Augmented Technology Foresight

Das die Technologisierung unserer Welt immer schneller voranschreitet und vermehrt zu grundlegenden Veränderungen unseres Alltags führt, darüber besteht allgemeiner Konsens. Außerdem lässt sich beobachten, dass dabei auch zunehmend die Grenzen zwischen einzelnen Technologiegebieten verschmelzen und Unternehmen stärker dazu gezwungen sind, auch jenseits ihrer Fokusgebiete nach technologischen Veränderungen Ausschau zu halten.

Seit den 70er Jahren besteht der Grundauftrag des Fraunhofer-Instituts für Naturwissenschaftlich-Technische Trendanalysen INT darin, solche komplexen, übergreifenden Veränderungen aufzuspüren, zu beobachten und Technology Foresight als wichtiges Werkzeug für Strategie, Planung und Innovationsmanagement weiterzuentwickeln. Unser Geschäftsfeld Corporate Technology Foresight kümmert sich dabei um die spezifischen Belange von Unternehmen.

Konventionelle Fertigungsmethoden

Vielstufiger Fertigungsprozess

Heute: Herstellung über viele aufeinanderfolgende unterschiedliche Schritte: Urformen, Umformen, Trennen und Fügen

Die Mehrzahl aller Produkte heute wird über viele aufeinanderfolgende unterschiedliche Schritte hergestellt, die wiederum spezifische Techniken und Einzelschritte umfassen: Urformen (aus formlosen Material feste Körper herstellen), Umformen (festen Körpern eine bleibende Basisform geben), Trennen (die Basisform durch Materialabtrag in die gewünschte geometrische Stückform bringen) und Fügen (Werkstücke dauerhaft zu einem Produkt zusammensetzen). Häufig werden einzelne Komponenten des Produkts auch veredelt, indem sie beschichtet oder ihre Stoffeigenschaften verändert werden.

Near Net Shaping 

Morgen: Einzelne Schritte wie Urformen, Umformen und Trennen werden ersetzt

Zur Energieeinsparung, Verringerung des Materialverbrauchs und Verbesserung der Recyclingfähigkeit werden durch Near-Net-Shaping einzelne Schritte wie Urformen, Umformen und Trennen ersetzt und der Fügeprozess z.B. durch neue Klebeverfahren optimal kraftschlüssig und rückstandsfrei reversibel gestaltet. Die ggf. erforderliche Optimierung der Stoffeigenschaften sowie das Beschichten erfolgen weiterhin konventionell.

Zerlegbarkeit und sensorgetriggerter Komponentenaustausch 

Übermorgen: Sorten- bzw. funktionsreine Zerlegbarkeit von Produkten ermöglicht sensorgetriggerten Austausch degradierter Komponenten

Die sorten- bzw. funktionsreine Zerlegbarkeit von Produkten ermöglicht sensorgetriggert den Austausch einzelner degradierter Komponenten zum optimalen Zeitpunkt und ermöglicht dadurch deren maximale Gebrauchsfunktionalität weit über den Zeithorizont konventioneller Produkte hinaus.

Generative Fertigungsmethoden

3D-Druck

Heute: Erste Produkte aus sortenreinen Kunststoffen in kleinen bis mittleren Losgrößen zu wettbewerbsfähigen Preisen

Die additive Fertigung (3D-Druck) gebrauchsfertiger Produkte steckt in den Kinderschuhen. Erste, insbesondere auch geometrisch komplexe Produkte aus sortenreinen Kunststoffen können in kleinen bis mittleren Losgrößen zu wettbewerbsfähigen Preisen hergestellt werden.

Lasergestützter 3D-Druck

Morgen: Herstellung komplexer metallischer Bauteile nur noch mittels lasergestützter 3D-Druckverfahren

Für die Herstellung komplexer metallischer Bauteile werden keine konventionellen Verfahren mehr genutzt, sondern nur noch lasergestützte 3D-Druckverfahren. Die additive Fertigung hochwertiger Kunststoffprodukte wird auch für den Massenmarkt rentabel.

Multimodaler 3D-Druck

Übermorgen: Herstellung von Werkstücken aus verschiedenen Werkstoffen

Neue multimodale 3D-Drucker (Mehrfrequenzlaser bzw. stimmbare Laser, simultane Zuführung unterschiedlicher Werkstoffe) ermöglichen die kontinuierliche Herstellung von Werkstücken in beliebigen Geometrien einschließlich Oberflächenveredelung.

Methoden auf CRISPR-Basis

CRISPR-Werkstoffe

Heute: Stoffanreicherung durch genetisch veränderte Bakterienstämme

Mittels CRISPR/Cpf1, eine biochemische Methode mit der einzelne Bakterienstämme genetisch so umprogrammiert werden, dass sie aus mineralhaltigem Abfallschlamm einzelne keramische und metallische Stoffe sortenrein anreichern. Auf diese Weise ließen sich mit Hilfe von Bakterien Wertstoffe oder Giftstoffe aus flüssigen Abfällen sammeln bzw. entfernen.

CRISPR-Werkstücke

Morgen: Anreicherung von größeren Stoffmengen zu materialhomogenen geometrischen Werkstücken

Mittels eines verbesserten Nachfolgers von CRISPR/Cpf1 können Bakterien so modifiziert werden, dass sie unbeaufsichtigt in Mülldeponien ausbringbar sind (Bioremediation). Dort lagern sie sich zusätzlich zur Stoffanreicherung mit gleichartigen Zellen zu definierten Volumenformationen zusammen und strukturieren so materialhomogene geometrische Werkstücke vor. Diese können durch thermische Konversion in feste Funktionsmuster überführt werden und anschließend einem neuen Einsatzzweck zugeführt werden.

