Kategorie: Forschung

Die zweite Schicht: Deep Learning in der Produktion

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Rückblick: Vom klassischen ML zum Deep Learning
FOM Hochschule für Oekonomie & Management

FOM Hochschule für Oekonomie & Management

Im ersten Teil dieser Artikelserie stand der Einstieg in die Künstliche Intelligenz über klassische Machine-Learning-Verfahren im Fokus. Entscheidungsbäume, Random Forests oder ähnliche Modelle bieten mittelständischen Unternehmen einen pragmatischen Zugang zu datengetriebener Optimierung. Sie sind transparent, vergleichsweise leicht zu implementieren und liefern robuste Ergebnisse – solange sich das Problem klar strukturieren lässt. Doch nicht jede industrielle Fragestellung lässt sich mit festen Regeln oder wenigen Entscheidungsdimensionen abbilden. Spätestens dann, wenn visuelle Informationen ins Spiel kommen oder kontinuierliche Zielgrößen vorhergesagt werden müssen, stoßen klassische ML-Ansätze an ihre Grenzen. An dieser Stelle beginnt die nächste Schicht der KI-Zwiebel: Deep Learning. Weiterlesen

Nanomaterialien komponieren – mit KI und Chemie

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Perowskit-Nanokristall-Lösungen mit unterschiedlichen, fein einstellbaren Emissionsfarben | © N. Henke / LMU

Perowskit-Nanokristall-Lösungen mit unterschiedlichen, fein einstellbaren Emissionsfarben | © N. Henke / LMU

Forschende der LMU entwickeln ein Werkzeug, das automatisierte chemische Synthese, Hochdurchsatz-Charakterisierung und datengetriebene Modellierung verbindet.

Der LMU-Forscher Professor Alexander Urban hat gemeinsam mit seinem Team ein Werkzeug entwickelt, das das Design neuer Materialien revolutionieren könnte. Synthesizer ist eine Plattform, die automatisierte chemische Synthese, Hochdurchsatz-Charakterisierung und datengetriebene Modellierung verbindet. Ziel ist es, das Wachstum von Nanokristallen so präzise zu steuern wie nie zuvor und so Materialien mit maßgeschneiderten optischen Eigenschaften zu erzeugen. Weiterlesen

Batterien aus Rost

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Mit Eisenoxid gefüllte Kohlenstoffkugeln bieten gute Speicherkapazität

Herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus enthalten problematische Stoffe wie Nickel und Kobalt. Zudem sind die Lösungsmittel, mit denen Elektrodenmaterialien beschichtet werden, toxisch. Materialwissenschaftler der Universität des Saarlandes suchen daher nach umweltfreundlichen Alternativen. In hochporösen Hohlkugeln aus Kohlenstoff, die an der Universität Salzburg von Professor Michael Elsässer entwickelt wurden, haben sie jetzt fein verteiltes Eisenoxid eingebracht. Die erzielten Speicherkapazitäten klingen vielversprechend, Eisen und Kohlenstoff sind zudem breit verfügbar.

„Aus Salzburg kommen ja bekanntlich die Mozartkugeln her. Analog zu diesen gefüllten Schokoladenkugeln kann man sich die Kohlenstoffhohlkugeln vorstellen, die unsere Kollegen an der Universität Salzburg entwickelt haben. Diese so genannten Spherogele (engl. Carbon Spherogels) bieten uns Einheiten in Nanometergröße (ca. 250 nm) mit großen Oberflächen und einer hohen elektrochemischen Kapazität. Die Herausforderung ist nun, passende Metalloxide über eine chemische Synthese in den schon vorhandenen Hohlraum hineinzupacken“, erklärt die Materialforscherin Stefanie Arnold. Nach ersten Versuchen mit Titandioxid, dessen Fähigkeit, Lithium-Ionen speichern und wieder freizugeben, jedoch relativ gering war, kam das Eisenoxid ins Spiel, das landläufig jeder als Rost kennt. Weiterlesen

Neuartiges magnetisches Material mit Spiralstruktur

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Künstlerische Darstellung des p-Wellen-Splittings: Laufrichtungsabhängiger Spin von Elektronen (grüne/lila Pfeile) über einer magnetischen Gitterstruktur. (Grafik: Dr. Jan Masell, KIT)

Künstlerische Darstellung des p-Wellen-Splittings: Laufrichtungsabhängiger Spin von Elektronen (grüne/lila Pfeile) über einer magnetischen Gitterstruktur. (Grafik: Dr. Jan Masell, KIT)

Ein neuartiges magnetisches Material mit ungewöhnlicher elektronischer Struktur könnte künftig schnellere, kleinere und effizientere Computerchips ermöglichen: der p-Wellen-Magnet. An seiner Herstellung waren Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) beteiligt. Sein magnetisches Verhalten im Innern des Materials entsteht, weil sich die Spins der Elektronen wie eine Spirale anordnen. Dadurch wird durchfließender elektrischer Strom seitlich abgelenkt. Weiterlesen

Wasser als Energieträger

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Nanoporöses Silizium erzeugt Strom aus Reibung mit Wasser

