Die Welt braucht Antworten auf drängende Fragen: Klimaschutz, Energie, Gesundheit, Ernährung und Mobilität – die aktuelle Liste der großen Themen ist lang. Die deutsche Ingenieurskunst ist weltweit hoch angesehen, wenn es um die Suche nach innovativen Lösungen geht. In der Umwelttechnik, Biotechnologie und Medizin steht Deutschland für globale Spitzenforschung. Neben den zahlreichen deutschen Forschungsinstitutionen, die in der Welt ein hohes Ansehen besitzen, entwickeln auch zahlreiche kreative Wissenschaftler in der Privatwirtschaft innovative und exzellente Technologien. Über 12500 zugelassene Patente beim Europäischen Patentamt allein im Jahr 2010 zeugen von der Innovationskraft deutscher Unternehmen. Insgesamt arbeiten in öffentlichen und privaten Forschungslabors in Deutschland rund 299000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Die forschungsintensiven Industrien haben mit knapp 15 Prozent einen besonders hohen Anteil an der gesamten Wertschöpfung. Damit liegt Deutschland noch vor Japan und den USA.
Moderne Technologien sind der Schlüssel, um die globalen Herausforderungen zu meistern: Die Hightech-Strategie der Bundesregierung schafft deshalb die politischen und gesellschaftlichen Voraussetzungen für wichtige Innovationen. Die Strategie definiert zentrale Zukunftsprojekte, an denen Firmen, Universitäten und Forschungseinrichtungen bereits intensiv arbeiten – von der effizienten Energieversorgung über personalisierte Medizin, die gezielter auf den Patienten zugeschnitten ist, oder Technologien für ein selbstbestimmtes Leben im Alter bis hin zu dem Ziel, eine Million Elektroautos bis zum Jahr 2020 auf deutsche Straßen zu bringen. Die nächsten Seiten stellen aus der Vielzahl der Forschungsgebiete sechs Technologiefelder vor, die die Bandbreite des Innovationsstandortes Deutschland demonstrieren: Fahrzeug- und Verkehrstechnologie, Medizintechnik, Maschinenbau, Umwelttechnologien, Nanotechnologie und Bionik. Neue Entwicklungen in diesen Bereichen besitzen das Potenzial, unser Leben in den kommenden Jahren entscheidend zu verbessern.///
Umwelttechnologie
WIE RESSOURCEN GESCHONT WERDEN KÖNNEN
Energie und Wasser – beide Ressourcen werden in Zukunft immer kostbarer. Erfolgreiche Umwelttechnologien müssen aber gleich drei Aspekte berücksichtigen: knappe Rohstoffe, Klimawandel und das weltweite Bevölkerungswachstum. Strom aus Wind, Sonne oder Biomasse, nachhaltige Wassertechnik und vollautomatische Recyclinganlagen helfen schon heute die globalen Herausforderungen zu meistern. Deutschland ist Leitmarkt für umweltfreundliche Technologien und deren größter Exporteur mit einem Weltmarktanteil von 16 Prozent.
Die Energiewende macht Deutschland zum Vorbild in der Stromproduktion aus erneuerbaren Energien wie Windkraft, Solar- oder Bioenergie. Vor den Küsten Nordeuropas entstehen in den kommenden Jahren zum Beispiel riesige Windparks, die die Leistung mehrerer Atomkraftwerke ersetzen. Deutsche Firmen liefern dazu die nötige Anlagentechnik. Auch nachwachsende Rohstoffe dienen künftig als Kraftstoffe und Energielieferanten für regenerative Stromerzeugung. Und spezielle Solarzellen, von Fraunhofer-Forschern entwickelt, erzeugen besonders effektiv Sonnenstrom. Aber Wind und Sonne stehen nicht immer gleichmäßig zur Verfügung. Die erneuerbaren Energien müssen deshalb durch intelligente Stromnetze – sogenannte Smart Grids – effizient aufeinander abgestimmt werden. Dazu bieten die großen deutschen Energieversorger, aber auch Chiphersteller wie Infineon Lösungen.
Auch konventionelle Kraftwerke werden durch neue Technologien umwelt- und klimafreundlicher: Die CO2-Abscheidung, wie sie zum Beispiel der Technologiekonzern Linde zusammen mit RWE und BASF entwickelt, senkt die Emissionen von Kohlekraftwerken. Das so gewonnene CO2 könnte zum Beispiel auch als Basis für Kunststoffe dienen, wie das Projekt „Dream Production“ unter Beteiligung der Bayer AG zeigt. Und das weltweit effizienteste fossil befeuerte Kraftwerk ging 2011 in Irsching bei Ingolstadt ans Netz. Das von Siemens gebaute Gas- und Dampfkraftwerk arbeitet mit einem Wirkungsgrad von über 60 Prozent.