Mikrostrukturierte CRISPR-Werkstücke

Übermorgen: Komplexe Geometrien mit gewünschter Mikrostruktur

Durch die Kombination von weiterentwickelten CRISPR/Cpf- und CRISPR/Cas-Systemen können unterschiedliche Bakterienstämme so modifiziert werden, dass sie sich selbstorganisiert in komplexen Geometrien zusammenlagern und dort unterschiedliche mineralische Rohstoffe anreichern. Dabei entspricht diese geometrische Zusammensetzung exakt der gewünschten späteren Mikrostruktur des Werkstücks, welches durch thermische Konversion erhalten wird.

Konventionelle Bezahlsysteme

Bar- und Kartenzahlung dominieren

Heute: Die Digitalisierung des Bezahlens wird zunehmend sichtbar

Aktuell sind (in Deutschland) Bar- und Kartenzahlung immer noch die dominierenden Zahlungsarten. Aber allmählich werden Digitalisierung und der zunehmende Internethandel bemerkbar und verändern die Anforderungen an das Bezahlen. Neue Player und Technologien sowie regulatorische Eingriffe führen zu einem intensiveren Wettbewerb.

Mobile Bezahlsysteme

Morgen: Bar- und Kartenzahlung werden verdrängt

Mobile Bezahlsysteme verdrängen Bar- und Kartenzahlung zunehmend. Hinzu kommt die Möglichkeit sogenannte Instant Payments zu nutzen, bei denen Transaktionen nahezu in Echtzeit ablaufen. Bezahlender und Empfänger können den digitalen Bezahlvorgang sofort überprüfen, wodurch sich digitales Bezahlen wie eine Bargeldzahlung anfühlt.

Biometrische Identifikationsverfahren

Übermorgen: Mehr Sicherheit und einfachere Handhabung mittels neuer Sicherheitstechnologien

Weitere Technologien machen das Bezahlen vor allem sicherer und einfacher. Dazu zählen vor allem biometrische Identifikationsverfahren (wie z.B. Fingerprint, Retina-Scanner oder Voice Recognition), die im Smartphone verbaut sind. Der PIN wird ersetzt, Situationen wie das Vergessen des PIN an der Kasse gehören der Vergangenheit an.

Bezahlsysteme auf Blockchain-Basis

Blockchain

Heute: Geburt der Kryptowährungen und erste Nutzung

Eine Blockchain ist eine Datenbank, mit einer stetig wachsenden Zahl an (Transaktions-)Datensätzen. Durch diese Technologie ist es möglich informatorische oder monetäre Transaktionen, direkt zwischen Sender bzw. Zahlendem und Empfänger durchzuführen, zu dokumentieren und fälschungssicher und für alle Akteure nachvollziehbar abzuspeichern. Diese Technologie ist bereits einsatzbereit und ist die Grundlage der Kryptowährung BitCoin, die zunehmend Verbreitung findet und im Online-Handel von immer mehr Händlern akzeptiert wird.

Blockchain für Zentralbanken

Morgen: Kryptowährungen als offizielles Zahlungsmittel im Kampf gegen Kriminalität

Die Blockchain ist in allen sicherheits- und innovationsfokussierten Bereichen von Bedeutung. Viele relevante Akteure analysieren derzeit dieses Thema bzgl. möglicher Entwicklungen und Chancen. Als disruptiv wäre diese Technologie für den Zahlungsverkehr vor allem dann einzuschätzen, wenn Akteure wie Zentralbanken anfangen, diese Technologie selbst zu nutzen. Aufgrund großer Vorteile, insbesondere bei der Kontrolle von Finanzflüssen (z.B. beim Kampf gegen Geldwäsche) ist eine solche disruptive Veränderung nicht unwahrscheinlich. Etliche Zentralbanken haben dieses Thema bereits im Blick.

Smart Contracts

Übermorgen: Mehr Vertragssicherheit durch digitale Verträge und Nutzung der neutralen digitalen Infrastruktur von Kryptowährungen

Auf Basis von offiziellen Kryptowährungen und dieser neutralen, für alle Akteure transparenten und nicht-manipulierbaren Infrastruktur lassen sich sogenannte „Smart Contracts“ als neues Geschäftsmodell aufbauen. Diese bilden die Vertragslogik digital ab und ersetzen die schriftliche Fixierung von Verträgen. Viele Arten von Vertragsklauseln werden selbst ausführbar und selbst durchsetzbar. Daraus resultiert eine höhere Vertragssicherheit gegenüber traditionellem Vertragsrecht bei gleichzeitiger Reduktion der Transaktionskosten. Weitere mögliche digitale Geschäftsmodelle sind z.B. digitale Treuhandkonten sowie das sichere Ausstellen und der Transfer von Aktien.

Quantencomputer und ihre Auswirkungen auf Verschlüsselungsverfahren

State-of-the-Art Elektronik

Heute: Herkömmliche Verschlüsselungsverfahren sind sicher

Die heutige Zahlungsinfrastruktur im bargeldlosen Zahlungsverkehr basiert auf herkömmlichen elektronischen Bauteilen und Systemen. Die aktuellen Verschlüsselungstechnologien sind so sicher, dass Transaktionen ohne großes Risiko getätigt werden können. Auch gibt es derzeit intensive Bestrebungen, die Sicherheit im Zahlungsverkehr weiter zu stärken. Bedrohungen entstehen vor allem durch Schadsoftware bei nicht ausreichend gesicherten Geräten und durch Fehlverhalten des Bedieners (z.B. bei Phishing-Attacken).

