer Code, wenn er zu einem späteren Zeitpunkt erneut in eine Applikation eingebunden wird, sofort wiedererkannt wird.
Zum anderen analysiert CodeShield den Programmcode, den der Entwickler selber schreibt, in der Cloud ablegt und permanent bearbeitet, um Funktionalitäten anzupassen und zu ergänzen. In diesem Fall führt CodeShield täglich hocheffiziente Datenflussanalysen durch, wobei unter anderem Nutzereingaben im Frontend geprüft werden, um Manipulationen schnell aufzuspüren. Eigens entwickelte Algorithmen ermöglichen die qualitativ hochwertigen Analysen. Die Rate an Falschmeldungen von CodeShield liegt bei unter fünf Prozent. »Viele IT-Sicherheitswerkzeuge liefern Falschmeldungen von 70 bis 80 Prozent, was ein großes Problem für Entwickler ist. Das ist vergleichbar mit einer Rechtschreibprüfung, die in jedem Satz Fehler markiert, wo keine sind«, so der Wissenschaftler. Hiervon hebt sich die CodeShield-Technologie ab, sie entdeckte etwa Sicherheitslücken in der Corona-Warn-App vor deren Launch.
Die CodeShield-Technologie wurde 2019 mit dem Ernst Denert Software Engineering Award ausgezeichnet. CodeShield wird gefördert durch das europäische Förderprogramm START-UP transfer.NRW. CodeShield wird darüber hinaus durch das BMBF-Programm StartUpSecure gefördert.  

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Digitaler Pflanzenschutz

Source: Fraunhofer-GesellschaftGezielter Pflanzenschutz ist in der Landwirtschaft entscheidend, sorgt er doch dafür, dass Pflanzen vor Krankheiten, Schädlingen und Unkräutern geschützt werden. Eine gesunde Nährstoffversorgung von Weizen, Mais und Co. beeinflusst die Qualität der Lebensmittel und verhindert Ernteverluste. Im Digitalen Experimentierfeld FarmerSpace erforschen die Projektpartner das Potenzial digitaler Technologien, die zum richtigen Zeitpunkt am richtigen Ort im Feld Pflanzenkrankheiten erkennen sollen. Die praktische Versuchsplattform bietet Akteuren aus Forschung, Praxis und Industrie die Möglichkeit, Sensor- und Datenübertragungssysteme, Funksensornetzwerke, optische und maschinen-gestützte Sensoren, Drohnentechnologie, Robotik und maschinelle Lernverfahren im Kampf gegen Pflanzenparasiten zu testen. Das Vorhaben wird im Verbund von vier Partnern – dem Institutsteil Angewandte Systemtechnik AST des Fraunhofer IOSB-AST, dem Institut für Zuckerrübenforschung an der Universität Göttingen, der Abteilung Agrartechnik der Universität Göttingen und der Landwirtschaftskammer Niedersachsen durchgeführt. Das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft BMEL fördert das Projekt, das von Februar 2020 bis Februar 2023 läuft. Im Fokus steht die frühzeitige Erkennung und Bekämpfung von Unkräutern und Blattkrankheiten in Zuckerrüben und Sommerweizen, die eigens zu Forschungszwecken auf einem Versuchsfeld in der Nähe von Göttingen gesät wurden. Während im Frühjahr das Unkrautmangement im Mittelpunkt steht, konzentrieren sich die Arbeiten im Sommer auf die Blattkrankheiten.
Digitale Vermessung des Ackers
Das Forscherteam am Fraunhofer IOSB-AST hat im ersten Schritt ein 3D-Modell des Felds erstellt, das als Referenzmodell für die Projektpartner dient. Die Oberfläche des fünf Hektar großen Experimentierfelds wurde per Laserscanner und GPS-Ortungssystem vermessen. Dafür fielen zwei Tage an, die Vermessung per Drohnentechnologie beanspruchte hingegen nur 20 Minuten. »Der Zeitfaktor allein ist aber nicht entscheidend. Wir wollen in erster Linie herausfinden, welche Methode die präziseren Geodaten liefert. Hierfür haben wir etwa auch Kameraaufnahmen von Robotern herangezogen, die über das Feld fahren. Die Auswertung der Ergebnisse liegt aktuell allerdings noch nicht vor«, sagt André Weiskopf, Wissenschaftler am Fraunhofer IOSB-AST. Sie soll Auskunft nicht nur über die Genauigkeit, sondern auch über praxisnahe Kriterien wie Mess-, Prozessier- und Auswertedauer, Flächenleistung und die damit verbundenen Kostenliefern.
Das Ziel der digitalen Vermessung eines Felds ist es einerseits, genauere Informationen über die Dichte des Pflanzenbestandes zu erhalten. Andererseits ist es wichtig herauszufinden, wann und wo eine Krankheit den Bestand durch Viren, Pilze, Läuse oder andere Schädlinge infiziert, und welche Maßnahme der Landwirt am besten zur Bekämpfung einsetzen kann. Es geht also darum, gezielte Pflanzenschutzmaßnahmen zur richtigen Zeit anzuwenden und diese lokal auf den Feldbereich zu begrenzen, in dem sie erforderlich sind. Dies kann dazu beitragen, Pflanzenschutzmittel reduzierter einzusetzen und so Kosten und Zeitaufwand verringern. »Wenn etwa der Rüsselkäfer nur zehn Quadratmeter des gesamten Felds befällt, kann der Landwirt die restliche Fläche außer Acht lassen. Auf diese Weise wird das Grundwasser weniger belastet«, so der Forscher. Denn die Gewässerschutzverordnung sieht vor, Mindestabstände zu fließenden Gewässern einzuhalten. Nicht überall dürfen Landwirte Pflanzenschutzmittel spritzen. »Der Geländewinkel ist ein wichtiger Parameter, der damit einhergeht«, erläutert Norbert Fränzel, Kollege von Weiskopf Fraunhofer IOSB-AST. »Die bisherigen Geländekarten liefern diesbezüglich nicht so genaue Werte. Wir hoffen, hier durch die Digitalisierung des Felds präzisere Daten und Geländemodelle zu erhalten.«
Auf dem Feld installierte Sensorik könnte zusätzlich unterstützen, präzise Voraussagen bezüglich des Schädlingsbefalls zu treffen, Veränderungen recht-zeitig zu erkennen und so ein frühes Einschreiten zu ermöglichen. Mikroklimasensoren etwas zeichnenBodentemperatur und Bodenfeuchte auf und informieren über Infektionsbedingungen für Krankheiten.
Evaluation marktverfügbarer digitaler Lösungen für den praxisnahen Einsatz
Der Vergleich von Methoden zur digitalen Geländemodellerstellung bietet dem Landwirt eine Entscheidungshilfe bei der Anschaffung neuer Technologien und der Auswahl von Servicedienstleistungen. So untersucht das Fraunhofer IOSB-AST unterschiedlichste Funktechnik und Funksensoren auf ihre Eignung für den wirtschaftlichen Einsatz und flankiert das Projekt durch seine Expertise in diesem Anwendungsfeld. »Wir leiten eine Handlungsempfehlung ab, welche Technologie sich für welches Problem eignet und informieren den Landwirt über die Art und Anzahl der erforderlichen Sensoren und Messungen«, sagt Fränzel.
Methoden des maschinellen Lernens schaffen zudem die Voraussetzung, um die Vielfalt der erhobenen Daten auswerten zu können. In einem gemeinsamen Datenraum sollen alle feldrelevanten Daten zeitlich und räumlich synchron erfasst werden, sodass im Anschluss Modelle trainiert werden können, die Prognosen für den weiteren Handlungsbedarf liefern.

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