Der deutschsprachige TV-Sender
für Wissenschaft und Technologie
Gewählte Kategorie Maschinenbau
Dem Kofferfisch abgeschaut
Beitrag
Autohersteller folgen dem aerodynamischen Vorbild der Natur
Das aerodynamische Verhalten ist für Flugzeuge wie für Automobile ein wichtiger Parameter. Es beeinflusst neben dem Gewicht des Fahrzeugs den Energieverbrauch maßgeblich. Schon 2005 entwickelte Daimler ein frühes bionisches Konzeptfahrzeug, das dem Kofferfisch nachempfunden ist. Obwohl scheinbar plump, zeigt der Kofferfisch sensationelle Strömungseigenschaften.
Lernen vom Vorbild der Natur: Was den Kofferfisch mit seiner kantigen Form auszeichnet und ihn für Autobauer besonders interessant macht:
- das optimale Verhältnis von Oberfläche zu Volumen
- maximale Steifigkeit bei minimalem Gewicht
- ein außergewöhnliches Strömungsverhalten.
Das Bionic Car von Daimler ist nur ein einziges Mal gebaut worden, dennoch zeigt das frühe Beispiel, dass auch Ingenieure des Fahrzeugbaus von der Natur viel lernen können. Sie erzielten mit dem originalgetreuen Modellnachbau des Kofferfisches im Windkanal einen geradezu fabelhaften Luftwiderstandsbeiwert von nur 0,06. Zum Vergleich: Herkömmliche Autos haben heute einen Wert, der bei 0,3 liegt.
Das Konzept-Auto Bionic Car von Daimler ist über ein einziges gebautes Exemplar nicht hinaus gekommen. Immerhin hat Daimler in Zusammenarbeit mit Bionik-Experten im Zuge dieser Forschungen auch ein eigenes rechnergestütztes materialwissenschaftliches Verfahren entwickelt. Es überträgt das Wachstumsprinzip der Biologie in die Konzeption von Autos. Ingenieure einiger bekannter Automarken lassen heute Karosserie- oder Fahrwerkskomponenten am Rechner wachsen. Bereiche mit geringer Belastung sind dünner gestaltet oder sogar völlig herausgeschnitten, hoch beanspruchte Stellen werden dagegen gezielt verstärkt. Die Grundlagen dieser Methode stammen von dem Biomechaniker Prof. Dr. Claus Mattheck. Schon in den achtziger Jahren hat er Bäumen abgeschaut, wie man mit minimalem Materialaufwand maximale Stabilität erzielen kann. Diese Erkenntnisse hat er später in ein Computerprogramm für die Optimierung von Bauteilen eingearbeitet.
In der CAD-Welt bezeichnet man dieses Verfahren mit dem Terminus „Soft Kill Option“ oder auch mit dem Begriff „Topologieoptimierung“. Es wird für die Entwicklung von Elektrofahrzeugen zunehmend an Bedeutung gewinnen. Die geringe Reichweite heutiger Batterien erfordert es, dem Gewicht von Fahrzeugen besondere Beachtung zu schenken – ohne Zugeständnisse bei der Fahrsicherheit.
© mce mediacomeurope GmbH 2011
Deutschland macht e-mobil
Beitrag
IAA 2011 als Urknall des deutschen Elektroautos 2.0
Deutsche Automobil-Hersteller sind, dank gewaltiger öffentlicher Fördermittel, auf den Geschmack der Elektromobilität gekommen. Auf der diesjährigen Internationalen Automobil-Ausstellung in Frankfurt konnte man bei den großen deutschen Marken von Audi über BMW bis Daimler auf Entdeckungstour gehen.
“Urban Concept” und “Smart forvision” – zwei Beispiele groß angelegter deutscher Konzeptautos von Audi und Daimler – wurden auf der Internationalen Automobilausstellung 2011 erstmals präsentiert. Schon heute sind amerikanische und asiatische Hersteller mit Elektroautos auf dem Markt, die deutsche Autoindustrie ist also spät dran, will aber jetzt verlorenes Terrain wieder wettmachen. Und das, obwohl das Elektroauto einst eine ureigene deutsche Domäne war, fuhren doch schon Anfang des 20. Jahrhunderts Elektromobile aus deutscher Produktion auf den Straßen, darunter aus der Entwicklungsabteilung des großen Pioniers der Elektrotechnik, Werner von Siemens. Auch dieser Konzern entsinnt sich seiner Historie und will wie RWE in dieses zukunftsträchtige Autosegment einsteigen.
