Die interaktive Technologiegalaxie

Informationstechnologie

Quantenunterstützte Kommunikation

Quantenunterstützte Kommunikation, insb. die Entanglement-Assisted Communication, erlaubt es sowohl, die pro Zeiteinheit über herkömmliche Kommunikationskanäle fehlerfrei übertragbare Menge an klassischer Information signifikant zu erhöhen, als auch die Einschränkungen zu umgehen, welche die klassische Physik herkömmlichen Systemen zur verdeckten Kommunikation auferlegt. Dies ermöglicht prinzipiell eine verdeckte und quantensichere, also praktisch nicht abhör- und aufklärbare drahtlose Kommunikation im Radiofrequenz- und Mikrowellenbereich.

Human-in-the-Loop Machine Learning

Human-in-the-Loop Machine Learning ist ein maschinelles Lernverfahren, bei dem Menschen aktiv in den Entscheidungsprozess eingebunden werden. Durch menschliches Feedback lernt die KI, relevantere und genauere Vorhersagen zu treffen und sich zu korrigieren. Die KI lernt sich in Echtzeit an dynamische Umgebungen anzupassen. Durch die Kombination von menschlichem Wissen und KI werden bessere Entscheidungen bei Kontextabhängigkeit und Komplexität möglich. Zudem wird durch die menschliche Interaktion die KI transparenter, da Menschen im Prozess involviert sind und direkt Einfluss nehmen.

Automatisierte Erkennung von KI-generierten Inhalten

Mit Hilfe von Verfahren aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz (KI) lassen sich mittlerweile sehr realistisch wirkende Inhalte, wie z. B. Bilder, Videos oder Texte, künstlich erzeugen. Generell könnten von KI-Systemen generierte Inhalte unter anderem dazu genutzt werden, um die öffentliche Meinung durch gezielte Falschinformationen zu manipulieren. Beispielsweise könnten mit Hilfe von KI in einem deutlich größeren Umfang als bisher Falschinformationen in Form von Beiträgen für soziale Medien erzeugt werden.

Werkstoffe

Antiadhäsive Oberflächen

An antiadhäsiven Oberflächen wird das Aneinanderhaften von Grenzflächen minimiert oder verhindert. Oberflächen mit einem antiadhäsiven Charakter sorgen beispielsweise für Reibungs- und Verschleißminderung oder dienen dem Schutz vor Verunreinigungen an sensiblen Bauteilen, z. B. in der Elektronik, Optik oder Sensorik. Sie können sich auch positiv auf die Leistung und Energieeffizienz sowie die Lebensdauer mechanischer Systeme wie Lager, Getriebe und Motoren auswirken oder aber auf die Erhaltung funktionaler Eigenschaften von Komponenten, für die eine hohe Oberflächengüte Voraussetzung ist.

Melanin-basierte Materialien

Melanine finden aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften, wie z. B. Paramagnetismus, Radikalfänger-Eigenschaften, Breitbandabsorption und elektrische Leitfähigkeit, Anwendungen in vielen unterschiedlichen Bereichen. Die Eigenschaften werden dabei dem supramolekularen Aufbau der Partikel zugeschrieben. Melanin-basierte Materialien können sowohl im medizinischen Bereich (z. B. antibakterielle Wirkung, Strahlenschutz) als auch in den Materialwissenschaften, beispielsweise für zukünftige funktionelle Polymermaterialien, in organischer Elektronik oder für Funktionskleidung, Anwendung finden.

CAN – Covalent-adaptable networks

CAN sind Polymermaterialen, die duroplastischen Kunststoffen (Duroplasten) sehr ähnlich sind. Sie unterscheiden sich jedoch von Duroplasten durch den Einbau einer sog. dynamischen kovalenten Chemie in das Polymernetzwerk. Wenn ein Reiz (z. B. Wärme, Licht, pH-Wert usw.) auf das Material einwirkt, werden die dynamischen Bindungen aktiviert, so dass das Polymernetzwerk seine innere Struktur ändern kann. Dies ermöglicht die Umformung, (Wieder-)Verarbeitung und das Recycling duroplastähnlicher Materialien.

Energie

Passive Strahlungskühlung

Bei der passiven Strahlungskühlung werden Objektoberflächen unter die Umgebungstemperatur ohne zusätzlichen Energieeinsatz abgekühlt. Dazu wird die natürliche Wärmeabstrahlung von Objekten im Infrarotbereich ausgenutzt, z. B. durch die Abstrahlung von Wärme im sogenannten atmosphärischen Fenster, also die Nutzung des kühlen Weltalls als Wärmesenke. Neue Schichtaufbauten von Materialien ermöglichen nun auch eine Nutzung dieser Technologie tagsüber unter Sonneneinstrahlung. Dazu werden unterschiedliche Materialien kombiniert, die einerseits möglichst viel Sonnenlicht reflektieren und andererseits sehr effektiv Wärme abstrahlen.