Quantencomputer-Revolution

Morgen: Quantencomputer knacken klassische Verschlüsselungsverfahren in kürzester Zeit

In der Quantenphysik existieren Systeme nicht in einem scharf definierten Zustand (z.B. 0 oder 1), sondern in Form einer Überlagerung (Superposition). Quantencomputer nutzen diese quantenphysikalischen Phänomene für die Informationsverarbeitung und sind dadurch erheblich leistungsfähiger als klassische Parallelrechner. Die Sicherheit vieler verbreiteter asymmetrischer Verschlüsselungsverfahren beruht auf der Tatsache, dass die Zerlegung einer großen Zahl in ihre Primfaktoren mit der Rechenleistung aktueller Computer nicht praktikabel ist. Bereits im Jahr 1994 wurde von P. Shor ein Algorithmus veröffentlicht, der dieses sogenannte Faktorisierungsproblem mit Hilfe eines Quantencomputers sehr schnell lösen kann. Daher könnten Quantencomputer dazu genutzt werden, die aktuell verwendeten Verschlüsselungsverfahren innerhalb kürzester Zeit zu knacken.

Postquantenkryptographie

Übermorgen: Umstellung auf neue, Quantencomputer-sichere Kryptographieverfahren

Die gesamte Zahlungsinfrastruktursicherheit wird bzw. muss innerhalb kürzester Zeit umgebaut und auf sogenannte Postquantenkryptographie umgestellt werden. Hierbei werden Verfahren verwendet, die nicht auf der (Un-)Zerlegbarkeit in Primfaktoren beruhen, wie z.B. Multivariate Kryptographie und Elliptic-Curve-Cryptography.

Stromerzeugung

Fossile Stromerzeugung

Heute: Zentrale, fossile Stromerzeugung mit erneuerbarem Anteil, on-demand Erzeugung, mechanische Speichersysteme

Aktuell dominiert (in Deutschland) eine zentrale, fossile Energieerzeugung mit nuklearem und erneuerbarem Anteil. Der Anteil fossiler und nuklearer Kraftwerke wird sich in Zukunft weiter verringern. Bereits heute ist erkennbar, dass sich die on-demand Stromerzeugung und -verteilung durch Möglichkeiten der Echtzeit-Datenerfassung zu einem intelligenten Stromsystem wandeln wird. Angebot und Nachfrage können dadurch besser aufeinander abgestimmt werden. Überschüssiger Grundlaststrom aus fossilen Kraftwerken, der vor allem nachts sehr hoch ist, wird durch Pumpspeicherkraftwerke in Form von potentieller Energie aufgenommen und tagsüber dosiert wieder abgeben..

Energiewende

Morgen: Dezentrale, erneuerbare Stromerzeugung mit fossilem Anteil, Ansätze smarter Stromverteilungssysteme, dezentrale Batteriespeichersysteme

Der Anteil dezentraler, erneuerbarer Energien am Stromerzeugungssystem wird mehr als 50% betragen. Es sind in Deutschland keine Kernkraftwerke mehr in Betrieb. Die witterungsabhängigen Fluktuationen in der Stromerzeugung durch Wind und Sonne machen dezentrale Energiespeichersysteme (Batteriespeicher) an nahezu allen Erzeugungsparks notwendig, um die Stabilität der Stromverteilungsnetze zu gewährleisten. Eine weitere Optimierung der Kopplung von Stromangebot und -nachfrage wird durch den flächendeckenden Einbau von Smart-Metern in nahezu allen Haushalten und Industriebetrieben erreicht.

Smart Energy

Übermorgen: Dezentrale, erneuerbare Stromerzeugung mit geringem fossilen Anteil, Smart Grid, zentrale Batteriespeichersysteme

Der Anteil dezentraler, erneuerbarer Energien am Stromerzeugungssystem wird mehr als 75% betragen. Fossile Kraftwerke (z.B. Erdgas) werden nur noch zur Deckung der Spitzenlast eingesetzt. Als neues Geschäftsmodel für Stromnetzbetreiber haben sich große, zentrale Speichersysteme etabliert, die den Großteil erneuerbaren Stroms je nach Nachfrage dosiert in das Stromnetz abgeben (neue Regelenergie). Die ursprünglichen Systeme zur Bereitstellung von Regelenergie wurden dadurch überholt.

Mobilität

Fossile Kraftstoffe

Heute: Verbrennungsmotor, fossile Kraftstoffe mit erneuerbaren Anteilen

Der Mobilitätssektor wird heute von Verbrennungsmotoren dominiert, die mit fossilen Kraftstoffen mit erneuerbaren Anteilen (Biokraftstoffe der 1. Generation aus Food-Biomasse) betrieben werden. Der erneuerbare Anteil (Beimischung) ergibt sich dabei aus dem gesetzlichen Rahmen durch EU-Richtlinien. Die Möglichkeiten zur Beimischung biogener Kraftstoffe werden außerdem durch die technische Auslegung der heutigen Verbrennungsmotoren weitgehend begrenzt.

