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Über dieses Buch

Für das Jahr 2050 erwarten wir eine Erdbevölkerung von 9,8 Milliarden Menschen – die letztlich alle nach Wohlstand streben. Auf der Suche nach einer effizienteren Produktion müssen daher neue Wege gefunden werden. Die bisherige Forschung zeigt, dass das evolutionär entstandene Inventar der Biologie, seine Produkte, Verfahren, Prinzipien und Werkzeuge, die Technik von heute enorm beflügeln kann. Die biologisch orientierte Konzeption technischer Entwicklungen mit dem Ziel einer besonders innovativen und nachhaltigen Wertschöpfung wird heute als „Biologische Transformation“ zusammengefasst. Sie führt zu hochfunktionellen Produkten mit bestechenden Eigenschaften, die zugleich ressourcenschonend hergestellt und benutzt werden können.
Im Sinne der Verantwortung für das Wohl aller Menschen ist die Biologische Transformation daher ein Weg, den die angewandte Forschung gehen muss. Die Fraunhofer-Gesellschaft hat das entwicklungstechnische Potenzial der Biologischen Transformation erkannt und sieht ihre Aufgabe darin, nicht nur die einschlägige Forschung voranzutreiben, sondern auch die Wahrnehmung des Themas in der Bevölkerung zu fördern.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Vom Kontrast zur Konvergenz

Biologische Prinzipien prägen die Technologien von morgen
Zusammenfassung
Technik entspringt dem Verstand der Menschen. Seit es unsere Spezies auf der Welt gibt, versuchen wir, aus Erfahrung und mit gedanklicher Arbeit Dinge zu entwerfen und dann auch zu bauen, die uns Vorteile bringen: Werkzeuge zum Herstellen von Gegenständen, Kleidung und Behausung für den Schutz vor dem Wetter, Waffen für Jagd und Kampf, Instrumente für Musik, Farben für Malerei. Viele Jahrtausende an Entwicklungsarbeit waren nötig, um einen Stand der Technik zu erreichen, der den Menschen in seiner Lebensweise deutlich erkennbar von den Tieren unterschied. In erster Linie war es dabei immer das Ziel, sich so gut wie möglich gegen die Herausforderungen der Natur zu behaupten.
Reimund Neugebauer, Martin Thum

2. Biologische Transformation

Eine Forschungsagenda der Fraunhofer-Gesellschaft
Zusammenfassung
Die Anwendung biologischer Prinzipien hat tiefgreifende Veränderungen in so verschiedenen Wirtschaftsbereichen wie Pharmazie, Konsumgüter- und Nahrungsmittelherstellung oder auch in der Landwirtschaft hinterlassen. Nachdem über lange Zeit nachwachsende Rohstoffe und der Einsatz von Produktionsorganismen in der Biotechnologie einen Schwerpunkt bildeten, stehen nun die Verknüpfung neuer biologischer Verfahren und Erkenntnisse mit anderen Innovationen in der Agrarwissenschaft und in Informations-, Medizin- oder Fertigungstechnik im Fokus, die auch die Kreislaufwirtschaft einbeziehen. Die Fraunhofer-Gesellschaft hat den Anspruch, mit der Biologischen Transformation einen maßgeblichen Beitrag zu den Zielen der Vereinten Nationen für nachhaltige Entwicklung leisten zu können.
Patrick Dieckhoff, Sophie Hippmann, Raoul Klingner