Nur mittels Druck und Wasser entsteht in Siliziumporen Strom durch Reibung. Die Technologie eignet sich dafür, in Bereichen mit hohen mechanischen Drücken eingesetzt zu werden, wie beispielsweise in Stoßdämpfern von Fahrzeugen. Grafik: TU Hamburg, DESY, Künsting

Nur mittels Druck und Wasser entsteht in Siliziumporen Strom durch Reibung. Die Technologie eignet sich dafür, in Bereichen mit hohen mechanischen Drücken eingesetzt zu werden, wie beispielsweise in Stoßdämpfern von Fahrzeugen. Grafik: TU Hamburg, DESY, Künsting

Ein europäisches Forschungsteam unter Beteiligung der Technischen Universität Hamburg (TUHH) und des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY hat eine neuartige Methode entwickelt, um mechanische Energie in elektrische umzuwandeln – mithilfe von Wasser, das in nanometergroßen Poren von Silizium eingeschlossen ist.

In einer Studie zeigen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von CIC energiGUNE (Spanien), der Universität Ferrara (Italien), der TU Hamburg und DESY (Deutschland), der Universität Schlesien in Katowice (Polen) sowie der Technischen Universität Riga (Lettland) – unterstützt vom TUHH-Exzellenzcluster „BlueMat – Water-Driven Materials“ – , dass das zyklische Eindringen und Austreten von Wasser in wasserabweisende, nanoporöse Siliziummonolithe messbare elektrische Energie erzeugen kann. Weiterlesen

Aus Abfall wird Zukunft: Wissenschaftler stellen Nylon-Grundstoffe aus Styropor her

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Es klingt noch ein wenig wie Science Fiction, funktioniert aber tatsächlich: Bakterien, die umweltschädliche Stoffe wie Polystyrol verwerten, um daraus die Ausgangsstoffe für Nylon zu produzieren, ohne dass neues Erdöl dafür gebraucht wird. Genau dies haben der Saarbrücker Professor für Biotechnologie, Christoph Wittmann, und weitere Kolleginnen und Kollegen aus benachbarten Disziplinen nun geschafft.

Plastikmüll ist nicht gleich Plastikmüll. Lässt sich der eine Kunststoff hervorragend wiederverwerten, kann das bei einem anderen schon ganz anders aussehen. „Polystyrol ist ein solches Sorgenkind“, weiß Christoph Wittmann. Der Professor für Systembiotechnologie an der Universität des Saarlandes beschäftigt sich bereits sein ganzes Forscherleben lang mit der Frage, wie man bestimmte Kunststoffe umweltverträglich entsorgen bzw. wiederverwerten kann. Das „Sorgenkind“ Polystyrol, dessen bekannteste Spielart das Styropor jedem Menschen ein Begriff sein dürfte, könnte nun dank seiner Arbeit und die seiner Kolleginnen und Kollegen seinen Status verlieren und vielleicht sogar zum viel gefragten Rohstoff für die Grundstoffchemie werden. Weiterlesen

Kommunales Abwasser als Ressourcenquelle nutzen

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© Fraunhofer IGBDer Kunststoff Polyhydroxyalkanoat (PHA), produziert aus organischen Säuren

© Fraunhofer IGB
Der Kunststoff Polyhydroxyalkanoat (PHA), produziert aus organischen Säuren

Kläranlagen reinigen nicht nur Abwasser, sie sind auch Rohstofflieferanten. Im Projekt KoalAplan gewinnen Forschende des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB gemeinsam mit Partnern hochwertige Produkte aus kommunalem Abwasser. Dazu gehören Ammonium und Wasserstoff sowie Polyhydroxyalkanoate (PHA), aus denen sich biobasierte und bioabbaubare Kunststoffe herstellen lassen.

In unserem Abwasser stecken nicht nur Schmutz und Ausscheidungen, sondern auch wertvolle Rohstoffe wie Stickstoff und organische Kohlenstoffverbindungen. Mithilfe chemischer, biologischer und physikalischer Verfahren können daraus Wasserstoff, Ammonium und Polyhydroxyalkanoate (PHA) zurückgewonnen werden. Das zurückgewonnene Ammonium lässt sich als Stickstoffdünger für den Landbau verwenden, PHA sind der Rohstoff für Biokunststoffe. Diese Prozesse untersuchen die Forschenden im Projekt KoalAplan (siehe unten). Schauplatz für die interdisziplinäre Forschungsarbeit der Projektpartner ist das Lehr- und Forschungsklärwerk der Universität Stuttgart in Büsnau. Unter realen Bedingungen wird getestet, wie sich die Rückgewinnung von Rohstoffen in Klärwerken realisieren lässt. Hierfür wurde eine Bioraffinerie als Pilotanlage eingerichtet, die 2024 über ein halbes Jahr betrieben wurde. Weiterlesen

Weiche Materialien für intelligentere Roboter

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Viskoelastische Polymere verhalten sich sowohl wie ein Festkörper (elastisch) als auch wie eine Flüssigkeit (viskos). Das eröffnet neue Perspektiven für Medizintechnik und Industrie.Bild: Universität Stuttgart / Jan Potent

