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Manufacturing-Execution-SystemeDie selbstregelnde Fabrik

Mobile MES-Anwendungen mit Hydra von MPDV

Begriffe wie Selbstregelung, Selbstoptimierung oder selbstlernende Maschinen tauchten bereits in den Anfängen der Industrie 4.0 auf. Sie halten sich hartnäckig, werden in jüngster Zeit sogar häufiger genannt.

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Techno-SCOPETeamwork der Wissenschaften

Nãnos ist griechisch und bedeutet „Zwerg“. Genau nach diesem Wichtel wurde die Nanotechnologie benannt, quasi eine „Zwergenwissenschaft“. Hierbei handelt es sich jedoch keineswegs um einen kleinen unbedeutenden Zweig der Forschung. Im Gegenteil: Sie gilt heute als eine der wichtigsten Zukunftstechnologien. Zwar kann man sie nicht klassisch abgrenzen zu anderen Disziplinen, aber genau dieses weite Feld ist auch ihre Stärke: Als branchenübergreifende Wissenschaft bringt sie Fortschritte unter anderem in der Elektronik, Optik und Biotechnologie. Und nicht vergessen darf man dabei die Werkstofftechnik.

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Klein, winzig, nano

Techno-SCOPE: Teamwork der Wissenschaften

Dieses Zusammenspiel der Wissenschaften bewegt sich auf der atomaren Ebene zwischen einem und einhundert Nanometern. Zur Verdeutlichung der kleinen Dimension: Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter (10–9), ungefähr 50.000 mal kleiner als der Durchmesser eines Haares. Auf dieser Basis sind die Regeln der klassischen Physik aufgehoben. Vielmehr entstehen durch das sehr große Verhältnis von Oberflächen- zu Volumen­atomen neue Eigenschaften und Funktionen. Und genau diese sind nicht an eine Größe gebunden, sondern können zusätzlich beispielsweise von der Materialklasse abhängen. Oberflächenatome haben oft andere Eigenschaften als die Atome des Partikelinneren. Häufig sind sie viel reaktionsfreudiger: Gold beispielsweise in „grober“ Form kann mit Platin als Katalysator nicht mithalten. Nanoskopisch kleine Goldpartikel sind dagegen auf einem porösem Träger ein guter Katalysator, der schon beim Kaltstart eines Autos Stickoxide und Kohlenmonoxid in unschädliche Substanzen umwandelt. Auch für neuartige Brennstoffzellen könnte sich Gold auf dieser Ebene gut eignen.

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Die heutige Nanotechnologie ist hauptsächlich aus der technischen Physik, Biologie und Chemie hervorgegangen. Erst durch physikalische Verfahren konnten immer komplexere Schaltkreise und somit kleinere Strukturen für die Mikroelektronik entwickelt werden. Aus der Chemie kommen hochmolekulare funktionale Verbindungen, die in Katalyse, Membrantechnik, Sensorik oder Schichttechnologie angewandt werden. Durch Entwicklungen im Bereich der Zell- und Molekularbiologie in jüngster Zeit sollen biologische Prinzipien auf technische Systeme übertragbar werden. So könnte das Blatt einer Pflanze als Beispiel dienen: Sein Wasserhaushalt wird meist von sogenannten Forisomen reguliert. Diese mikroskopisch kleinen Muskeln öffnen im Kapillarsystem der Pflanze Wege – und schließen diese, wenn das Blatt einmal verletzt wird. Forscher der Fraunhofer-Gesellschaft versuchen nun, den Pflanzenmuskel auf mikroskopisch kleine Linearmotoren zu übertragen.

Vorbild: Natur

Die Lotusblume oder auch die heimische Kapuzinerkresse sind Beispiele, wie es Wissenschaftlern gelang, Erkenntnisse aus der Nanoforschung in die Entwicklung neuer Materialien umzusetzen. Durch die Noppenstruktur auf den Blättern perlen Wassertröpfchen in hoher Geschwindigkeit ab, so dass auch gleich Schmutz mitgerissen wird. Die Farbindustrie nutzte dieses Schema für pflegeleichte Fassadenfarben.