3. Bionikforschung für die Medizintechnik

Innovative Geräte und Verfahren nach dem Vorbild evolutionärer Lösungen aus der Natur
Zusammenfassung
Bionik und Biotechnologie sind die Disziplinen, die das biologische Wissen in die Biotransformation einbringen. Der Unterschied besteht darin, dass die Biotechnologie Organismen zu Stoffproduktion, -umwandlung und -abbau direkt verwendet, während die Bionik die entschlüsselten Prinzipien in abstrahierter Form mit technischen Materialien umzusetzen versucht. Die drei Ebenen, auf denen wir Ideen aus der Natur für eine nachhaltige Wirtschaftsweise aufgreifen können, sind das Lernen (1) von den Ergebnissen der Evolution, (2) von den Prinzipien der Natur und (3) von dem Prozess der Evolution selbst. Die so gewonnenen Erkenntnisse lassen sich in nahezu allen Forschungsgebieten und Branchen umsetzen. Prinzipiell ist eine Material- und Energieeffizienzsteigerung von bis zu 30 Prozent möglich. Die Medizintechnik ist besonders prädestiniert für die Umsetzung, weil sie die Materialien des Körpers manipuliert, mit denen in der Natur auch gearbeitet wird. Eine Kooperation von Bionik und Biotechnologie gibt es bei zellbewachsenen Implantaten (Hybriden), bei der Verwendung von biogenem Material und bei der Funktionalisierung von Implantaten. Große Synergiepotenziale der biotechnischen Disziplinen werden in der Biotransformation für viele weitere Anwendungen erwartet.
Thomas Bauernhansl, Oliver Schwarz

4. Innovative Nahrungsmittel

Neue Aufbereitungsverfahren für pflanzliche Rohstoffe führen zu gesunden Alternativen zu herkömmlichen Lebensmitteln und Proteinquellen
Zusammenfassung
Der bis Mitte des Jahrhunderts erwartete Anstieg der Weltbevölkerung auf über 9,5 Milliarden Menschen und der zunehmende Verzehr tierischer Lebensmittel sind eine der größten globalen Herausforderung zur Sicherung der Versorgung der Menschheit. Die Nutzung neuer pflanzlicher Proteinzutaten anstelle von tierischen Eiweißpräparaten kann ein wichtiger Teil der Lösung sein, da die Produktion tierischer Eiweiße rund fünfmal so viel Fläche benötigt wie die Gewinnung von Pflanzenproteinen. Der folgende Beitrag gibt einen Überblick über den Stand der Technik der Gewinnung, Verarbeitung und Applikation pflanzlicher Proteine in der europäischen Lebensmittelindustrie. Dabei werden neben den Chancen und Vorteilen auch bisherige Schwächen pflanzlicher Proteine vorgestellt und Strategien zur Optimierung aufgezeigt. Weiterhin wird über aktuelle Ergebnisse eines Projekts der Fraunhofer-Zukunftsstiftung berichtet, in dessen Rahmen neue Verfahren zur Reduktion des allergenen Potenzials pflanzlicher Proteine entwickelt wurden. Technische Ansätze zur Optimierung von Geschmack, Textur und Mundgefühl pflanzlicher Lebensmittel und Beispiele zur erfolgreichen Umsetzung der Forschungsergebnisse durch Fraunhofer-Ausgründungen schließen den Beitrag ab.
Peter Eisner, Ute Weisz, Raffael Osen, Stephanie Mittermaier

5. Technische Heimaten für menschliche Zellen

Mikrophysiologische Organ-on-a-Chip-Systeme als interdisziplinäre Plattformen für KMU, Big Pharma, Mediziner und Technologen
Zusammenfassung
Das Life Science Engineering (LSE) befasst sich schwerpunktmäßig mit den Schnittstellentechnologien zwischen den Lebens- und den Ingenieurwissenschaften. Es deckt ein sehr breites Produktspektrum ab, von der Pharmaindustrie über die Biotechnologie bis hin zur Medizintechnik. Wesenselement der LSEForschung ist der hohe Grad der interdisziplinären Zusammenarbeit. Im Rahmen dieses Kapitels werden zahlreiche Einzeltechnologien vorgestellt, die bisher voneinander isoliert erforscht, entwickelt und optimiert wurden. An den Schnittstellen dieser Domänen klafft eine Lücke zwischen den Potenzialen zur Verbindung beider Disziplinen und deren Realisierung. Diese Schnittstellen sind die dringend erforderlichen Befähiger der biologischen Transformation, die erst das Ineinandergreifen der verschiedenen Bereiche ermöglichen. Daher müssen standardisierte Schnittstellen zwischen Biologie und Technik entwickelt werden.
Christoph Leyens, Udo Klotzbach, Frank Sonntag, Markus Wolperdinger, Peter Loskill, Thomas Bauernhansl, Andreas Traube, Christian Brecher, Robert Schmitt, Niels König