Unterstützt wird die deutsche Industrie dabei von der Bundesregierung, die mit vier Milliarden Euro die Elektromobilität zum Leitmarkt entwickeln will. Auch in den Ländern steht das Elektroauto 2.0 hoch im Kurs – allen voran Nordrhein-Westfalen. Im Masterplan NRW mit Kompetenzzentren in Aachen (Fahrzeugtechnik und Produktion), Dortmund (Netze und Infrastruktur) sowie Münster (Batterietechnik) liegt eine dreistellige Millionensumme für Förderung von Forschung und Entwicklung bereit. Mit ihr soll auch der einschlägige universitäre Nachwuchs herangezogen werden.
Noch kann man deutsche E-Autos nicht kaufen, aber Daimler will schon 2012 mit dem Elektro-Smart das erste deutsche Serienauto mit Elektromotor auf den Markt bringen. Für 2013 ist dann mit mehreren Elektrofahrzeugen aus deutscher Produktion zu rechnen.
© mce mediacomeurope GmbH 2011
SHEFEX mit scharfer Kante statt rundem Profil
Beitrag
Neue Technologie für wieder verwendbare Raumflugkörper im Test
Die Ära des Space Shuttle ist im Juli 2011 zu Ende gegangen. Die Zukunft wieder verwendbarer Raumgleiter ist ungewiss. In der DLR wird derzeit eine neue Technologie erprobt, die auf scharfe Flügelkanten setzt. Sie sollen bessere Wärmeleitfähigkeit besitzen. Die ersten Tests musste Shefex als Flugmodell im Göttinger Windkanal der DLR bestehen. In Kürze soll das zweite SHEFEX-Flugexperiment starten.
Der Hitzeschild der Raumgleiter hatte die Aufgabe, die beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre entstehende Hitze möglichst effektiv an die Umgebung abzugeben. Die wieder verwendbaren Kacheln bestanden aus hochporösen Keramikfaser-Werkstoffen, die durch Sintern gebunden sind. Sie trugen eine dichte, temperaturbeständige dünne Deckschicht aus Borsilikat. Jede der rund 30.000 Kacheln eines Transporters entstand in Handarbeit – einzeln gefertigt und gebrannt. Dennoch war der Hitzeschild des Raumgleiters störanfällig.
Nach dem Ende der Ära des Space Shuttle sehen bei der NASA wieder verwendbare Raumgleiter einer unbestimmten Zukunft entgegen. Auch die ESA hat ihren früheren Plan, einen wieder verwendbaren Raumgleiter für den Astronauten-Transport zu bauen, wieder verworfen. Dennoch arbeiten europäische Ingenieure an Technologien für wieder verwendbare Transportsysteme. Darunter auch das Konzept SHEFEX für SHarp Edge Flight EXperiment, ein Projekt, das im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR 2005 startete.
Während bisherige Raumfahrzeuge eine abgerundete Außenhaut besitzen, ist SHEFEX mit scharfen Kanten ausgerüstet. Sie sollen den Wiedereintritt in die Erdatmosphäre billiger, sicherer und flexibler machen. Die ersten Tests musste Shefex als Flugmodell im Göttinger Windkanal der DLR bestehen. In der Testanlage entstehen dabei Temperaturen von fast 5000 Grad Celsius – die Temperatur an der Oberfläche unserer Sonne. Das Szenario simuliert den Wiedereintritt des Raumfahrzeuges in die Erdatmosphäre in einer Höhe von etwa 35 Kilometern. Die Testergebnisse im Windkanal zeigen: Die scharfen Kanten von SHEFEX leiten die Wärme besser ab als runde Profile.
Anfang 2012 soll nun nach 2005 eine weitere SHEFEX-Rakete zum Experimentalflug starten – von einer mobilen Abschussrampe, die in Norwegen aufgestellt ist.
© mce mediacomeurope GmbH 2011
Riesenmagnete bringen Teilchen auf Touren
Beitrag
KIT entwickelt supraleitende Hochfeldmagnete für NMR-Spektroskopie
In Teilchenbeschleunigern analysieren Physiker die kleinsten Bausteine der Welt. Immer sind es gewaltige Magnete, die die Teilchen im Vakuum auf annähernd Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Am Institut für Technische Physik im KIT hat man mit der Entwicklung geeigneter supraleitender Hochfeldmagnete für die Grundlagenforschung, wie sie etwa im CERN vorangetrieben wird, eine wichtige Voraussetzung geschaffen.
Inzwischen gibt es neue Einsatzfelder, in denen diese in Teilchenbeschleunigern erzeugte Strahlung, die sogenannte Synchrotronstrahlung, nicht nur “Selbstzweck” für die physikalische Analyse der darin entstandenen Elementarteilchen ist. Sie kann für unterschiedliche Anwendungen im Bereich der Material- und Werkstoffforschung, ja sogar der Biologie herangezogen werden. Immer dient die hochenergetische Strahlung zur “Durchleuchtung” von Materie im Allerkleinsten, wo herkömmliche Methoden versagen, also im Mikro- oder Nanobereich.
