Fraunhofer-Forscherpreis 2024 13. Jun 2024 Von Martin Ciupek Lesezeit: ca. 5 Minuten

Farbige Solarmodule und Bio-Kunststoff ausgezeichnet

Wie vielfältig Wissenschaft sein kann, zeigte sich bei der Verleihung der Fraunhofer-Preise auf der Jahrestagung der Gesellschaft in München.

Simulationsmethoden – komplexe Prozesse zeitsparend abbilden
Die Gewinner des Joseph-von-Fraunhofer-Preises: Für das effiziente "Simulationstool MeshFree" bekamen Jörg Kuhnert und Isabel Michel die Auszeichnung. Ihre Lösung ist in der Lage, komplexe Abläufe nun ohne Gitterstrukturen mit großer Zeitersparnis und damit kostengünstig zu simulieren.
Foto: Piotr Banczerowski

Über 30.000 Menschen arbeiten in den verschiedenen Instituten der Fraunhofer-Gesellschaft an anwendungsorientierten Lösungen für aktuelle Herausforderungen. Die vier besten Teams wurden bei der Jahrestagung mit Forscherpreisen ausgezeichnet.

Arbeit mit Simulation und digitalen Zwillingen wird beschleunigt

Einen der begehrten Joseph-von-Fraunhofer-Preise 2024 erhielten Forschende am Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM. Ihre MeshFree-Lösung arbeitet bei der Simulation komplexer Abläufe ohne starres Rechengitter, was zu einer Zeitersparnis und damit kostengünstigeren Berechnungsprozessen führt. Bisher arbeiten Simulationslösungen mit Polygonnetzen (Mesh).

In kritischen Bereichen werden engere Strukturen angelegt und in anderen Bereichen größere. Je feiner die Netze sind, desto länger dauert die Berechnung. Das Problem: Sollen komplexe Vorgänge wie Aquaplaning auf der Fahrbahn oder die Zerspanung von Metall virtuell abgebildet werden, lassen sich vorab nicht alle Bewegungen der Komponenten vorhersehen. Deshalb ist es auch schwer, die passenden Rechengitter anzulegen.

Die Notwendigkeit, hierfür eine andere Lösung zu finden, erkannte Jörg Kuhnert bereits vor über 20 Jahren. Damals war er bereits in einer Forschungsgruppe am Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM) beschäftigt: „Unsere allererste Aufgabe im Projektteam bestand darin, die Entfaltung eines Airbags während des Fahrzeugcrashs zu simulieren“, erinnert er sich. Bis auf real durchgeführte, kostenintensive Crashtests habe es damals keine Möglichkeit gegeben, die Sicherheit von Neuentwicklungen in diesem Bereich schnell zu überprüfen. Denn: Je mehr Objekte sich in einer Situation bewegen und miteinander interagieren, desto schwieriger ist es, sie unter vertretbarem Aufwand mit klassischen Simulationsmethoden zuverlässig abzubilden.

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Am selben Institut entwickelte ab 2012 im Schwerpunkt Freistrahlturbinen, basierend auf der Dissertation von Jörg Kuhnert, ein Team unter Mitarbeit von Isabel Michel schließlich den gitterfreien Ansatz. Der erlaubte es teilweise erstmals, besonders komplexe und dynamische Situationen in der Simulation zu zeigen. Alle weiteren seither erzielten Forschungsergebnisse flossen schließlich in das Software-Tool MeshFree ein. Nach Angaben der Fraunhofer-Gesellschaft macht weltweit kein anderes Simulationswerkzeug die Generalisierte Finite-Differenzen-Methode (GFDM) industriell nutzbar.

Im Unterschied zur klassischen Finite-Elemente-Methode mit ihren Gitterstrukturen kombiniert die Software MashFree die Generalisierte Finite-Differenzen-Methode zur Lösung der Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie mit effizienten Algorithmen zur Lösung linearer Gleichungssysteme. Das ist ein gewaltiger Vorteil, denn die verwendete numerische Punktewolke ist dazu in der Lage, sich flexibel an bewegliche Geometrien anzupassen. Aufwendige Nachkorrekturen im Rechengitter entfallen.

