Brief aus England

China drohnt, in Taiwan einzumarschieren, während Nordkorea – ein armes Land – immer stärkere Raketen entwickelt – zu welchem Zweck? All dies führt uns zu zwei Fragen. Welche Auswirkungen wird dies auf unsere Wirtschaft haben? Und welche Auswirkungen könnte es auf unsere Branche haben? Um die erste Frage zu beantworten: Es scheint klar, dass die Regierungen mehr für das Militär ausgeben werden, vielleicht 3 % des BNP. Das bedeutet weniger Ausgaben für andere Bereiche der Wirtschaft. Und für unsere Branche? Wenn es mehr Kampfflugzeuge, mehr Kriegsschiffe und mehr Militärfahrzeuge geben soll, werden sie alle den Beitrag von Oberflächentechnikern erfordern. Viele dieser Beschichtungen sind hochentwickelt, z. B. absorbieren sie Radarwellen und machen Flugzeuge oder Panzerwagen weniger sichtbar. Die Militärtechnik entwickelt sich ständig weiter und der Krieg in der Ukraine ist zum Teil ein „Prüfstand“ für neue Militärtechnik. Ein Trend ist bereits deutlich erkennbar. Es gibt eine Entwicklung hin zu unbemannter, autonomer Kriegsführung, und die jüngsten Fortschritte in der KI (Künstliche Intelligenz), über die wir alle gelesen haben, werden bereits für militärische Anwendungen genutzt.

Zum Beispiel beim neuen autonomen Panzerwagen ROBUST, der in Israel von Elbit Systems und dem israelischen Militär entwickelt wurde. Er hat keine Lenkmechanismen, stattdessen wird jedes seiner sechs Räder unabhängig angetrieben, so dass er sich fast innerhalb seiner eigenen Länge um 360 Grad drehen kann. Der Antrieb erfolgt vermutlich über einen 300-PS-Dieselmotor, der die sechs hydrostatischen Radnabenmotoren antreibt, einen an jedem Rad, wobei einzelne hydropneumatische Aufhängungen für maximale Mobilität sorgen.

In den USA hat die Armee den in der Ukraine so erfolgreichen Himars-Raketenwerfer übernommen und eine autonome Version entwickelt (Abb. 1). Die US-Armee führt jetzt die zweite Runde von Geländetests für das AVProgramm (Autonomous Vehicle) des Pentagon durch. Die Tests finden in der rauen Landschaft von Camp Roberts statt, das auf halbem Weg zwischen San Francisco und Los Angeles liegt. Die Tests sind Teil des so genannten Robotic Autonomy in Complex Environments with Resiliency-Projekts – kurz RACER –, das auf die Entwicklung unbemannter, selbstfahrender Bodenfahrzeuge abzielt, die sich in schwierigem Gelände bewegen können.

In Estland stellt das Unternehmen Milrem Robotics (www.milremrobotics.com) das THeMIS (Tracked Hybrid Modular Infantry System) her, ein unbemanntes Bodenfahrzeug (UGV), ein bodengestütztes bewaffnetes Drohnenfahrzeug, das vor allem für militärische Anwendungen entwickelt wurde. Das Fahrzeug soll u. a. zur Erkennung und Beseitigung von Sprengfallen eingesetzt werden. Die Firma bietet auch ihre viel größere TypeX Remote-Unterstützung an, die als Transportplattform, ferngesteuerte Waffenstation und Panzerwagen dient.

Auch in der Luft

Der neue Tempest Düsen-Jäger wird von einem internationalen Konsortium entwickelt zu dem italienische und britische Firmen gehören. Er wird sowohl mit menschlichen Piloten als auch autonom operieren können, während autonome Drohnen inzwischen weit verbreitet sind.

Fazit: Einige Experten sagen voraus, dass Kriege in Zukunft ausschließlich mit autonomen Waffen geführt werden. In den USA entwickelt Boston Dynamics „Humanoide“ Robotersoldaten und -polizisten u. a. Ein Problem bleibt aber derzeit noch, nämlich genügend Energie bereitzustellen, damit solche Roboter länger als eine Stunde arbeiten können. Auf der ganzen Welt werden Milliarden für autonome Waffen ausgegeben – aber nur wenig davon hier in Europa. Krieg ist immer eine Geldverschwendung – aber leider gibt es oft keine Alternative.