Bei der Synchrotonstrahlung handelt es sich um laserartig fokussierte Strahlung. Sie interagiert mit den Atomen des untersuchten Materials. Mit Hilfe der Kernspinresonanz-Spektroskopie, kurz NMR für nuclear magnetic resonance, lassen sich deren Strukturen im subatomaren Bereich visuell sichtbar machen und analysieren.
Im Institut für Technische Physik des KIT hat man die Entwicklung der hochenergetischen Synchrotronstrahlung mit der Konzeption und dem Bau solcher Hochfeldmagneten seit dreißig Jahren begleitet und maßgeblich mit gestaltet. Der Beitrag stellt die Arbeit der Wissenschaftler und Ingenieure in diesem Teilgebiet vor und zeigt, wie in Coproduktion mit einem Industriepartner hochwertige Serienprodukte für solche Anwendungen entstehen.
© Karlsruher Institut für Technologie KIT 2010
ARMAR III. – Haushaltshilfe der Zukunft
Beitrag
Das KIT entwickelt einen Serviceroboter, der den Menschen imitiert
Wie können Roboter lernen? Diese Frage beschäftigt Ingenieure, Informatiker und Physiker am Institut für Anthropomatik des KIT seit 1999. Sie wollen den Service-Roboter der Zukunft entwickeln – mit komplexen wahrnehmenden und motorischen Fähigkeiten.
Die wissenschaftlichen Arbeiten haben verschiedene Schwerpunkte, darunter als zentrale Entwicklungsaufgabe das Lernen der Roboter durch Imitation. Hierfür stehen unterschiedliche Methoden zur Verfügung. Dabei will man die biologischen Mechanismen des Menschen in der Entwicklung humanoider Roboter mit berücksichtigen. Durch die mechatronische Umsetzung lernen die Wissenschaftler als „Abfallprodukt“ mehr über die kognitiven Prozesse der Informationsverarbeitung im menschlichen Gehirn.
ARMAR werden auch sogenannte Bewegungsprimitive beigebracht, wobei der Roboter den Bewegungsablauf anhand von charakteristischen Schlüsselpunkten selbständig erlernt. Zeigt ihm der menschliche Lehrer einen Vorgang mehrere Male, dann erkennt er durch den Vergleich der visuell beobachteten Daten Schlüsselpunkte für die Bewegung im Raum. Im Gedächtnis von ARMAR sind sämtliche Bewegungsprimitive als eine Art Bewegungsbibliothek abgelegt. Damit kann der humanoide Roboter komplexe Aufgaben in kleine Teilaufgaben herunterbrechen und dann anhand der Speicherdaten selbständig einen Plan zur Lösung der Aufgabe entwickeln.
Weitere Forschungsschwerpunkte mit ARMAR sind auch die Sensorik sowie die Motorik – vor allem das Greifen von Gegenständen mit der erforderlichen filigranen Kinematik einer mechatronischen Hand. Grundvoraussetzung für autonomes Handeln des Roboters ist die komplexe Koordination der motorischen Fähigkeiten einserseits mit der Sensorik und der daraus resultierenden visuellen Wahrnehmung der eigenen Umwelt. Nur mit dieser permanenten Interaktion können Handlungen korrekt ausgeführt werden.
Die am KIT geleistete Forschungsarbeit hat inzwischen schon zu mehreren Generationen von Robotern geführt. Das neueste Modell – ARMAR III. – besitzt nicht nur im deutschen Vergleich außergewöhnliche Fertigkeiten. Die Reportage zeigt, wie er lernt und was er schon kann.
© mce mediacomeurope GmbH 2011
Mit car-to-x zu mehr Sicherheit im Verkehr
Beitrag
Ringen um Standards für den Datenaustausch zwischen Fahrzeugen
Staus auf den Straßen – der triste Alltag vieler deutscher Autofahrer. Geht es nach den Verkehrsvisionären, wird die elektronische Intelligenz im Automobil die Staugefahr sowie Gefahrenpotenziale für den Fahrzeuglenker bald reduzieren. Noch weiter in die Zukunft reicht das Konzept der Vernetzung von Fahrzeugen untereinander, die den Verkehr damit aktiv steuern können.
Der Terminus technicus für solche Forschungsarbeiten: „Car-to-X-Kommunikation“.
Sensorik über Video, Laser und Lidar erlaubt Fahrzeugen schon heute, die Umwelt in begrenztem Umfang selbständig wahrzunehmen und sie mit der Elektronik im Fahrzeug zu verbinden. Solche Fahrerassistenzsysteme werden gerade von Herstellern deutscher Nobelkarossen seit Jahren vorangetrieben. Über Funk vernetzt, würde ein gigantischer Verkehrsorganismus entstehen.