Thermoradiative Cells

Bei den thermoradiative Cells handelt es sich in gewisser Weise um »umgekehrt funktionierende Solarzellen«. Die Stromerzeugung erfolgt durch Emission statt durch Absorption von Strahlung. Dabei ist eine Ausrichtung auf eine kältere Umgebung nötig, um insgesamt mehr Wärmestrahlung aussenden als aufnehmen zu können. Eine Montage auf dem Boden oder Dächern mit Ausrichtung ins Weltall kann theoretisch ein Zehntel der Leistung gleich großer Solarzellen erreichen. Durch die Nutzung von Abwärme (Motoren, Generatoren, Brennstoffzellen etc.) können Leistungsdichten vergleichbar mit Solarzellen erreicht werden.

Direct Recycling

Angesichts des bevorstehenden großen Entsorgungsproblems für verbrauchte Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) ist die Entwicklung von Recyclingtechnologien für diese Batterien von entscheidender Bedeutung. Das direkte Recycling zielt darauf ab, die Batteriematerialien zu »reparieren«, anstatt sie zu zerlegen und wertvolle Produkte aus ihren Komponenten zu gewinnen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist ein tiefgreifendes Verständnis der Versagensmechanismen von verbrauchten LIB-Elektrodenmaterialien unerlässlich.

Power Beaming

Power Beaming ist eine vielversprechende Technologie zur drahtlosen Energieübertragung durch gerichtete elektromagnetische Strahlung, wie Laserstrahlung oder Mikrowellen, von einem Sender zu einem Empfänger über große Entfernungen. Das Interesse an einer Umsetzung des Power Beaming nimmt durch das Potenzial einer flexiblen Energieversorgung batteriebetriebener mobiler Systeme zur Erhöhung ihrer Reichweite und schwer zugänglicher Ortschaften immer weiter zu. Eine Anwendung könnte z. B. die Energieversorgung von Satelliten und Raumfahrzeugen durch weltraum-gestützte Solarenergie, bekannt als Space-Based Solar Power, sein.

Lebenswissenschaften/Medizin

Photopharmazeutika

Bei Photopharmazeutika handelt es sich um Wirkstoffe, die durch Licht aktiviert und deaktiviert werden können. Die Vorteile von Photopharmazeutika sind z. B. die Möglichkeit der zeitgenauen Aktivierung und Deaktivierung des Wirkstoffes. Zudem können sehr lokale Wirkungen erzielt werden, wodurch Nebenwirkungen und Resistenzen verringert werden können. Typische Einsatzgebiete sind entzündungshemmende oder schmerzlindernde Medikamente, aber auch Wirkstoffe, die z. B. zu einer zeitgenauen Leistungssteigerung führen sollen, ohne typische unerwünschte Off-Target-Effekte hervorzurufen.

Blutersatzprodukte

Die Verfügbarkeit von Blutprodukten (insbesondere für seltene Blutgruppen) ist z. B. durch unterschiedliche Faktoren oft eingeschränkt, was häufig zu Engpässen in der Versorgung führt. Daher ist die synthetische Herstellung von Blutbestandteilen, die Modifikation von zellulären Blutbestandteilen (zur Vermeidung der Notwendigkeit einer Blutgruppenkompatibilität), die spenderunabhängige Gewinnung von Blutbestandteilen im Labor (»Blood Pharming«) sowie die Verlängerung der Haltbarkeit von Blut- und Blutersatzprodukten von großem Interesse und hat in den letzten Jahren aus technologischer Sicht große Fortschritte gemacht.

Nanotherapeutika

Nanomaterial-basierte Therapeutika besitzen Vorteile gegenüber herkömmlichen Medikamenten und insbesondere Antibiotika. So können sie beispielsweise direkt ins Zellinnere eindringen, zudem sind sie breiter einsetzbar und sind sowohl gegen Bakterien als auch gegen Viren nutzbar. Interessant sind sie auch als therapeutische Maßnahmen gegen multiresistente Keime und in der Impfstoffentwicklung. Des Weiteren könnten sie als blutstillende oder entzündungshemmende Medikamente und zur Beschleunigung der Wundheilung angewendet werden. Darreichungsformen umfassen Nanocarrier, Nanoschwämme und Nanozyme.

Ionotronics

In ionotronischen Systemen werden elektrische Ströme von gerichteten Ionenbewegungen getragen. Im Fokus der Forschung stehen sogenannte Ionogele, die sich durch eine gute Leitfähigkeit, eine hohe Elastizität und Verformbarkeit, Selbstheilungsvermögen, Transparenz und Biokompatibilität auszeichnen. Das Leitungsprinzip ähnelt der Erregungsleitung in biologischen Systemen.