Einen Roboter bauen – Stück für Stück

Abb. 2: Die Roboterhand konnte 11 von 14 Objekten korrekt aufnehmenDer Bau eines humanoiden Roboters erfolgt Stück für Stück, und ein wichtiges Element dabei ist die „Hand“, die Gegenstände greifen oder manuelle Tätigkeiten ausführen kann. Wissenschaftler der Universität Cambridge haben eine Roboterhand entwickelt, die Objekte nur durch die Bewegung des Handgelenks greifen und halten kann. Die 3D-gedruckte Hand wurde von einem Team der Universität entwickelt. Sie wurde mit Sensoren ausgestattet, die es ihr ermöglichen, zu „fühlen“, was sie berührt, und es wurden mehr als 1.200 Tests durchgeführt, unter anderem mit einem Pfirsich, einer Computermaus (Abbi. 2) und Luftpolsterfolie. Dr. George-Thuruthel, der das Projekt leitete, sagte: „Die Sensoren, die in gewisser Weise wie die menschliche Haut funktionieren, messen den Druck, der auf das Objekt ausgeübt wird. Wir können nicht genau sagen, welche Informationen der Roboter erhält, aber er kann theoretisch abschätzen, wo das Objekt gegriffen wurde und mit welcher Kraft.“ Den Forschern zufolge ist die Technologie kostengünstig und energieeffizient, da sich die Finger nicht unabhängig voneinander bewegen müssen.

Der Mensch weiß instinktiv, wie viel Kraft er aufwenden muss, um ein Ei aufzuheben – für einen Roboter ist dies jedoch eine Herausforderung. Zu viel Kraft und das Ei könnte zerbrechen, zu wenig und das Ei würde herunterfallen. Die Roboterhand war in der Lage, 11 von 14 getesteten Objekten erfolgreich zu ergreifen. Der große Vorteil dieses Designs ist der Bewegungsumfang, den man ohne Aktuatoren erreichen kann. „Wir wollen die Hand so weit wie möglich vereinfachen. Wir können viele gute Informationen und ein hohes Maß an Kontrolle ohne Aktoren erhalten, so dass wir, wenn wir sie hinzufügen, ein komplexeres Verhalten in einem effizienteren Paket erhalten.“

Going Green

Wind- und Solarenergie sind zwei echte Erfolgsgeschichten. Beide produzieren heute große Mengen an Energie zu attraktiven Preisen. Die ihnen zugrundeliegenden Technologien werden langsam immer besser. Doch keine von beiden kann uns rund um die Uhr mit Strom versorgen und so richtet sich der Fokus auf andere Ansätze. Erlauben Sie mir, hier abzuschweifen. Saudi-Arabien ist ein sehr reiches Land – aber sein Reichtum beruht fast ausschließlich auf Öl. Die saudische Führung ist sich darüber im Klaren, dass vielleicht in zehn Jahren entweder ihre Ölreserven erschöpft sein werden und/oder der Preis für fossile Brennstoffe sinken wird, da immer mehr grüne Technologien eingesetzt werden. Saudi-Arabien investiert also – klugerweise – in neue Technologien für die Zukunft. Insbesondere ziehen die Saudis Solarenergie in Betracht – allerdings im Weltraum. Im Gegensatz zu Sonnenkollektoren auf der Erde könnte die im Weltraum geerntete Solarenergie Strom rund um die Uhr liefern. Das Konzept ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abb. 3: Konzept einer weltraumgestützten Solarenergieanlage

Die saudische Regierung ist in Gesprächen mit verschiedenen Partnern, darunter auch mit der Firma SpaceSolar (www.spacesolar.co.uk). Aber sie sind nicht allein mit der Erforschung dieses Konzepts. Die ESA (Europäische Weltraumorganisation) untersucht ebenfalls die Technologie. Der folgende Link bietet weitere Informationen zu Solarenergieentwicklungen auf der ganzen Welt.

https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Engineering_Technology/SOLARIS/SBSP_overview