Was schon heute theoretisch machbar wäre, scheitert aber an den realen Fakten. Denn die Hersteller sind mit ihren zahlreichen Forschungsanstrengungen im Automotive-Bereich ausschließlich mit selbst entwickelten Plattformen unterwegs. Gemeinsame Standards für den herstellerunabhängigen Austausch von Daten aus diesen Plattformen heraus gibt es derzeit nicht. Prof. Dr. Raymond Freymann, Geschäftsführer der BMW Group Forschung und Technik, gibt in Statements auch Einblicke in die BMW-Forschungsphilosophie.
Im Gemeinschaftsprojekt simTD sucht ein von der deutschen Automobilindustrie geprägtes Konsortium nach gemeinsamen Lösungen und Standards. Auch Zulieferer sowie Kommunikationsunternehmen und Forschungsinstitute sind daran beteiligt, der Bund fördert mit großen Beträgen. simTD steht für Sichere Intelligente Mobilität Testfeld Deutschland. In einem groß angelegten Feldversuch soll nicht nur die elektronische Ausrüstung in den Fahrzeugen erprobt werden, sondern auch die Kommunikations-Schnittstelle zwischen den Fahrzeugen über Funk. Basis hierfür sind WLAN- und Mobilfunk-Netze. Anfang 2013 sollen die vom Bund geförderten Forschungsergebnisse des vierjährigen Projekts präsentiert werden. Ein erster Zwischenbericht von simTD ist für Oktober 2011 avisiert.
Alle Beteiligten hoffen auf den großen deutschen Wurf. Die hier ansässige Automobilindustrie möchte mit dem Test ihre zweifellos vorhandene Pionierrolle im Bereich Automotive für den künftigen Markt stärken und zudem Fakten für herstellerunabhängige Standards schaffen. Ob sie stark genug ist, amerikanische und asiatische Hersteller auf den vorwiegend deutsch getriebenen Standardisierungskurs zu bringen?
© mce mediacomeurope GmbH 2011
Boomende Zukunftsbranche Optoelektronik
Beitrag
Infomercial des VDI Technologiezentrum
Der Markt der „Lichtlösungen“, die Photonik, ist heute weltweit über 250 Milliarden Euro schwer und glänzt mit zweistelligen Wachstumsraten. Allein in Deutschland beschäftigt er über 120.000 Menschen. Die Branche bleibt auf expansivem Wachstumskurs.
Der Beitrag des VDI Technologiezentrum zeigt konkrete Beispiele innovativer Lösungen. Ein Modellprojekt für neue Beleuchtung befindet sich in Trier. Im Schulzentrum am Mäusheckerweg sollen bald alle Klassenräume in klarem LED-Licht erstrahlen. Das soll die Energiekosten im Betrieb auf etwa ein Drittel senken. Ein anderes beleuchtetes Beispiel kommt aus der Medizintechnik: An der Charité in Berlin untersuchen Prof. Dr.-Ing. Jürgen Lademann und sein Team mit Hilfe photonischer Medizintechnik nicht-invasive Untersuchungsmethoden. Das dritte Beispiel kommt aus dem Maschinenbau, wo bei der Firma EOS aus Krailling mit Licht, dem sogenannten Laser-Sinter-Verfahren, Geigen produziert werden. Die künftigen Möglichkeiten der Produktion mit Laser-Sintern sind enorm und reichen bis zu individuell gefertigten Prothesen.
© VDI Technologiezentrum 2011
Wer ist wer? … wie Rechner Gesichter erkennen
Beitrag
Nachwuchsforscherin entwickelt optimierte Software
Die Gesichtserkennung – eine Aufgabe, die im menschlichen Gehirn meist selbstverständlich und unbewusst abläuft – ist in der Computerwissenschaft heute noch Forschung an der Front der Entwicklung. An der Universität des Saarlandes sucht die Nachwuchsforscherin Kristina Scherbaum nach neuen Algorithmen.
Mit dem dafür entwickelten Machine-Learning-Verfahren ist der Computer in der Lage, aus einer Vielzahl eingescannter Gesichtsdaten unterschiedlicher Gesichter die wesentlichen und die unterscheidenden Merkmale herauszufiltern. Der Schwerpunkt der Entwicklung richtet sich auf die Identifizierung über die Augenfarbe und die Nasenform. Das Projekt ist Teil der Forschungen, die am Exzellenzcluster für Informatik laufen. Ziel ist es auch, eine verbesserte Morphing-Software zu entwickeln, mit der auch das Altern von Menschen realitätsnah dargestellt werden kann.
© Universität des Saarlandes 2011