Hybride Antriebssysteme

Morgen: Hybride Antriebssysteme, Elektromobilität mit mittleren Reichweiten, fossile Kraftstoffe mit hohen erneuerbaren Anteilen

Zu Vermeidung von CO2-Emissionen dominieren hybride Antriebskonzepte (Strom + Verbrennung) den Mobilitätssektor an Land. Durch verbesserte Batteriekonzepte mit gesteigerten Energiedichten und Reichweiten sowie durch ein gut ausgebautes Ladenetzwerk an Tankstellen hat die Elektromobilität einen weiteren wichtigen Anteil in diesem Mobilitätssegment. Die Beimischungsmöglichkeiten von Biokraftstoffen sind nach wie vor durch technische Restriktionen bei den Verbrennungsmotoren begrenzt. Die beigemischten Biokraftstoffe der 2. Generation besitzen jedoch einen deutlich verbesserten Nachhaltigkeitsfaktor durch die breite Verwendung von biogenen Abfällen und landwirtschaftlichen Nebenprodukten (Non-Food Biomasse) zu ihrer Herstellung. Der Luftverkehr basiert aufgrund mangelnder Alternativen hinsichtlich der spezifischen Energiedichte von Kerosin nach wie vor auf Verbrennungstechnologien.

Elektromobilität

Übermorgen: Elektromobilität mit hohen Reichweiten im Individualverkehr, Biokraftstoffe aus maritimen Primärquellen und Algen

Neue Batteriekonzepte mit hohen Speicherdichten und daher hohen Reichweiten haben dafür gesorgt, dass Elektromotoren nun den Mobilitätssektor dominieren. Hybride Antriebskonzepte stellen die zweitwichtigste Form von Mobilität an Land dar. Die darin verbauten Verbrennungsmotoren sind speziell auf die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Biokraftstoffen der 3. Generation (hergestellt aus maritimen Primärquellen/Algenbiomassen) ausgelegt. Die verwendeten Biokraftstoffe sind vollständig CO2-neutral. Im Luftverkehr kommt ausschließlich aus Algenbiomasse hergestelltes Kerosin zum Einsatz.

Chemie und Pharma

Rohöl

Heute: Chemische Grundstoff- und Pharmaindustrie basiert auf fossilen Rohstoffen mit biobasierten Anteilen

Die stofflichen Grundlagen der chemischen Industrie sowie die dazugehörigen Geschäftsmodelle basieren heute weitgehend auf fossilen Rohstoffen (Rohöl). Daneben zeichnet sich in diesem Industriesegment derzeit ein Trend zu recycle-fähigen und biologisch abbaubaren Kunststoffen getrieben durch die Endkundennachfrage ab. Entsprechende bio-basierte Kunststoffe werden heute in der Regel auf der Grundlage von Food Biomasse hergestellt.

Bioökonomie

Morgen: Hoher Anteil biobasierter Kunst- und pharmazeutischer Grundstoffe aus landwirtschaftlichen Primärquellen

Der Trend setzt sich fort und Kunststoffe sowie pharmazeutische Grundstoffe werden im Rahmen der von Bundesregierung und EU ausgerufenen Bioökonomiestrategie bis 2030 vollständig durch neue Biokunststoffe auf der Grundlage von landwirtschaftlichen Primärquellen (Lebensmittelbiomasse) hergestellt. Aus diesem Grund wird im gesellschaftlichen Diskurs verstärkt eine abgewandelte Form der Tank-statt-Teller-Debatte geführt, die zur Folge hat, dass im Ergebnis alle staatlichen Förderungen für derartige Biokunststoffe eingestellt werden.

Blaue Bioökonomie

Übermorgen: Hoher Anteil biobasierter Kunst- und pharmazeutischer Grundstoffe aus maritimen Primärquellen (Algen)

Parallel zum gesellschaftlichen Diskurs der Phase 2 hat die Herstellung und Nutzung von Algenbiomasse (blaue Biotechnologie) große technische Fortschritte gemacht. Die chemische Industrie ist daher nun dazu in der Lage, neuartige Plattformchemikalien im großen Maßstab aus Algenbiomasse herzustellen. Außerdem können bio-basierte Kunststoffe mit deutlich verbesserten Materialeigenschaften (ggü. der Rohölchemie) und mit vorteilhafterem Nachhaltigkeitsfaktor hergestellt und wettbewerbsfähig am Markt  angeboten werden.

Multi-Roboter-Systeme

Fernsteuerung

Heute: Der Mensch steuert einzelne Roboter

Unbemannte Systeme (UxS) oder Roboter erfordern eine individuelle und direkte Steuerung durch einen Piloten oder Bediener. Die Systeme können zwar einzelne Teilaufgaben automatisiert ausführen (beispielsweise Start, Landung oder spezielle Fahr-/Flugmanöver), sind aber noch nicht in der Lage, auf sich alleine gestellt konfliktfrei in der Umwelt zu navigieren oder dynamisch auf Abweichungen vom geplanten Missionsablauf zu reagieren. Menschliche Bediener sind integrale Bestandteile der Steuerungs-Konzepte dieser Systeme.

Kooperative Roboter

Morgen: Der Mensch koordiniert eine Gruppe von Robotern

UxS/Roboter beginnen sich selbstständig (autonom) in der Umwelt zu bewegen und gemeinsam mit anderen Systemen Aufgaben auszuführen – zum Beispiel beim Transport von Paketen in einer Lieferkette oder beim Verladen überschwerer Lasten. Dazu sind sie hierarchisch in Gruppen oder Netzwerken organisiert, die gemäß der Vorgaben einer kleinen Zahl menschlicher Bediener agieren und von einer Steuerzentrale aus überwacht werden können. Dabei unterstützen softwarebasierte Agenten die Bediener.