6. Phäno- und Genotypisierung von Pflanzen

Phänotypisierung von Kulturpflanzen mit Spektralsensorik und künstlicher Intelligenz
Zusammenfassung
Die Digitalisierung von Wirtschaft und Gesellschaft macht selbstverständlich vor der Landwirtschaft nicht halt. Die pflanzenbasierte Bioökonomie als Primärproduktion für zahlreiche nachgelagerte Branchen stellt einen zentralen Bestandteil des digitalen Wandels dar. Die aus der viel beschworenen Digitalisierung abgeleitete biologische Transformation der Wirtschaft, oder besser der Welt, bekommt hier eine weitere und sehr interessante Komponente. Schlussendlich ist es die – zumindest punktuelle – Optimierung der Biologie durch Biologie. Mit anderen Worten: Die Optimierung des biologischen Systems Pflanze erfolgt durch technologische Verfahren und Methoden, deren Ansatz und Ausgestaltung verschiedenen Wirkprinzipien der Biologie nachempfunden oder dadurch inspiriert worden sind. Die Biologieträger auf technologischer Seite sind Spektralsensorik und insbesondere künstliche Intelligenz als zentraler Baustein der Phänotypisierung, die zur Erreichung der o.g. Optimierung erforderlich ist.
Udo Seiffert, Andreas Herzog

7. Zellen als Sensoren

Effekt- statt Konzentrationsanalytik
Zusammenfassung
Zellen als die fundamentalen Grundeinheiten des Lebens lassen sich als lebende Sensoren nutzen, wenn es gelingt, die Reaktion der Zellen auf einen äußeren chemischen, biologischen oder auch physikalischen Reiz sensitiv zu detektieren und in ein elektrisches Signal zu wandeln. Physikalische Signalwandler wie Transistoren, Elektroden oder Optroden sind dazu besonders geeignet, weil sie eine nicht invasive und markierungsfreie Untersuchung der Zellen auch über lange Beobachtungszeiten ermöglichen. Mit solchen biotechnologischen Hybriden aus lebenden Zellen und technischen Bauteilen ist die Quantifizierung von biologischer Wirkung möglich, ohne auf den Einsatz von Versuchstieren angewiesen zu sein. Der vorliegende Text verschafft einen Überblick über die Möglichkeiten der Kultur tierischer Zellen in einer Laborumgebung, beschreibt den Stand der Technik hinsichtlich der zur Analyse eingesetzten Signalwandler und schließt mit ausgewählten Beispielen für den Einsatz zellulärer Sensoren in der Wirkstoffprüfung und Gefährdungsbeurteilung.
Stefanie Michaelis, Joachim Wegener