Aber China scheint die Nase vorn zu haben. Im Jahr 2021, begann die Arbeit an der Weltraum-Solarenergiestation Bishan in der südwestchinesischen Stadt Chongqing und es wurden Experimente zum „Beamen“ von Energie über sehr große Entfernungen mithilfe von Mikrowellen durchgeführt. Die Saudis sind auch im Gespräch mit Elon Musk, dessen wiederverwendbare SpaceX-Raketen für den Bau einer solchen Solaranlage genutzt werden könnten. Was ist der Zeitrahmen für diese Technologie? SpaceSolar behauptet, dass eine Pilotanlage innerhalb von 10 Jahren betriebsbereit sein könnte. Die Chinesen erwarten 2035 für eine Gigawatt Anlage. Allen ist klar, dass die Kosten für Raketenstarts weiter sinken werden, was die Wirtschaftlichkeit immer weiter erhöht. Aber es wird Konkurrenz durch die Atomkraft geben, insbesondere die neue Generation der kleinen modularen Reaktoren und vielleicht später auch von Kernfusionsaggregaten. Wir wollen hoffen, dass Europa nicht zurückbleibt.

Grünes Fliegen

Wir haben elektrische Züge, Pkw, Lkw und elektrische Busse und Taxis. Aber der Bau elektrischer Flugzeuge ist die größte Herausforderung. Der Grund dafür ist ganz einfach. Kerosin, der Treibstoff für Düsentriebwerke, hat eine ca. 50-fache Energiedichte im Vergleich zu den modernsten Batterien. Es ist schwer vorstellbar, dass sich das ändert. Ein schwedisches Unternehmen, Heart Aerospace (heartaerospace.com), arbeitet mit dem britischen Unternehmen BAE Systems zusammen und baut das Regionalflugzeug ES-30.

Es wird von vier Elektromotoren angetrieben und soll 30 Passagiere über eine Reichweite von 200 km befördern. Heart möchte mit einem Hybridantrieb die Reichweite um weitere 200 km erweitern. So könnte das Flugzeug von London nach Brüssel fliegen. Wenn die Zahl der Passagiere reduziert wird, soll die Reichweite sogar 800 km betragen, womit man von London nach Frankfurt fliegen könnte. Heart Aerospace strebt die Erprobung des Konzepts im nächsten Jahr, Flugversuche im Jahr 2026 und die Inbetriebnahme bis 2028 an. Das Unternehmen verfügt über Eigenkapital von Air Canada, dem Betreiber der Fluggesellschaft, und potenzielle Aufträge für mehr als 400 Flugzeuge, u. a. von United Airlines, einer der größten Fluggesellschaften der Welt. Manche glauben, ein solches Flugzeug wäre vor allem ein Ersatz für Hubschrauber. Aber wenn große Fluggesellschaften das Projekt unterstützen, sollte man es ernst nehmen. Es gibt nur zwei „grüne“ Alternativen. Die eine ist die Herstellung von „grünem“ Flugzeugtreibstoff. Dieser ist in England als SAF (Sustainable Aviation Fuel) bekannt und wird aus organischem Müll oder speziell angebauten Pflanzen hergestellt. Allerdings ist er nicht nur teurer als normales Kerosin, es erscheint auch unmöglich, ihn jemals in ausreichenden Mengen herzustellen. Der andere Ansatz wäre es, Wasserstoff zu verwenden, wahrscheinlich in Düsenmotoren, die sich kaum von denen unterscheiden, die derzeit verwendet werden. Die weltweiten CO₂-Emissionen von Flugzeugen machen ca. 2 % des Gesamtausstoßes aus, und Wasserstoff scheint am vielversprechendsten zu sein, die Emissionen zu verringern.

Speicherung von Flüssigwasserstoff

Abb. 4: Speichertank für flüssigen Wasserstoff bei niedrigen TemperaturenOb für Flugzeuge oder andere Anwendungen, es scheint sicher, dass wir Wasserstoff speichern müssen und zwar in den meisten Fällen als Flüssigwasserstoff bei niedrigen Temperaturen. Es ist daher offensichtlich, dass es viele Studien gibt, die sich mit dem Design und der Konstruktion solcher Lagertanks befassen.