Intelligente Schwärme

Übermorgen: Roboter arbeiten selbstorganisiert zusammen

UxS/Roboter können sich konfliktfrei in der Umwelt bewegen und unter sich dynamisch ändernden Bedingungen gemeinsam Aufgaben erfüllen. Dazu kooperieren sie nicht nur auf der physischen Ebene (z. B. beim Errichten eines Bauwerks), sondern auch bei der Planung der optimalen Aufgabenverteilung unter den Systemen. In einer solch dezentralen Kontrollarchitektur wirken die Systeme als Schwarm zusammen, dessen Größe flexibel an die jeweilige Aufgabe angepasst werden kann.

Humanoide Roboter

Erste Schritte

Heute: Dynamisch stabiles Gehen auf ebenem Untergrund

Zweibeinige Roboter bewegen sich im Vergleich zum Menschen noch sehr langsam und in kleinen Schritten, wobei sie häufig Korrekturen ihrer Bewegungen ausführen müssen. Sie lernen gerade, sich nach einem Sturz selbstständig wieder aufzurichten. Sie beherrschen das dynamische Gehen, beginnen also bereits während der Bewegung des vorschwingenden Beines ihr Gewicht in Richtung des Fußaufsetzpunktes zu verlagern.

Laufen Lernen

Morgen: Laufen in strukturierter Umgebung

Durch steigende Rechenleistung und bessere Algorithmen sowie effizientere Sensoren und Aktoren können humanoide Roboter den Übergang vom dynamischen Gehen zum Laufen vollziehen. Sie zeigen also zwischen dem Abheben des nacheilenden Beines und dem Aufsetzen des voreilenden Beines eine kurze Flugphase. Dies erlaubt in strukturierten Umgebungen mit vorwiegend ebenem und trittfestem Untergrund eine deutlich dynamischere Fortbewegung, sodass für kurze Strecken auch hohe Geschwindigkeiten erreicht werden können.

Über Stock und Stein

Übermorgen: Cross Running durch Wald und Flur

Die Verwirklichung des sicheren Laufens auf strukturiertem Untergrund schafft die Basis, um die größte Herausforderung bei humanoiden Robotern anzugehen: das Laufen auf unbefestigten Wegen und im Gelände. Hierzu muss die Bodenbeschaffenheit des vorausliegenden Terrains kontinuierlich klassifiziert werden (fest/weich, griffig/rutschig usw.). Entscheidend für ein stabiles Laufen auf unbefestigtem Terrain ist außerdem die Fähigkeit, die Laufbewegung beim Aufsetzen eines Fußes in Echtzeit zu korrigieren.

Autonomes Fahren/ Navigieren

Fahrerassistenzsysteme

Heute: Der Mensch fährt, das Fahrzeug unterstützt.

In Autos kommen Systeme zum Einsatz, die mit Hilfe von miniaturisierten Sensoren ein in Echtzeit aktualisiertes Lagebild der physischen Umgebung des Fahrzeugs erzeugen. Diese Informationen werden eingesetzt, um den Fahrer bei der Führung des Fahrzeugs zu unterstützen, sei es beim Parken, beim Spurhalten oder -wechseln oder bei Notbremsungen. Gerade auch bei widrigen Wetterbedingungen oder Nachtfahrten unterstützen Radar- oder Infrarot-Sensoren den Menschen.

Autonome Fahrzeuge

Morgen: Das Fahrzeug fährt, der Mensch überwacht.

Das Rollenverhältnis zwischen Fahrer und Fahrzeug kehrt sich um: das Fahrzeug führt sich weitgehend selbst und der Mensch greift nur dann in die Steuerung ein, wenn es die Situation erfordert. Der Bediener kann sich dabei an Bord des Fahrzeugs befinden oder in einer entfernten Steuerzentrale, von wo aus er z. B. einen autonomen Konvoi überwacht. Die Fahrzeuge kooperieren außerdem untereinander und tauschen Informationen aus, um z. B. vor vereisten Fahrbahnabschnitten zu warnen.

»Mobilität 4.0«

Übermorgen: Das Fahrzeug als mobiler Arbeitsraum.

Autonome Fahrzeuge verfügen über so ausgereifte Technologie, dass der Mensch zum reinen Passagier wird. Die Zeit an Bord kann so für andere Dinge genutzt werden, z. B. zum Schlafen oder Essen. Durch Informationsaustausch der Fahrzeuge untereinander wird die Streckenführung stets an die aktuelle Verkehrslage angepasst, sodass kein Stau entstehen kann. Auch in unwegsamem Gelände (hohes Gras, Gräben, Hindernisse auf der Fahrbahn usw.) erreicht das Fahrzeug sein Ziel.

Automatisierte Cyber Defence

Menschliche IT-Sicherheitsexperten

Heute: Zeitaufwändige Arbeit durch menschliche Spezialisten

Aktuell führen IT-Sicherheitsexperten den Großteil der wichtigen Aufgaben der Cyber Defence durch. Beispielsweise erfolgt die Entdeckung und Beseitigung von Sicherheitslücken in Software nicht vollständig automatisiert, sondern größtenteils manuell und dementsprechend zeitaufwändig durch menschliche Experten. Cyber-Angreifer nutzen vielfach unentdeckte Sicherheitslücken aus, um ihre jeweiligen Ziele zu erreichen.