Folien aus biobasiertem Kunststoff wirtschaftlich produzieren

Der Kunststoff Polyethylen (LDPE/engl.: low density polyethylene) dominiert aktuell den Verpackungsmarkt. Das Material ist jedoch erdölbasiert, nicht biologisch abbaubar und kann nur unter Eigenschaftseinbußen mechanisch recycelt werden. Dem Forscherteam André Gomoll, Benjamín Rodríguez und Antje Lieske vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP) ist es gelungen, ein flexibles und recycelbares Material für Folienanwendungen auf Basis von Polylactid (PLA) zu entwickeln. Damit wird dem Verpackungsmarkt ein alternatives, nachhaltiges Material zur Verfügung gestellt.

Das Forschungsteam des Fraunhofer IAP schaffte einen Durchbruch bei biobasierten Verpackungsmaterialien: Benjamín Rodríguez (v.l.n.r.), Antje Lieske und André Gomoll. Foto: Piotr Banczerowski

Im Allgemeinen ist der Biopolyester Polylactid (PLA) zwar biobasiert, bioabbaubar und kann mit vergleichsweise geringem Energieaufwand chemisch zu Neuware recycelt werden. Aufgrund seiner hohen Sprödigkeit eignet er sich in seiner konventionellen Form jedoch nicht für die Herstellung flexibler Einwegverpackungen, etwa von Tragetaschen oder Müllsäcken, die zu den Hauptverursachern von Einwegkunststoffabfällen gehören. Zudem kann PLA heute nur in kontinuierlichen Großanlagen rentabel hergestellt werden, was kleinere Unternehmen als Hersteller bisher ausschließt.

Durch die Forschungsergebnisse sei dessen Kommerzialisierung nun auch mittelständischen Unternehmen möglich. Die Jury des Joseph-von-Fraunhofer-Preises würdigt u. a., dass das Forschungsteam „durch die Materialentwicklung über Blockcopolymere die Eigenschaften des bisher genutzten Polyethylens erreicht und gemeinsam mit einem industriellen Partner die Machbarkeit der Umsetzung in einer Pilotanlage demonstriert hat.“

Effiziente farbige Solarmodule für Gebäude

Großflächige schwarze Paneele sind bei Architekten und Bauherren aus optischen Gründen eher unbeliebt. Die Forscher Oliver Höhn, Thomas Kroyer und Andreas Wessels des in Freiburg ansässigen Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) nahmen das zum Anlass ästhetische, farbige Photovoltaikmodule zu entwickeln. Dabei galt es, den Wirkungsgradverlust gering zu halten, während sich die Elemente gleichzeitig durch eine winkelstabile und gesättigte Farbgebung möglichst unsichtbar in die Gebäudehülle integrieren lassen.

Das Forscherteam des Fraunhofer ISE bringt Farbe in die Energiegewinnung an Gebäuden: Thomas Kroyer (v.l.n.r.) , Oliver Höhn und Andreas Wessels. Foto: Piotr Banczerowski

Bei der Lösung dieser Herausforderung ließen sich die Forscher vom biologischen Vorbild des Morpho-Schmetterlings inspirieren. Kroyer berichtet: „Die 3D-photonischen Strukturen auf seinem Flügel erlauben einen intensiven und winkelstabilen Farbeindruck durch einen grundsätzlich verlustarmen Interferenzeffekt.“ Die Experten vom Fraunhofer ISE brachten per Vakuumprozess eine ähnliche Oberflächenstruktur auf die Rückseite des Deckglases ihrer Photovoltaikmodule auf. Je nach Feinstruktur lassen sich damit Deckgläser in verschiedenen Farben herstellen.