Robotik

Social Robot Navigation

Die Navigation von Robotern und anderen unbemannten Systemen ist einerseits ein physisches Problem (Kollisionsvermeidung). Andererseits ist sie im öffentlichen Raum aber auch ein Problem sozialer Interaktion zwischen Menschen und Maschinen untereinander. Socially Aware Navigation bzw. Social Robot Navigation befasst sich daher mit Mensch-Roboter-Interaktion, Roboter-Design, Psychologie und Soziologie (Crowd-Robot Interaction, Crowd-Robot Navigation). Unbemannte Systeme und Roboter sollen so gestaltet werden, dass sie bei der Bahnplanung menschliches Verhalten und akzeptierte Interaktionsformen berücksichtigen (z. B. Social Force Model).

Semantic Offroad Navigation

Die autonome Navigation in strukturierter/urbaner Umgebung (Straßen, Gebäude usw.) ist heute bereits gut darstellbar. Hierbei nutzen die Systeme eine digitale Karte und Methoden zur Selbstlokalisierung. Im Offroad-Bereich ist das in Echtzeit so nicht möglich. Daher müssen autonome Offroad Systeme eine Beurteilung der Befahrbarkeit durch geometrische und semantische Analysen eigener Sensordaten (Semantic Mapping, Visual Navigation, Experiential Learning) vornehmen. Typische Probleme sind dabei nachgiebige Böden und Objekte (hohes Gras, auskragende Objekte) oder verdeckte Gräben.

Origami Robotics

Bei Origami-Robotics wird das Prinzip von Origami- bzw. Kirigami-Mechanismen für das Design von Robotern genutzt. Dadurch können sowohl die Produktion als auch der Transport vereinfacht werden. Origami-Mechanismen erlauben außerdem eine weitgehende Automatisierung der Produktion, was die Kosten zusätzlich reduziert. Da die Roboter im Anschluss an die Fertigung in kompakter, z. B. in planarer oder Würfel-Form vorliegen, kann der Transport extrem optimiert werden. Die so erhaltenen Roboter sind zudem an bestimmte Situationen anpassbar und können beispielsweise bei unvorhergesehenen Ereignissen oder neuen Anforderungen ihre Form verändern.

Raumfahrt

Nukleare Raumfahrtantriebe

Bei nuklearen Raumfahrtantrieben wird Kernenergie als primäre Energiequelle zur Erzeugung des Schubs von Raketentriebwerken genutzt. Ein Kernreaktor als Wärmequelle kann entweder die erzeugte Wärme direkt zur Expansion eines Treibstoffs zu nutzen oder sie in elektrische Energie zur Schuberzeugung (z. B. Ionenantrieb) umwandeln. Grundsätzlich kommen für diesen Prozess sowohl die Kernspaltung als auch die Kernfusion in Frage. Dadurch werden enorme Reichweiten bzw. Ausdauern (Wochen, Monate) möglich, die mit anderen Triebwerken so nicht zu erreichen sind, und erhebliche Verkürzungen von Flugzeiten ermöglichen.

Fractionated Spacecraft

Das Konzept der Fractionated Spacecraft erlaubt die Aufteilung von Funktionen einer herkömmlichen, monolithischen Satellitenarchitektur auf mehrere, räumlich separierte Module. Jedes Modul innerhalb des Netzwerks besitzt dabei eine spezifische Funktion wie z. B. Energieversorgung, Kommunikation, Navigation oder Sensorik. Das Interesse für das Konzept steigt durch die Umsetzung von Megakonstellationen aus Kleinsatelliten. Vorteile solcher Systeme sind u. a. flexibel an spezifische Anforderungen der Mission angepasste Konfigurationen, eine erhöhte Leistungsfähigkeit und Ausfallsicherheit durch Redundanzen sowie eine effiziente Skalierbarkeit und Kostenminimierung von der Entwicklung bis hin zum Betrieb.

NTN – Non Terrestrial Networks

Nicht-terrestrische Netze (NTN) sind drahtlose Kommunikationssysteme, die oberhalb der Erdoberfläche betrieben werden und Satelliten in einer niedrigen (LEO), mittleren (MEO) und einer geostationären Umlaufbahn (GEO) sowie hoch gelegene Plattformen (HAPS) und Drohnen umfassen. Im Gegensatz zu herkömmlichen terrestrischen Netzen, die sich auf eine bodengestützte Infrastruktur stützen, nutzen NTN weltraumgestützte und luftgestützte Ressourcen, um Konnektivität zu bieten, insbesondere in abgelegenen und unterversorgten Gebieten. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der globalen Kommunikationsabdeckung und sind ein wesentlicher Bestandteil des 5G- und künftigen 6G-Ökosystems.