8. Biopolymere – Funktionsträger in der Materialforschung

Polymere Materialien mit biologischen Funktionen und Biomaterialien für die Medizin
Zusammenfassung
Bionische Systeme, die den Ansatz des „Lernens von der Natur“ verfolgen, sind schon seit vielen Jahren bekannt. Aktuell wird die Verschmelzung von Biologie und Material jedoch am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP völlig neu gedacht: Moderne Methoden der Molekularbiologie, der Biotechnologie, der Polymerchemie und der Materialwissenschaften ermöglichen in interdisziplinärer Forschung die Entwicklung innovativer funktioneller Materialien mit herausragenden Eigenschaften und Funktionen. Hierfür werden Biomoleküle wie Proteine, Peptide oder Kohlenhydrate direkt in Polymere eingebaut und transformieren so ihre natürliche Funktion in ein Material. Filtration durch Proteinporen, Biokatalyse an dünnen Schichten und zuckervermittelte Diagnostik werden möglich. Ausgehend von diesen Entwicklungen auf molekularer Ebene wird der nächste Schritt vollzogen: Es werden Strategien entwickelt, wie labile Biomoleküle und thermoplastische Kunststoffverarbeitung – scheinbar unvereinbare Gegensätze – zusammengebracht werden können, um biofunktionelle Kunststoffe zu produzieren. Für medizinische Anwendungen ist die Notwendigkeit der Kongruenz zwischen Material und Biologie schon lange bekannt. Neue Implantate erlauben hier eine noch gezieltere Steuerung der Interaktion mit Geweben, ermöglicht durch genaue Kenntnis und Modifikation der Materialeigenschaften im Wechselspiel mit Zellen in komplexen biologischen Systemen.
Die biologische Transformation der Polymere ist in vollem Gange und wird nicht nur zu zukunftweisenden Materialien führen, die nachhaltig und funktional sind, sondern zu Materialien, die auch technische Prozesse verbessern und neue Therapien oder Diagnoseplattformen ermöglichen. Kunststoffdesigner können nicht nur von der Natur lernen, sie müssen auch Kunststoffe entwickeln, die der Natur nutzen und die gezielt mit ihr interagieren – dies ist die nächste Evolutionsstufe der Polymermaterialien.
Alexander Böker

9. Biogene Kunststoff-Additive

Hochwertige Additive für Kunststoffe aus natürlichen Rohstoffen begünstigen die Kreislaufwirtschaft
Zusammenfassung
Additive für Kunststoffe auf der Basis natürlicher Rohstoffe („Bio-Additive“) sind einerseits altbekannte Substanzen, die als solche oder in chemisch modifizierter Form seit vielen Jahren in der Kunststoffwelt eingesetzt werden. Andererseits steigt das Interesse an neuen Bioadditiven mit dem Ziel, petrochemische Rohstoffe zu ersetzen und eine Kreislaufwirtschaft zu begünstigen, sowie auch mit der zunehmenden Nachfrage nach Biopolymeren. Da nahezu alle Polymere Additive benötigen, um Eigenschaften, Verarbeitung und Anwendung sicherzustellen, ist es folgerichtig, auch Biopolymer-Formulierungen vollständig auf der Basis nachwachsender Rohstoffe zu entwickeln, also sowohl das Polymer als auch das Additiv. Zu den wichtigsten Additiven gehören Weichmacher, Antioxidantien und Flammschutzmittel.
Rudolf Pfaendner, Tobias Melz

10. Organismen als Produzenten

Produktion von Wertstoffen mithilfe von Mikroorganismen, Algen und Pflanzenzellen
Zusammenfassung
Die Bioökonomie nutzt biologische Ressourcen wie Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen, um Wert- und Wirkstoffe zu liefern. So wird diese Biomasse als Futter- und Nahrungsmittel verwendet sowie für die energetische Nutzung, dient aber auch als Lieferant für wichtige biobasierte Industrieprodukte wie Spezialchemikalien, biobasierte Kunststoffe, Tenside, Farben oder Pharmazeutika. Darüber hinaus können einzelne biologische Systeme wie tierische oder mikrobielle Zellen, aber auch Pflanzen so optimiert bzw. gentechnisch verändert werden, dass sie Proteine, Öle oder Metabolite für unterschiedliche industrielle Anwendungen produzieren.
In diesem Kapitel wird die Effizienz biologischer Produktionssysteme an drei Beispielen dargestellt: der Produktion eines Nahrungsmittelproteins in gentechnisch veränderten Bakterien, der Herstellung pflanzlicher Stammzellen für die kosmetische Industrie sowie Proteine und wertvolle Lipidfraktionen wie Carotinoide aus Mikroalgen. Diese drei Szenarien demonstrieren die generelle Leistungsfähigkeit biologischer Systeme. Die Vorgehensweise lässt sich auf eine Vielzahl anderer Produktklassen übertragen, wodurch der biologischen Produktion eine zentrale Rolle in der Bioökonomie zukommt.
Stefan Rasche, Stefan Schillberg, Felix Derwenskus, Ulrike Schmid-Staiger, Ursula Schließmann