Das britische National Composites Centre (NCC) ist eine der Organisationen, die diese Technologie entwickelt. Es hat Einzelheiten zu seinem Testprogramm für kryogene Speichertanks bekannt gegeben, das die Entwicklung beschleunigen wird, u. a. mit einem Kohlefasertank ohne Auskleidung zur Speicherung von flüssigem Wasserstoff (Abb.4).

Kryogenische Speichertanks werden für H2-betriebene Flugzeuge benötigt, die Mitte der 2030er Jahre in Dienst gestellt werden sollen. Die meisten Entwürfe für die Speicherung von Flüssigwasserstoff konzentrieren sich auf relativ schwere Metalltanks, während die in der Raumfahrtindustrie entwickelten Verbundtanks eher für Anwendungen mit niedrigen Zyklen (Befüllen und Entladen) geeignet sind. Im Vergleich dazu benötigen kommerzielle H2-Flugzeuge möglichst leichte Treibstofftanks, die hohe Zyklen durchlaufen und eine Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten haben.

Zur Unterstützung des Übergangs des Vereinigten Königreichs zu einer kohlenstoffarmen Wirtschaft, entwickelt das NCC Grundlagenwissen für kryogene Verbundstofftanks und führt Tests mit Produktdemonstratoren zunehmender Komplexität durch. Die Ingenieure haben eine Reihe kryogener Systeme für die Handhabung und den Transfer von flüssigem Wasserstoff entwickelt und gebaut.

Intelligente Textilien – Massenproduktion

Wir alle haben schon von sogenannten „Intelligenten Textilien“ gehört, die verschiedene Eigenschaften besitzen, sowohl aktive als auch passive. Einige können dazu dienen, Bilder anzuzeigen, während andere Körperfunktionen wie den Blutdruck überwachen. Bisher konnten solche Textilien nur mit sehr speziellen Geräten hergestellt werden. Jetzt hat ein Team aus Cambridge eine neue Art von intelligentem Gewebe entwickelt, das auf industriellen Webstühlen gewebt werden kann, um eine Vielzahl flexibler elektronischer Geräte in Kleidung zu integrieren.

„Man könnte diese Textilien in spezialisierten Mikroelektronik-Anlagen herstellen, aber das erfordert Milliarden Euro an Investitionen“, so Dr. Sanghyo Lee vom Cambridge Department of Engineering. „Außerdem ist die Herstellung intelligenter Textilien auf diese Weise sehr begrenzt, da alles auf denselben starren Wafern hergestellt werden muss, die für die Herstellung integrierter Schaltkreise verwendet werden, so dass die maximale Größe, die man erreichen kann, etwa 30 Zentimeter im Durchmesser beträgt.“

Um die intelligenten Stoffe mit konventionellen Textilmaschinen wie industriellen Webstühlen kompatibel zu machen, beschichtete das Team in Cambridge das Material, um es besonders dehnbar zu machen. Dann vermischten die Forscher elektronische, optoelektronische, sensorische und energetische Faserkomponenten in verschiedenen Konfigurationen mit konventionellen Fasern. Die Faserbauteile wurden durch ein automatisiertes Laserschweißverfahren mit elektrisch leitfähigem Klebstoff verbunden. Um die Fähigkeiten der neuen Gewebe zu veranschaulichen, stellte das Team einen gewebten 46-Zoll-Demonstrator her.

In Zusammenarbeit mit Textilherstellern war das Team in der Lage, Testfelder aus intelligenten Textilien von etwa 50 x 50 cm herstellen, die jedoch auf größere Abmessungen skaliert und in großen Mengen hergestellt werden. Den Forschern zufolge könnten flexible Displays und Monitore billiger auf industriellen Webstühlen als auf spezialisierten Elektronikfertigungsanlagen hergestellt werden.

„Diese Unternehmen verfügen über gut etablierte Fertigungsstraßen mit Extrudern und großen Webmaschinen, die automatisch einen Quadratmeter Textil weben können“, sagt Lee. „Wenn wir also die intelligenten Fasern in den Prozess einführen ist das Ergebnis im Grunde ein elektronisches System, das genauso hergestellt wird wie andere Textilien“.

Truly form-factor–free industrially scalable system integration for electronic textile architectures with multifunctional fiber devices: Sanghyo Lee u. a. SCIENCE ADVANCES, 9 (2023), Nr. 16 vom 21. April 2023