Unterstützungssysteme

Morgen: Mensch und Computer agieren verstärkt im Team

IT-Systeme unterstützen zunehmend menschliche Experten bei der Entdeckung und Beseitigung von Software-Sicherheitslücken. Eine Möglichkeit hierzu besteht z. B. darin, dass IT-Systeme potenzielle Sicherheitslücken automatisiert finden und menschliche Experten daraufhin analysieren, ob und in welcher Form diese Sicherheitslücken durch einen Angreifer ausnutzbar sind. Derartige Unterstützungssysteme tragen dazu bei, den großen Bedarf an Fachkräften auf dem Gebiet der Cyber Defence zu verringern.

Cyber Reasoning Systems

Übermorgen: Mehr Sicherheit durch vollständig automatisierte Verfahren

Fortschritte in der künstlichen Intelligenz ermöglichen vollständig automatisierte IT-Systeme, die in der Lage sind, ohne menschliche Hilfe Sicherheitslücken in Software zu finden und anschließend zu beseitigen (Cyber Reasoning Systems). Auf diese Weise lassen sich Sicherheitslücken erheblich schneller entfernen. Dies ist insbesondere aufgrund der immer umfassenderen Verbreitung von miteinander vernetzten und dadurch potenziell angreifbaren IT-Systemen von großer Bedeutung.

Quantentechnologien & Kryptografie

Herkömmliche Kryptografie

Heute: Aktuelle kryptografische Verfahren sind durch Quantencomputer bedroht

Kryptografische Verfahren werden unter anderem eingesetzt, um die Vertraulichkeit von Informationen sicherzustellen. Allerdings könnten einige derzeit verwendete kryptografische Methoden durch zukünftige Quantencomputer geknackt werden. Solche Quantencomputer wären nämlich bei gewissen Aufgabenstellungen leistungsfähiger als klassische Computer, da sie quantenphysikalische Phänomene für die Informationsverarbeitung nutzen.

Post-Quantum-Kryptografie

Morgen: Neue kryptografische Verfahren schützen vor Quantencomputern

Verfahren der so genannten Post-Quanten-Kryptografie ersetzen zunehmend die durch Quantencomputer bedrohten herkömmlichen kryptografischen Methoden. Die Sicherheit der Post-Quanten-Kryptografie basiert dabei auf anderen mathematischen Aufgabenstellungen als herkömmliche kryptografische Verfahren, bei denen Quantencomputer keinen Vorteil gegenüber klassischen Computern besitzen.

Quanten-Internet

Übermorgen: Quantenkryptografie bietet zusätzliche Sicherheit

Zusätzliche Sicherheit vor Cyber-Angriffen beim Informationsaustausch bietet die verbreitete Nutzung von Kommunikationstechnologien basierend auf quantenphysikalischen Phänomenen (Quantenkommunikation). Ein derartiges Quanten-Internet verwendet für einen sicheren Informationsaustausch die sogenannte Quantenkryptografie. Diese gewährleistet, dass ein eventuelles Abhören einer Kommunikation aufgrund quantenphysikalischer Gesetzmäßigkeiten identifiziert wird.

Digitales Gefechtsfeld

Relativ wenig Sensorik und Informationstechnologie auf dem Gefechtsfeld

Heute: Eingeschränktes Situationsbewusstsein

Augenblicklich kommen auf dem Gefechtsfeld Sensoren und Informationstechnologie noch in einem eher geringen Umfang zum Einsatz. Daher ist das Situationsbewusstsein eines Soldaten zurzeit noch deutlich eingeschränkt. Beispielsweise sind ihm nicht zu jedem Zeitpunkt die aktuellen Positionen von eigenen und gegnerischen Kräften bekannt. Deshalb ist die angestrebte Informationsüberlegenheit gegenüber einem Gegner nur schwer zu erlangen.

Allgegenwärtige Sensorik  und neue Benutzerschnittstellen

Morgen: Gesteigertes Situationsbewusstsein

Die Durchdringung des Gefechtsfelds mit einer Vielzahl von miteinander vernetzten Sensoren erlaubt ein digitales Abbild des Gefechtsfelds. Dieses bildet zusammen mit einer automatisierten Informationsfilterung und neuartigen Benutzerschnittstellen eine wichtige Grundlage für ein optimiertes Situationsbewusstsein. So können z. B. mit Hilfe einer geeigneten Datenbrille Informationen direkt in das Sichtfeld eines Infanteristen eingeblendet und auf diese Weise eigene, gegnerische und zivile Kräfte unterschiedlich farblich markiert werden (Augmented Reality).

Militärische Entscheidungsunterstützungssysteme

Übermorgen: Verbessertes Bewusstsein für Handlungsoptionen

Die umfassende Digitalisierung des Gefechtsfelds u­nd Fortschritte in der künstlichen Intelligenz ermöglichen eine verbesserte technische Unterstützung von militärischen Entscheidungen, z. B. durch virtuelle Assistenten. Eine solche Entscheidungsunterstützung kann beispielsweise eine Abschätzung der potenziellen Reaktionen eines Gegners beinhalten. Dabei lässt sich auch das Bewusstsein für mögliche Entscheidungsoptionen verbessern, indem z. B. die verschiedenen Vor- und Nachteile unterschiedlicher Handlungsoptionen dargelegt werden.

Quantified Soldier

Leistungskontrolle und Self-Tracking

Heute: Digitale Selbstvermessung

Die Aufzeichnung und Auswertung von Aktivitätsmustern und Vitalwerten ist nicht länger auf den Profisport und die Medizin beschränkt, sondern durchdringt weite Teile der Gesellschaft. Ermöglicht wird dieses Self-Tracking durch tragbare Sensoren (Wearables) in Verbindung mit leistungsfähigen Smartphones und entsprechenden Apps. Diese geben beispielsweise Aufschluss über die Qualität des Schlafes oder dokumentieren die Dauer und Intensität von körperlichen Belastungen und leiten daraus den Kalorienverbrauch ab.