11. Biologisierte Robotik und Biomechatronik

Chancen und Herausforderungen bei der Mensch-Roboter-Kollaboration
Zusammenfassung
Im Kapitel „Biologisierte Robotik und Biomechatronik“ gehen die Autoren nach einer Hinführung zum Thema zunächst auf die Chancen und Herausforderungen bei der Mensch-Roboter-Kollaboration ein. Sie betrachten die Einsatzpotenziale, Interaktionsformen sowie Gefahren und wie man diese, unter anderem durch das Definieren von Belastungsgrenzen, vermeiden kann. Nach einem Blick in die Zukunft der Mensch-Roboter-Kollaboration werden medizintechnische Applikationen wie Endoprothesen und Exoskelette vorgestellt. Beschrieben wird zunächst der Wandel von der mechanischen zur mechatronischen Mensch-Technik-Schnittstelle. Neue Wege der Biosignalaufnahme, die Kombination von funktioneller Elektrostimulation mit Aktoren sowie die Vorstellung hybrider Exoskelette ergänzen das Kapitel.
Norbert Elkmann, Roland Behrens, Martin Hägele, Urs Schneider, Susanne Oberer-Treitz

12. Future AM

Die nächste Generation additiver Fertigungsverfahren
Zusammenfassung
Für einen flächendeckenden und branchenübergreifenden Einsatz additiver Fertigungsverfahren fehlen entlang der Prozesskette jedoch noch verschiedene „Nahtstellen“, beispielsweise durchgängige Datenformate, durchgängige Verknüpfung von digitalen und realen Prozessketten sowie Konzepte zur Skalierbarkeit der AM-Prozesse bezüglich Aufbaurate und Bauteilgröße, um die Wirtschaftlichkeit auch für größere Stückzahlen zu erreichen. Auch fehlen geeignete Konzepte zur Herstellung von Multimaterialbauteilen mit AM-angepassten Werkstoffen oder die durchgängige Automatisierung der Prozesskette bis hin zur Nachbearbeitung der Bauteile.
In zahlreichen Initiativen wird an der Lösung dieser Probleme gearbeitet. So werden beispielsweise im Fokus-Projekt „futureAM“ zwei strategische Ziele adressiert: Zum einen die Sicherung bzw. der Ausbau der Technologieführerschaft Deutschlands im Bereich Metall AM, zum anderen der Aufbau einer übergreifenden Kooperationsplattform für die hochintegrative Zusammenarbeit und die Nutzung der dezentral verteilten Ressourcen der Fraunhofer-Gesellschaft und interessierter Partner im Bereich AM. Zur Sicherung der Technologieführerschaft und einer signifikanten Weiterentwicklung sind Technologiesprünge notwendig. Die avisierten Technologiesprünge werden entlang von vier Dimensionen gegliedert. Im Einzelnen sind dies Industrie 4.0 & digitale Prozesskette, skalierbare & robuste AM-Prozesse, Werkstoffe sowie Systemtechnik & Automatisierung.
Die Kooperationsplattform wird nicht nur durch die intensive Zusammenarbeit in und zwischen den einzelnen Handlungsfeldern geschaffen, sondern insbesondere durch den Aufbau eines „Virtual Lab“. Aus diesem heraus werden mittels der neu entwickelten Technologien – und unter Beteiligung aller Partner – industrie- und branchenübergreifende Demonstratoren hergestellt, und zwar aus verschiedenen für den Standort Deutschland bedeutenden Industriebranchen.
Johannes Henrich Schleifenbaum, Christian Tenbrock, Claus Emmelmann, Christoph Leyens, Frank Brückner, Alexander Michaelis