Hieran wird deutlich, wie wichtig es ist, für eine erfolgreiche Nanotechnologie die Disziplingrenzen zu überschreiten und neue Kooperationen einzugehen. Dies wird durch das Bundeswirtschaftsministerium für Bildung und Forschung mit Fachprogrammen unterstützt. In vielen Unternehmen, aber auch in Hochschulen und Instituten forscht man im Rahmen dieser Förderung an verschiedenen Verbundprojekten, unter anderem im Bereich der Nanobiotechnologie, Nanooptik, Nanooptoelektronik (neue Prinzipien des Schaltkreisentwurfs), Nanoelektronik (Maskentechnologie bei der Chipherstellung) und Nanoanalytik (Bio- und Halbleitertechnologie).

Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Oberflächentechnik. Sie hat bereits in den letzten Jahren große wirtschaftliche Bedeutung erlangt, und wird auch zukünftig eine Schlüsselrolle spielen. Schon heute machen Schichttechnologien den größten Anteil des Marktvolumens aus. So arbeiten Wissenschaftler an Nanopartikel-Kunststoff-Kompositen sowie Nanokristallen mit optischen Eigenschaften. Im Bereich nanostrukturierter Oberflächenveredelung sucht man nach neuen Beschichtungen, die kratzfest sowie wasser- oder schmutzabweisend sind. Andere Forschungsgebiete sind die Verbesserung der Antireflex-Eigenschaften und des UV-Schutzes für elektrochrome oder photoaktive Beschichtungen sowie die Entwicklung abriebfester Schichten.

Ein Schlüsselverfahren für neue Werkstoffe ist hierbei die Sol/Gel-Technik. Sie lässt sich sehr gut mit einem Kochrezept erklären: Sauce Hollandaise ist eigentlich ein kolloidales System, das heißt viele Tröpfchen einer Substanz – hier Zitronensaft – schweben stabil in einer zweiten, in dem Fall flüssige Butter. Nun kann man aus löslichen Verbindungen des Siliziums ein kolloides Sol herstellen, bei dem siliziumhaltige Tröpfchen in einer Trägerflüssigkeit schwimmen. Sprüht man diese Substanz auf ein Blech und erwärmt dies, verschwindet die Trägerflüssigkeit: Die Siliziumtröpfchen bilden ein Netzwerk, gelieren und werden dann zu einer harten keramischen Schicht, die das Blech vor Korrosion und Kratzern schützt. Neben diesem Oberflächenschutz lässt sich die Technik auch zur Herstellung von Keramikfasern und Keramikkörpern sowie von optischen Komponenten (Lichtleitfasern oder Frequenzverdoppler) einsetzen.

Vom Labor zum Produkt

Die Nanotechnologie steht trotz der ersten Erfolge noch am Anfang. Ihr unendlicher Reichtum wird noch viele neue Chancen öffnen. Doch vor der industriellen Produktion eines neuen Produkts müssen Wege zur technischen Umsetzung gefunden, Arbeitsprozesse gestaltet und die Mitarbeiter aus- und weitergebildet werden. Sicher resultierten hieraus viele neue Arbeitsplätze. Doch Deutschland war einer der ersten Wissenschafts- und Wirtschaftsstandorte der Welt, wo frühzeitig aus der breiten Grundlagenforschung Anwendungsmöglichkeiten entstanden sind. Ein Paradebeispiel hierfür ist sicher der Elektronikstandort Dresden (siehe auch SCOPE 01/2004). Derzeit beschäftigen sich deutschlandweit rund 450 Unternehmen mit der kommerziellen Anwendung dieser Querschnittstechnologie. Trotz der exzellenten Forschung sind Amerika und Japan im internationalen Vergleich bei der wirtschaftlichen Umsetzung Deutschland aber noch überlegen. Betrachtet man jedoch die Marktprognosen für dieses Jahr (alleine im Bereich Nanopartikel für Elektronik/Optoelektronik sollen 668 Millionen US-Dollar erreicht werden), wird das enorme Potenzial auch für die heimische Industrie deutlich. Immerhin befinden sich hier vor Ort mit der Chemie, dem Automobilbau, der Optik sowie Life Sciences (Medizintechnik und Gesundheit) Lead-Märkte der Nanotechnologie. Aus ihrer starken Partnerschaft zur Wissenschaft erwächst ihre technologische Stärke, die sich nicht nur betriebswirtschaftlich positiv auswirkt, sondern auch für die Volkswirtschaft von Bedeutung ist. Monika E. Melk

Kontakte:

Bundesministerium für Bildung und

­Forschung, http://www.bmbf.de

VDI – Technologiezentrum GmbH,

Future Technology Division,

TechPortal Nanotechnologie,

www.techportal.de

Fraunhofer-Gesellschaft, http://www.fraunhofer.de

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