Integriertes Health Monitoring

Morgen: Selbst- und Ferndiagnostik

Ausgehend von Entwicklungen im medizinischen Bereich erweitern am oder im Körper getragene Sensoren (z. B. eSkin und EEG-Systeme bzw. Embeddables und Ingestibles) die Palette der messbaren Parameter dramatisch. Die Bestimmung der Cortisol-, Sauerstoff- oder Zuckerkonzentration im Blut, die Auswertung charakteristischer Hirnwellen und weitere Vitalwertanalysen ermöglichen so eine umfassende Überwachung der Körperfunktionen und erschließen wertvolle Selbst- und Ferndiagnosefähigkeiten.

Responsives Health Monitoring

Übermorgen: Unterstützte Selbstregulation

Das am und im Körper getragene Sensornetz wird um Effektorelemente ergänzt, beispielsweise in Form von implantierten Wirkstoffdepots oder Stimulationselektroden. In Einzelfällen erlaubt dies eine unmittelbare Einleitung von medizinischen Gegenmaßnahmen in Reaktion auf ein gesundheitliches Problem, etwa durch die Freisetzung von Schmerzmitteln oder durch die kontrollierte Modulation der neuronalen Aktivität.

Exoskelette

Motorisierte Stütz- und Hilfsstrukturen

Heute: Therapie und Prophylaxe

Ganz- oder Teilexoskelette werden vereinzelt eingesetzt, um gehbehinderten Menschen das Laufen zu ermöglichen oder die Mobilität älterer Menschen zu erhalten. Ziel erster industrieller Anwendungen ist es, arbeitsbedingten Belastungsschäden und Erkrankungen des Bewegungsapparats vorzubeugen. Dabei wird die Beweglichkeit der gesunden Nutzer allerdings eingeschränkt. Die Energieversorgung erfolgt ortsgebunden über Stromkabel oder batteriebetrieben mit geringen Laufzeiten.

Kraftverstärkende Roboteranzüge

Morgen: Schweres Gerät für Spezialeinsätze

Im militärischen Bereich, der Industrie und Logistik sowie im Katastrophenschutz werden schwere Ganzkörper-Exoskelette – ggf. mit Schutzfunktion – für spezielle Aufgaben genutzt (z. B. Verladen von Gütern, Bergung von Verschütteten). Fortschrittliche Sensoren und Aktoren gewährleisten eine flüssige Steuerung und signifikante Kraftverstärkung, die Agilität und Fortbewegungsgeschwindigkeit des Trägers sind aber eingeschränkt.

Multifunktionsanzüge

Übermorgen: Leichte Kampfrüstung

Die Kombination von individuell geformten Rahmenelementen, aktiven und passiven Kraftverstärkern, fortschrittlichen Energiespeichern, smarten Textilien und anderen Komponenten kulminiert in vergleichsweise leichten Exoskeletten, welche dem Träger nahezu uneingeschränkte Bewegungsfreiheit gestatten (z. B. Sprung in Deckung). Die kraftsteigernden Eigenschaften können so durch ballistischen Schutz, adaptive Tarnung oder Kühl- und Heizelemente ergänzt werden.

Brain-Computer Interfaces

Eine neue Form der Interaktion

Heute: Mühsame Maschinensteuerung

Brain-Computer Interfaces (BCIs) etablieren sich im therapeutischen und rehabilitativen Kontext. Dort eröffnen sie schwerbehinderten Menschen neue Wege, mit ihrer Umwelt zu interagieren und ein höheres Maß an Selbstständigkeit zu erlangen. Die Systeme sind allerdings langsam, umständlich und ungenau, sodass sie für gesunde Nutzer kaum attraktiv sind. Dennoch nimmt auch die Entwicklung solcher nicht-medizinischen BCIs langsam Fahrt auf (beispielsweise für Gaming-Anwendungen).

Elektronisches Gedankenlesen

Morgen: Intuitive Eingabeschnittstellen

Neue Technologien und Methoden zur (nicht-invasiven) Erfassung und Klassifikation von neuronalen Signalen ebnen den Weg für eine schnellere und intuitivere mentale (als sprach- und gestenlose) Computer- bzw. Maschinensteuerung. Diese ist konventionellen Eingabegeräten wie Tastatur, Maus oder Joystick in vielen Bereichen bereits überlegen und stellt somit auch für gesunde Nutzer eine Möglichkeit der Leistungsverbesserung dar.

Neurodigitale Verschmelzung

Übermorgen: Nahtlose Integration

Die Kombination von fortschrittlichen Elektrodentypen erlaubt einen bidirektionalen Informationsfluss: Vorstellungen, Gedanken und mentale Bilder können mittels BCI aus dem Gehirn ausgelesen, aber auch dort hineinprojiziert werden. Dies eröffnet nahezu unbegrenzte Möglichkeiten, von der computervermittelten Hirn-zu-Hirn-Kommunikation bis hin zum Eintauchen in „Traumrealitäten“ à la Matrix.