Deutsche Firmen sind weltweit auch führend in nachhaltigen Wassertechnologien mit einem Marktanteil von 19 Prozent. Vor allem in Schwellen- und Entwicklungsländern besteht großer Bedarf an Abwasser- und Aufbereitungstechnik: Denn Wasserknappheit und die zuverlässige Wasserversorgung von Megacities erfordern innovative Systeme zur Trinkwassergewinnung und -verteilung, wie sie beispielsweise Siemens bietet. Deutschland ist auch Vorreiter im Recycling: Hochautomatisierte Wiederverwertungsanlagen helfen, Ressourcen zu schonen und Abfall als Rohstoffquelle zu nutzen.///
Maschinenbau
WAS ANLAGEN EFFIZIENTER MACHT
Der Maschinenbau übernimmt eine Schlüsselrolle in der deutschen Wirtschaft. Er bietet Investitionsgüter für sämtliche Industriezweige – von A wie Agrartechnik bis Z wie Zahnräder – und ist damit ein weltweit gefragter Handelspartner. Deutsche Maschinenbauer beschäftigen rund 920000 Mitarbeiter und erwirtschafteten 2010 knapp 75 Prozent ihrer Umsätze im Ausland. Vor allem Ressourceneffizienz in der Produktion prägt die Entwicklungen vieler Maschinenbauunternehmen, zu denen neben zahlreichen Mittelständlern auch börsennotierte Firmen wie ThyssenKrupp, Gildemeister oder Gea gehören.
Effiziente Maschinen und Anlagen schonen die Umwelt und sparen Energiekosten, denn sie entkoppeln das Wachstum von erhöhtem Energieverbrauch. Dazu bedarf es eines optimalen Zusammenspiels von mechanischen und elektronischen Komponenten – im Fachjargon Mechatronik genannt. Der Technologiebereich wird immer wichtiger – bei Maschinen für die Stahlbearbeitung ebenso wie für die Lebensmittelverarbeitung. Auch die Automatisierung und Robotertechnik steigert die Effizienz in der Produktion: Moderne Fertigungs- und Verfahrenstechnik in der Auto- oder Chemieindustrie arbeitet heute beispielsweise mit hochintelligenten Bilderkennungssystemen. Und via Computersimulation planen Ingenieure komplexe Produktionsprozesse für Motoren, Getriebewellen und Turbinenschaufeln besonders effizient. Für die Serienfertigung von Autobauteilen aus neuartigen Werkstoffen wie Kohlenstofffasern sind neue Verfahren nötig, wie sie zum Beispiel der deutsche Carbon-Spezialist SGL Carbon entwickelt. Auch für die Produktion von Elektromotoren und Batterien – zum Ausbau der Elektromobilität – liefern deutsche Ingenieure effiziente Fertigungsanlagen.
Der Bedarf an Energieträgern und Edelmetallen spiegelt sich ebenfalls in den Entwicklungen von Maschinenbauingenieuren: So sollen neue Gas-Bohrschiffe künftig selbst abgelegene Gasvorkommen im Meeresboden erschließen. Und intelligente Transportsysteme sowie sensorgesteuerte Bergbaumaschinen erhöhen die Produktivität unter Tage. Selbst Traktoren und Erntemaschinen werden immer intelligenter: Ausgestattet mit Sensoren und GPS-Navigation, können sie zentimetergenau gesteuert werden und Dünger gezielt ausbringen – und das ganz ohne Fahrer. Hightechmähdrescher ernten pro Stunde bis zu 70 Tonnen Kornertrag aus Getreide. Damit hilft die Technik auch den weltweit wachsenden Nahrungsbedarf zu sichern.///
Fahrzeug- & Verkehrstechnologie
WAS DIE MOBILITÄT VERÄNDERT
Mobilität bedeutet Freiheit: egal ob Autofahren, Bahnreisen oder Fliegen. Aber Klimaschutz, das Verkehrsmanagement in Megacities sowie steigende Sicherheits- und Komfortanforderungen werden die Fahrzeug- und Verkehrstechnologie in den kommenden Jahren entscheidend prägen.
Beim Auto wird der elektrische Antrieb langfristig den Benzin- und Dieselmotor ablösen. Alle deutschen Fahrzeughersteller entwickeln bereits Hybridantriebe oder batterieelektrische Fahrzeuge. Mercedes treibt zudem die Brennstoffzellen-Technik voran und will schon 2014 Wasserstoffautos in Serie bauen. Aber Benzin- und Dieselantrieb spielen noch lange eine wichtige Rolle. Deshalb müssen die Motoren noch effizienter werden. Deutsche Autobauer sind besonders für verbrauchsarme Dieseltechnologie bekannt. Und durch Downsizing der Motoren holen sie aus weniger Hubraum mehr Leistung. Zudem ermöglicht Leichtbau mit Verbundwerkstoffen weitere Kraftstoffeinsparungen: Mit dem i3 von BMW soll erstmalig ein Elektroauto in Serie produziert werden, das zum Großteil aus leichtem Carbon statt aus Stahl besteht.