Viskoelastische Polymere verhalten sich sowohl wie ein Festkörper (elastisch) als auch wie eine Flüssigkeit (viskos). Das eröffnet neue Perspektiven für Medizintechnik und Industrie.
Bild: Universität Stuttgart / Jan Potent

Soft Robots, Robotersysteme aus weichen Materialien, eröffnen neue Perspektiven für Medizintechnik und Industrie. Jun.-Prof. Dr. Aniket Pal von der Universität Stuttgart forscht an viskoelastischen Materialien, mit denen sich intelligente Funktionen in Soft Robots einbetten lassen. Dafür bekommt er im Rahmen des Emmy-Noether-Programms Fördermittel in Höhe von 1,5 Millionen Euro.

„Dank der Förderung können wir unsere Forschung deutlich ausbauen“, sagt Pal. Der 33-Jährige leitet am Institut für Mechanik eine Arbeitsgruppe für Soft Robot Mechanics. „Wir forschen auf einem noch ziemlich jungen Gebiet. Wir entwickeln Mechanismen, die sich abhängig von der Geschwindigkeit einer Krafteinwirkung verformen können. Sie lassen sich für Soft Robots nutzen.“

Viskoelastische Materialien für Soft Robotics

Im Gegensatz zu herkömmlichen Robotern aus Stahl, Aluminium oder Hartplastik setzen Soft Robots auf weiche Materialien. Diese Materialien beruhen auf geeigneten Polymeren. Konkret forscht Aniket Pals Team an viskoelastischen Polymeren. Sie weisen bei Verformung sowohl elastische als auch viskose Eigenschaften auf: Sie verhalten sich sowohl wie ein Festkörper (elastisch) als auch wie eine Flüssigkeit (viskos). Ihr mechanisches Verhalten hängt dabei davon ab, wie lange und wie schnell eine Kraft einwirkt. Die Geschwindigkeit der Krafteinwirkung bestimmt, welches Verhalten dominiert: Bei schneller Belastung zeigen viskoelastische Materialien eher elastisches Verhalten, bei langsamer eher viskoses. Mit dieser Art von Materialien lassen sich weiche Roboter funktioneller und intelligenter machen. Weiterlesen

Mischplastik: Vom Problemmüll zum industriellen Wertstoff

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Aus dem schwer recyclebaren „Problemmüll“ Mischkunstoff wollen die Forschenden Wertstoffe für die Chemieindustrie gewinnen.(Bildquelle: Universität Stuttgart)

Aus dem schwer recyclebaren „Problemmüll“ Mischkunstoff wollen die Forschenden Wertstoffe für die Chemieindustrie gewinnen.
(Bildquelle: Universität Stuttgart)

Um aus schwer recyclebaren Mischkunststoffen Wertstoffe für die Chemieindustrie zu gewinnen, gehen Nachwuchswissenschaftler*innen der Universität Stuttgart neue Wege: Sie kombinieren innovative Vergasungsverfahren und mikrobiologische Prozesse.

Styropor, Lebensmittelverpackungen, Schaumstoffe oder Bauelemente: In zahlreichen Produkten findet sich Mischplastik. „Am Ende ihres Lebenswegs werden diese Produkte zu Problemmüll“, sagt Hannah Storm, Doktorandin am Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (IFK) der Universität Stuttgart. Weiterlesen

Hoffnungsträger Ammoniak

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© Fraunhofer IMMPilotanlage des Fraunhofer IMM für das Ammoniakcracken mit einer Kapazität von 20 kg/h Ammoniak

Pilotanlage des Fraunhofer © Fraunhofer IMM
Pilotanlage des Fraunhofer IMM für das Ammoniakcracken mit einer Kapazität von 20 kg/h Ammoniak

Ammoniak kennt man bisher hauptsächlich aus der Düngemittel-Produktion. Künftig könnte das Gas als effizienter Wasserstoffträger und klimafreundlicher Ersatz für fossile Brennstoffe auch eine Schlüsselrolle in der Energiewende einnehmen, denn es lässt sich CO2-frei aus Stickstoff und Wasserstoff herstellen und bietet viele Vorteile für Transport und Lagerung. An einer platzsparenden, effizienten und vor allem dezentralen Ammoniak-Cracking-Technologie arbeitet das Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM gleich in mehreren Forschungsprojekten.

»Ammoniak ist ein großer Potenzialträger für einen nachhaltigen Umbau unseres Energiesystems«, erklärt Dr. Gunther Kolb, Bereichsleiter Energie und stellvertretender Institutsleiter des Fraunhofer IMM in Mainz. »Die Herausforderung der Energiewende besteht ja nicht nur in der ausreichenden emissionsfreien Energieproduktion. Da Grünstrom in großen Mengen besonders an sehr wind- oder sonnenreichen Standorten wie etwa Chile oder Australien erzeugt werden kann, spielt auch der verlustarme Transport an energieärmere Einsatzorte eine relevante Rolle.« Hier kann der Einsatz von Ammoniak umwälzende Vorteile bringen. Weiterlesen