13. Insektenbiotechnologie

Insekten als Ressource
Zusammenfassung
Unter Insektenbiotechnologie versteht man die Entwicklung und Anwendung von biotechnologischen Methoden, um Insekten bzw. von diesen stammende Moleküle, Zellen, Organe oder assoziierte Mikroorganismen als Produkte oder Dienstleistungen für Anwendungen in der Medizin, im Pflanzenschutz oder in der Industrie nutzbar zu machen. Dieses auch als Gelbe Biotechnologie bekannt gewordene „Emerging Field“ verfolgt konsequent transnationale Forschungsansätze mit beachtlichen Wertschöpfungspotenzialen. Der Institutsteil Bioressourcen im Fraunhofer Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie (IME) gehört zu den weltweit führenden Forschungseinrichtungen in der Insektenbiotechnologie. Hier werden Technologie-Plattformen etabliert, mit denen systematisch Naturstoffe und Enzyme aus Insekten identifiziert, charakterisiert und einer Nutzung zugänglich gemacht werden. Weiterhin werden dort innovative Technologien für die Nutzung von Insekten zur Biokonversion von organischen Abfällen in wertvolle Rohstoffe erarbeitet. Darüber hinaus werden am Gießener Fraunhofer-Standort biologische und biotechnische Verfahren zur nachhaltigen und umweltschonenden Kontrolle von Schadund Vektorinsekten entwickelt.
Andreas Vilcinskas

14. Das Wertstoff-Prinzip

Nutzung und intelligente Verwertungswege von Holzwerkstoffen, Naturfasern und organischen Reststoffen
Zusammenfassung
Aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften wird Holz von alters her für ein sehr breites Spektrum von Zweckbestimmungen genutzt. Dabei reicht die Verwendung von statischen Zwecken im Bauwesen und Inneneinrichtungen unter weitgehendem Erhalt der tragenden Strukturen bis hin zur energetischen Nutzung – also dem kompletten Abbau zu Wasser, Mineralien und Kohlendioxid. Zwischen diesen Extremen gibt es vielfältige Zwischenstufen physikalischer und/oder chemischer Behandlung.
In den Abschnitten 2 bis 5 bleiben alle statisch bedeutsamen Strukturen erhalten und werden zur Optimierung der mechanischen Eigenschaften mit anderen Materialien wie Glasfasern oder sogar Beton kombiniert. Die chemische Bearbeitung beschränkt sich dabei auf das Verkleben von Holzkomponenten untereinander oder auch mit anderen Werkstoffen. Durch diese vielfältigen Kombinationen lassen sich neue mechanische Eigenschaften erzielen. Wenn die hierarchische Struktur, die zu einer anisotropen Verteilung der mechanischen Eigenschaften führt, aufgelöst wird, lässt sich auch eine nahezu isotrope Verteilung des Eigenschaftsprofils hinsichtlich Mechanik in Verbundwerkstoffen erreichen.
Setzt man eher auf die chemischen Bestandteile und nicht auf die mechanische Struktur, so lässt sich Holz mit verschiedenen Verfahren aufschließen und fraktionieren. Neun dieser Prozesse sind beschrieben und nach ihrer jeweiligen technischen Reife beurteilt. Dazu ist festzustellen, dass unterschiedliche Entwicklungsstände vorliegen: vom bestehenden Bedarf an Grundlagenforschung bis hin zur bereits erreichten industriellen Anwendung. Zu unterscheiden sind diese Verfahren, die die chemischen Strukturen erhalten – hier sind Lignin, Hemicellulose und Cellulose als grundlegende erhaltenswerte Strukturen angesprochen – von solchen, die diese Strukturen abbauen. Während es für Cellulose und Hemicellulose bereits viele ausgereifte Anwendungen gibt, besteht für Lignin – von wenigen Anwendungen abgesehen – noch ein ausgeprägter Forschungsbedarf, um die Syntheseleistung der Natur optimal nutzen zu können. Verwendet man Verfahren, die die genannten Zielstrukturen weiter abbauen, so gelangt man am Ende zu kleinen Molekülen, die etwa als Treibstoff (Bioethanol) oder als Methan energiespeichernd ins Gasnetz eingetragen werden oder in weiteren Prozessen der chemischen Industrie als Rohstoff dienen können. Ein wesentliches Kriterium aller genannten Verfahren ist, dass keine Reststoffe übrigbleiben, sondern sogar Reststoffe aus anderen Prozessen mit in den Kreislauf aufgenommen werden können. Für die chemische Industrie ist es interessant, auf den verschiedenen Stufen der Aufschlüsse Komponenten auszuschleusen, die wiederum für weitere Produktion verwendbar sind und fossile Rohstoffe ersetzen können. Sollte eine weitere Verwendung nach verschiedenen Produktzyklen nicht mehr sinnvoll sein, so ist eine thermische Nutzung immer noch möglich und das entstehende Kohlendioxid kann unter Einsatz von Katalysatoren und Energie wieder in den Wertstoffkreislauf aufgenommen werden.
Bohumil Kasal, Moritz Leschinsky, Christian Oehr, Gerd Unkelbach, Markus Wolperdinger