Bereits heute ist Chiptechnologie im Auto allgegenwärtig – von der elektrischen Einparkhilfe bis zur Motorsteuerung. Und mit Infineon kommt der zweitgrößte Hersteller für Automotive-Halbleitertechnik aus Deutschland. Sensoren und Chips ermöglichen intelligente Fahrerassistenzsysteme, die für mehr Sicherheit und Komfort sorgen: Testfahrzeuge absolvierten bereits vollkommen selbstständig Autobahnfahrten. Die Systeme können im Notfall den Wagen sogar vollautomatisch abbremsen, auf die Standspur lenken, parken – und wenn es einmal sein muss – sogar einen Notruf absetzen.
Im Schienenverkehr sollen vor allem effizientere Antriebe die Emissionen mindern. Hybridtechnik und Bremsenergie-Rückgewinnung können wie beim Auto den Verbrauch von Dieselloks senken. Und mit modernen Hochgeschwindigkeitszügen lassen sich künftig lange Strecken noch umweltfreundlicher zurücklegen. Schnelle Zugverbindungen zwischen Metropolregionen sowie Nahverkehr auf der Schiene entlasten die Straßen in Ballungsgebieten. Im Luftverkehr helfen leichtere, aber dafür hochfeste Werkstoffe und sparsame Triebwerke, die Umwelt zu schonen und Kosten zu senken. Bio-Kerosin aus Algen- oder Pflanzenöl könnte fossile Treibstoffe ersetzen. Und mit dem Solarflugzeug „Solar Impuls“ hat mit Beteiligung deutscher Industriefirmen bereits das erste Flugzeug abgehoben, das ausschließlich mit Sonnenenergie fliegt – Tag und Nacht.///
Medizintechnik
WIE MORGEN OPERIERT WIRD
Minimalinvasive Hightechmedizin im Operationssaal, molekulare Bildgebung, intelligente Prothesen und künstlich produzierte Herzgefäße: Während die Neuheiten der Medizintechnik ständig technisch verfeinert und miniaturisiert werden, erreicht der deutsche Markt für Medizintechnik immer größere Dimensionen. Deutschland ist der größte Markt in Europa und der drittgrößte weltweit. Die Branche ist gut aufgestellt und international wettbewerbsfähig mit einer Exportquote von mehr als 60 Prozent. Die Nachfrage nach modernen medizinischen Methoden und Geräten steigt vor allem in den Schwellenländern Asiens und Lateinamerikas.
Der stark mittelständisch geprägte Medizintechniksektor bietet eine große Produktvielfalt, die dank der engen Zusammenarbeit mit Medizinern und Kliniken exakt auf die Bedürfnisse von Ärzten und Patienten zugeschnitten ist – vom vollautomatischen OP-Tisch über chirurgische Hightechinstrumente, die Beatmungs- und Anästhesietechnik bis hin zur Software. 3D-Ultraschalldiagnostik ermöglicht zum Beispiel in Echtzeit Bilder aus dem Inneren eines schlagenden Herzens, und neue minimalinvasive Hightechmedizin erlaubt bei Patienten eine schnelle, schonende und schmerzfreie Behandlung. Innovative Navigationssysteme unterstützen HNO-Ärzte ebenso wie Mund-Kiefer- oder Neurochirurgen und Mediziner anderer Fachgebiete. Sie bündeln alle wichtigen Informationen auf einem zentralen Bildschirm und bewahren Ärzte so zum Beispiel vor fehlerhaften Schnitten während einer Operation. Intelligente Cochlea-Implantate unterstützen Gehörlose, und eine gezielte Stimulation von Nervenzellen etabliert sich zunehmend bei der Therapie von Parkinson-Patienten.