Laut Fraunhofer-Gesellschaft weist das Schichtsystem für farbige Photovoltaik inzwischen wesentlich bessere Eigenschaften als das biologische Vorbild auf. „Unabhängige Messungen bestätigen, dass die farbigen Photovoltaikmodule mit MorphoColor-Beschichtung ca. 95 % der Leistung eines vergleichbaren unbeschichteten Moduls erbringen“, berichtet Wessels. Damit übertreffe die Technologie alle anderen vergleichbaren Technologien auf dem Markt bei Weitem. Durch eine spezielle Montagevariante bleibe Solarzellentechnologie hinter der Farbschicht vollständig unsichtbar.

MorphoColor ist als Marke bereits in der EU sowie in der Schweiz, China, den USA, Japan und Korea registriert. Seit 2023 besitzt die Schweizer Firma Megasol Energie AG eine Lizenz und etabliert die Technologie am Markt. Als vielversprechendes Entwicklungsfeld neben der Gebäudeausrüstung gelten Photovoltaikmodule für Fahrzeuge. Auf der Automobilmesse IAA präsentierte das Fraunhofer ISE bereits Autoglasdächer und Motorhauben mit integrierten MorphoColor-Photovoltaikmodulen.

Erreger identifizieren: Methode für optimierte Diagnostik

Neben den drei Fraunhofer-Preisen wurde auch der Wissenschaftspreis des Stifterverbands 2024 vergeben. Der ging an Fachleute vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB). Ihnen ist es gelungen, gemeinsam mit Verbundpartnern ein Nachweisprinzip zu etablieren, das durch schnelle, hochpräzise Erregeridentifikation entscheidend dazu beitragen kann, beispielsweise bei einer Blutvergiftung (Sepsis) Leben zu retten.

Für die etablierte Zusammenarbeit bei der Indentifikation von Erregern erhielten (v.l.o.n.r. u.) Kai Sohn (Fraunhofer IGB), Silke Grumaz und Philip Stevens (beide Noscendo GmbH) und Thorsten Brenner (Universitätsklinikum Essen) den Wissenschaftspreis des Stifterverbands „Forschung im Verbund“ 2024. Foto: Piotr Banczerowski, Fraunhofer/Maximiliane Nirschl

Statt Sepsisauslöser nach kultureller Anzucht – z. B. in Form der klassischen Blutkultur – zeitaufwendig mithilfe massenspektrometrischer Verfahren zu identifizieren, nutzt das Team Methoden nach dem Vorbild der Verbrechensbekämpfung – Fragmente von Erbinformation im Blut. Bis zu 30 Mio. DNA-Bruchstücke einer Blutprobe werden analysiert. Die Forschenden isolieren sie voll automatisiert und sequenzieren sie im Hochdurchsatz. Finden sich Fragmente nicht humanen Ursprungs, gleichen die Fachleute diese mit einer spezifisch entwickelten Datenbank ab, welche die Genome von Bakterien, Viren, Pilzen und anderen Erregern enthält. Klinische Studien haben die Zuverlässigkeit des Verfahrens belegt.

Für die Preisträger Kai Sohn, Abteilungsleiter In-vitro-Diagnostik am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB), Thorsten Brenner vom Universitätsklinikum Essen sowie Silke Grumaz und Philip Stevens von der Noscendo GmbH geht der Blick bereits in die Zukunft. „Aktuell wenden wir uns der Kinder-Intensivmedizin zu. Eine zuverlässige und schnelle Diagnostik ist hier umso bedeutsamer, da kleinen Patienten nur geringe Mengen Blut entnommen werden können“, verdeutlicht Klinikleiter Brenner. Außerdem wollen die Preisträger ihr Verfahren auf andere Krankheitsbilder übertragen, etwa auf lokalisierte, aber schwer zu diagnostizierende Infektionen. Darüber hinaus arbeiten die Fachleute daran, die Methode über Blutproben hinaus auch in anderen Sekreten und an Gewebeproben anzuwenden.

 

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