15. Kognitive Sensorik der Biologie

Lernen aus der Natur für die Natur
Zusammenfassung
Die gezielte Beobachtung der Umwelt mithilfe von Seh-, Riech- und Tastorganen ist in der Biologie eng mit Schritten der simultanen, kognitiven Verarbeitung der Daten zur Informations- und Wissensgewinnung verbunden. In der digitalisierten Wirtschaft wird ebenfalls eine Vielfalt an Sensoren verwendet und miteinander vernetzt, um Information zu gewinnen und automatisiert Entscheidungen zu treffen. Dieses Kapitel befasst sich mit dieser Dualität zwischen Biologie und Technologie unter verschiedenen Gesichtspunkten. Die biologische Transformation hat Auswirkungen auf technische Systeme, insbesondere im Bereich der vernetzten und kognitiven Sensorik: auf die Konstruktion neuartiger Sensoren; auf die Art und Weise, zwischen diesen effiziente Kommunikationskanäle zu etablieren und nicht zuletzt auf die Beobachtungsobjekte selbst, welche in zunehmendem Maße Pflanzen als natürliche Rohstoffe sind. In diesem Kapitel werden Forschungsfragen sowie jüngste Ergebnisse auf dem Weg zu einer im Internet der Dinge vernetzten Sensorik diskutiert, welche letztlich auch dazu dienen können, Neues über die Biologie zu erlernen und Technologie in diesem Bereich voranzubringen.
Albert Heuberger, Randolf Hanke, Claudia Eckert

16. Schutz vor Biofouling

Elektrochemische sowie Anti-Haft-Technologien zum Schutz von Schiffsrümpfen und Membranmodulen vor Biofouling
Zusammenfassung
Biofouling gehört zu den Schlüsselproblemen vieler technischer Systeme. Es beschwert Schiffe, verstopft Filtrationsmodule zur Wasseraufbereitung oder verursacht hygienische Probleme in klinischen Umgebungen. Am Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS wurden materialwissenschaftliche Lösungen entwickelt, um die Adhäsion von Foulingbildnern zu verhindern. Ein elektrisch leitfähiges Lacksystem, auf Schiffe aufgetragen, hält die Oberflächen über lange Zeit effektiv foulingfrei. Dünne hydrophile Schichten auf Komponenten von Filtrationsmodulen vermindern die Anlagerung von Mikroorganismen und können so zur Steigerung der Effizienz und Energieeinsparung beitragen.
Ralf B. Wehrspohn, Ulrike Hirsch

17. Urban Agriculture

Die Zukunft der Agrarwirtschaft – lokal, hochwertig und wertschöpfend
Zusammenfassung
Am Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT wird seit einigen Jahren an neuen Formen der Agrarwirtschaft geforscht. Unter den Begriffen „Indoor Farming“, „Urban Agriculture“ oder „Smart Farming“ werden am UMSICHT nicht nur Technologiebausteine zu Belichtung, neuen Pflanzenanzuchtsystemen, neuen Materialien sowie zerstörungsfreier Analytik oder Nährstoffrückgewinnung entwickelt, sondern auch die Pflanzen an eine Kultivierung ohne Erde angepasst. In diesem Kapitel werden beispielhaft Ansätze vorgestellt, die eine zukünftige, auf Transformation ausgerichtete Agrarwirtschaft prägen können.
Eckhard Weidner, Görge Deerberg, Volkmar Keuter