IT-Information und -Kommunikation werden nicht nur in den Kliniken Einzug halten, sondern auch in die Patientenbetreuung: Diabetes-Patienten zum Beispiel können schon heute ihre Blutzucker-Daten via Smartphone oder iPad an ihren Hausarzt schicken. Weitere Apps reichen von Seh- über Hörtests bis zum Überprüfen von Muttermalen. Dank altersgerechter Assistenz-systeme sollen Senioren länger selbstständig, gesund, sicher und mobil leben. Relativ kurze Innovationszyklen werden das Wachstum in der Medizintechnik unterstützen: Rund ein Drittel des Umsatzes erzielen die deutschen Hersteller mit Produkten, die nicht älter als drei Jahre sind. Und die medizintechnologische Revolution hat gerade erst begonnen. Menschliche Haut aus der Gewebefabrik, künstlich produzierte Blutgefäße und nachwachsende Herzklappen sind keine ferne Zukunftsvision mehr.///
Nanotechnologie
WAS KLEINSTE TEILCHEN LEISTEN
Die Dimensionen sind winzig, das Potenzial ist riesig: Nur wenige Millionstel Millimeter messen Strukturen der Nanotechnologie. Aber im Nanometerbereich verändern sich Eigenschaften von Materialien wie Schmelzpunkt oder Löslichkeit erheblich. Das Wissen nutzen deutsche Ingenieure und Forscher als innovativen Schrittmacher für viele Branchen: von der Optik, Elektronik und Bautechnik über Medizin, Pharma, Chemie und Textil bis zu Maschinenbau, Sicherheitstechnik, Umwelttechnologie oder Biotechnologie. Deutschland belegt auf dem jungen Technologiefeld weltweit nach den USA und Japan Platz drei. Rund 950 deutsche Unternehmen – darunter viele kleine und mittlere Start-ups – widmen sich unterschiedlichsten Nanoprodukten.
Nanotechnik nutzt man beispielsweise für moderne Gebäudetechnik: Nanomaterialien auf Verglasungen von Solarmodulen sorgen dafür, dass mehr Sonnenlicht genutzt werden kann. Unter anderem Forscher der RWTH Aachen arbeiten an Nanopartikeln, die in der Medizin eine neue molekulare Bildgebung ermöglichen für die individuelle Diagnostik von Krankheiten wie Alzheimer und maßgeschneiderte Therapien. Krebsbehandlungen mit Nanoteilchen zeigten in klinischen Studien in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) in Heidelberg erste Erfolge. Und medizintechnische Hilfsmittel wie Katheter werden durch Nanobeschichtungen hygienischer.
Im Pflanzenschutz lassen sich Wirkstoffe – verpackt in Nanokapseln – effizienter und umweltschonender einsetzen, weil die Substanzen so ganz gezielt an ihren Wirkungsort gelangen. Auch die Elektromobilität setzt auf Nanotechnologie: Nicht nur Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) arbeiten an speziellen Nanowerkstoffen, die beispielsweise die Lebensdauer und Speicherkapazität der Akkus von Elektrofahrzeugen erhöhen.
Die winzigen Partikel bieten aber auch die Möglichkeit, hauchdünne Schaltkreise auf Folien zu drucken, und machen so Displays noch flacher. Nanowerkstoffe helfen auch beim Schutz vor Plagiaten: Um Fälschungen von Arzneimitteln oder Auto- und Flugzeugbauteilen zu vermeiden, setzt man Markierungssysteme ein, die auf nano- oder nanobiotechnologischen Materialien basieren.
Die Sicherheit der Nanomaterialien wird in Deutschland intensiv beleuchtet: Studien untersuchen die Auswirkungen auf Mensch und Umwelt und erforschen potenzielle Risiken. Die Bundesregierung hat beispielsweise mit dem Aktionsplan „Nanotechnologie 2015“ ein Konzept vorgelegt, um Nanotechnologie zu nutzen, ohne Mensch und Umwelt zu gefährden.///
Bionik
WAS DIE NATUR LEHRT
Die Natur ist ein riesiges Versuchslabor: Über Jahrmillionen der Evolution hat sie Lösungen gefunden, um Organismen das Leben zu ermöglichen. Von dieser Entwicklungsleistung profitieren heute Forscher und Ingenieure. Bionik heißt die Disziplin, die Biologie und Technik verbindet. Und deutsche Ingenieure sind führend in der Entwicklung bionischer Anwendungen.
Ein Beispiel sind Kletterroboter, die mit einer speziellen Lamellenfolie an den Füßen, ähnlich wie Geckos, an glatten Glasfassaden hochlaufen. Oder Käfer, die infrarotes Licht wahrnehmen und ein Vorbild für mögliche Infrarot-Sensoren in Feuermeldern sind. Haifischhaut hat dagegen die Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) zu ihrer Entwicklung der sogenannten Riblet-Oberfläche inspiriert: Der geringe Strömungswiderstand dieser Oberfläche reduziert bei Flugzeugen und Schiffen die Reibung in der Luft und im Wasser. Für den Roboterarm, den die Firma Festo mit Fraunhofer-Forschern entwickelt hat, – stand sogar ein Elefantenrüssel Modell. Die Besonderheit: Die Spitze des rüsselartigen Roboters besteht aus sensiblen Greiffingern, mit denen sich selbst zerbrechliche Gegenstände fassen lassen.
An der TU Ilmenau entwickeln Forscher eine Unterlage für bettlägerige Patienten, die wie menschliche Haut fühlen kann. Sie spürt mit Sensoren, wie gut die echte Haut des Patienten durchblutet ist. Droht er sich wundzuliegen, regt die Unterlage durch Bewegungen selbständig die Durchblutung wieder an.///