New Space

Private Akteure auf dem Weg ins All

Heute: Private Akteure bauen zuverlässige Trägersysteme für den Transport ins All

Schon seit 2010 vergeben US Weltraumagenturen Transportaufträge verstärkt an privatwirtschaftliche AkteureHohe Investitionen und damit verbundene Entwicklungsaufträge für Raumfahrtträgersysteme werden seitdem zunehmend an private Anbieter vergeben. Ein erstes wiederverwendbares System wurde beispielsweise mit der Trägerrakete Falcon 9 von SpaceX demonstriert. Dadurch kann bereits heute die unbemannte Versorgung der Internationalen Raumstation (ISS) aus den USA durch private Akteure sichergestellt werden.

Private Akteure auf dem Weg ins All

Morgen: Private Akteure als zuverlässige Partner im All

Private Akteure sind in der Lage, unter Führung der großen Weltraumagenturen bemannte Raummissionen durchzurühren. Infrastrukturen im All werden zunehmend von privaten Akteuren mitfinanziert.

Private Akteure auf dem Weg ins All

Übermorgen: Unternehmen beherrschen den Zugang zum All und seinen Rohstoffe

Es hat sich eine für alle Beteiligten gewinnbringende Weltraumwirtschaft und -industrie entwickelt, die in enger Kooperation mit staatlichen Einrichtungen arbeitet. Staatliche Organisationen übernehmen die Reglementierung und „schaffen Ordnung“ im Weltraum, während private Akteure durch immer verbesserte Systeme einen ständigen und kostengünstigen Zugang ins All ermöglichen. Neue Industrien wie Rohstoffgewinnung von Asteroiden und Zwergplaneten oder Weltraumtourismus sind entstanden.

Space Debris Removal

Die Zukunft des Weltraumschrotts

Heute: Zunehmender Weltraumschrott bedroht den Zugang zum All

Aktuell kreisen in den Erdorbits unkontrolliert mehr als 20.000 Objekte, die mindestens einen Durchmesser von zehn Zentimetern besitzen. Dabei handelt es sich beispielsweise um ausgebrannte Raketenstufen, defekte Satelliten oder Trümmerteile. Dieser Weltraumschrott behindert zunehmend den Zugang zum All und gefährdet aktuelle Weltrauminfrastrukturen und Raummissionen.

Die Zukunft des Weltraumschrotts

Morgen: Verbindliche Verpflichtungen zur Schrottvermeidung und Selbstentsorgung

Der zunehmende Weltraumschrott sorgte mehrmals für kritische Situationen im Bereich der Satellitenkommunikation, Navigation und der Erdbeobachtung. Deshalb wurden die zunächst noch freiwilligen Verpflichtungen der Weltraumagenturen zur Vermeidung von Weltraumschrott weltweit verbindlich geregelt. Dies betrifft insbesondere private Akteure, die ebenfalls sicherstellen müssen, dass alle ins All beförderten Systeme nicht zusätzlich zu neuem Weltraumschrott beitragen bzw. keinen weiteren Weltraumschrott verursachen und sich nach Ende ihrer Lebenszeit selbständig entsorgen (z.B. durch Verglühen in der Atmosphäre).

Die Zukunft des Weltraumschrotts

Übermorgen: Active Debris Removal

Die verbindlichen Verpflichtungen zur Schrottvermeidung sind nicht mehr ausreichend in Bezug auf den stetig zunehmenden Raumverkehr und die weiter wachsende Weltrauminfrastruktur. Eine gemeinsame Agentur staatlicher und privater Akteure hat daher mehrere Raumsonden entwickelt, die Weltraumschrott einfangen können, um sie anschließend in der Erdatmosphäre verglühen zu lassen, auf Friedhofsorbits abzustellen oder auch recyceln zu können.

Raumfahrtinfrastrukturen und terrestrische Alternativen

Der Preis bestimmt

Heute: Fernsehsatelliten finanzieren die Raumfahrt

Eine wichtige Rolle bei der Finanzierung von Transporten wissenschaftlicher Satelliten spielt heutedie Medienindustrie. Offene Frachtkapazitäten beim Transport von Fernsehsatelliten ins All ermöglichen beispielsweise den relativ günstigen Begleittransport von Forschungsinstrumenten für gänzlich staatlich finanzierte wissenschaftliche Experimente.

Der Preis bestimmt

Morgen: Klassisches Satellitenfernsehen ist Geschichte, der Satellitenmarkt bricht ein

Durch die zunehmende Digitalisierung wird das Fernsehen über Satelliten zunehmend unattraktiver und die Menschen nutzen nur noch internetbasierte on-demand Dienste, was durch terrestrische Glasfaserverbindungen sichergestellt wird. Der Markt für klassische Fernsehsatelliten bricht dadurch ein und wissenschaftliche Weltraummissionen werden durch das gesunkene Angebot erheblich schwieriger zu finanzieren. Viele Forschungsgruppen können sich diese Kosten nicht mehr leisten, sodass bestimmte wissenschaftlich interessante Fragestellungen nicht mehr beantwortet werden können, insofern keine terrestrischen Alternativen vorhanden sind.

Der Preis bestimmt

Übermorgen: Sichere Internet-Satellitenverbindungen als neuer Markt

Der Wegfall der Fernsehsatelliten führte zur Veränderung der Kundenstruktur. Nach einer kurzen Phase der Neuordnung sind nun vor allem Anbieter sehr sicherer Internetverbindungen an Transportkapazitäten in den Orbit interessiert. Deren Kunden nutzen solche Verbindungen vor allem zur sicheren Übertragung sensibler Unternehmensdaten, da konventionelle  terrestrische Verbindungen zu unsicher bzw. nicht ausreichend abgesichert sind.