18. Digitale Dörfer

Wie Digitale Ökosysteme strukturiert sind und was sie leisten
Zusammenfassung
Im Projekt „Digitale Dörfer“ zeigt das Fraunhofer-Institut für Experimentelles Software Engineering IESE, wie sich durch die Digitalisierung neue Chancen für ländliche Regionen auftun. Das Projekt ist im Sommer 2015 mit dem Ziel gestartet, die Herausforderungen des heutigen Lebens in ländlichen Regionen in Bezug auf die Digitalisierung zu untersuchen. Seit diesem Zeitpunkt entstehen Konzepte und Lösungen, die die Chancen einer ganzheitlichen Betrachtungsweise des Themas der Digitalisierung im Sinne eines Digitalen Ökosystems aufzeigen. Das vom Ministerium des Innern und für Sport Rheinland-Pfalz, dem Fraunhofer IESE und der Entwicklungsagentur Rheinland-Pfalz geförderte Projekt gilt dabei als Vorreiter für viele andere Initiativen, die seitdem in Deutschland entstanden sind. Gemeinsam wollen sie digitale Dienste auch im ländlichen Raum erproben und nachhaltig anwendbar machen.
Mario Trapp, Steffen Hess

19. Alternativen zum Wachstum

Klimaxökonomie nach ökologischem Vorbild
Zusammenfassung
Im Rahmen der Überlegungen zur Biologischen Transformation lohnt sich ein Blick auf die Bewirtschaftung von Lebensräumen durch die sie bewohnenden Populationen, wie sie in der Populationsökologie beschrieben werden. Wachstums- und Kapazitätsstrategie können hier als extreme Antwortmöglichkeiten auf die grundlegende Frage verstanden werden, wie begrenzte Ressourcen an Energie und Stoffen für die nächste Generation verfügbar gemacht werden. In der ökologischen Sukzessionsforschung bezeichnet der Begriff Klimax die Schlussgesellschaft, die das hypothetische Endstadium der Entwicklungsfolge bei Pflanzen-, Tier- und Bodengesellschaften darstellt. Diese wird nur unter stabilen Umweltbedingungen und Ressourcenausstattungen erreicht. In Zeiten der Globalisierung muss auch die Ressourcenausstattung global gesehen werden. Wir steuern hinsichtlich der Tragekapazität unseres Planeten in Anbetracht der menschlichen Population und ihrer Ansprüche auf eine Klimaxsituation zu, die einen Paradigmenwechsel in unserem wirtschaftlichen Denken notwendig macht, sofern wir die in der Natur beobachtbaren zyklischen Zusammenbrüche sich stark vermehrender Populationen für die Menschheit vermeiden oder zumindest dämpfen wollen. Das globale System in seiner Gänze existiert unter quasikonstanten Bedingungen und bedarf an der Kapazitätsgrenze einer Kreislaufwirtschaft, die durch Vernetzung von möglichst zahlreichen nischenangepassten Wirtschaftseinheiten Stabilität gewinnt.
Der vorliegende Text beschreibt das Konzept der Klimaxökonomie, welches als Vorbild für eine optimale Ressourcennutzung dienen kann, und überträgt ihre Prinzipien auf aktuelle Entwicklungen und Herausforderungen der modernen Wirtschaft – wie zunehmende Digitalisierung und Individualisierung. Voraussetzung für eine Klimaxökonomie sind intelligente Wertschöpfungsnetze, welche auf Vielfalt und eine Besetzung aller sich bietenden Nischen beruhen; diese werden beispielhaft für die Land- und Agroforstwirtschaft sowie für neue Entwicklungen in der Automobilindustrie illustriert.
Christoph Schäfers, Kristina Bette, Florian Herrmann, Georg Nawroth
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