Brief aus England

Neben dem furchtbaren Leid, das aktuell in Gaza geschieht, ist aus technischer Sicht über den Küstenstreifen wenig zu sagen. Dort herrscht „urbane Kriegsführung“, die sich nicht so sehr vom Zweiten Weltkrieg unterscheidet. Was dort einzigartig ist, sind die ca. 500 Kilometer Tunnel, die von der Hamas in den letzten zehn Jahren oder mehr gebaut wurden. Die Tatsache, dass dies enorme Summen gekostet hat – in einem Gebiet, das angeblich sehr arm ist – und woher das Geld kam, will ich hier nicht diskutieren. Aber jenseits von Gaza, in Israel, gibt es bemerkenswerteste Entwicklungen in der Militärtechnologie.

Die meisten von uns kennen die israelische „Eiserne Kuppel“, ein hochkomplexes Radarsystem, das mit Raketenwerfern gekoppelt ist (Abb.1)Diese Raketen haben eine kurze Reichweite und sind darauf ausgelegt, ankommende Raketen und Flugkörper zu zerstören, egal ob es sich um relativ langsam fliegende Drohnen (ca. 170 km/h) oder Hochgeschwindigkeitsraketen handelt. Soweit wir wissen, ist dieser Iron Dome derzeit weltweit einzigartig. Die USA sollen über ein teilweise ähnliches System verfügen. Die „Erfolgsquote“ der Eisernen Kuppel soll bei fast 90 % liegen. Aber, aber, aber... Drei Dinge müssen über die eiserne Kuppel gesagt werden. Erstens: Selbst wenn nur 10 % der eintreffenden Angriffe erfolgreich sind, kann das ernsthafte Schäden verursachen. Zweitens besteht die Gefahr, dass die eiserne Kuppel überfordert wird, wenn Hunderte von ankommenden Waffen gleichzeitig abgeschossen werden. Drittens, und das ist vielleicht der schwerwiegendste Punkt, sind die Kosten der Eisernen Kuppel enorm. Sie kann eine im Iran hergestellte Drohne abschießen. Aber diese Drohne kann 25.000 Euro kosten, während das Projektil, das sie zerstört, 100.000 Euro oder mehr kosten kann. Wie lange kann ein Land ein solches Preisgefälle aufrechterhalten? Und damit sind wir bei der vielleicht dramatischsten Entwicklung in der Militärtechnologie seit der Entwicklung der Atombombe.

Israel und Großbritannien, und mit ziemlicher Sicherheit auch die USA und China – und vielleicht auch Russ­land? – entwickeln Hochleistungslaser, die innerhalb weniger Sekunden jede ankommende Rakete oder Drohne ausschalten kann. Das israelische System heißt „Iron Beam“ und wird von dem israelischen Unternehmen Rafael in Zusammenarbeit mit dem US-Unternehmen Lockheed Martin entwickelt. Die meisten Details von Iron Beam sind geheim, aber es wird angenommen, dass Laserenergien von ca. 100 kW getestet wurden, und 300 kW-Laser sind in der Entwicklung. Es wird behauptet, dass selbst in einer Entfernung von 7 km die Laserenergie auf einen Bereich von 2–3 cm Durchmesser fokussiert werden kann.

Gegenwärtig ist diese Technologie landgestützt und stationär, aber es ist geplant, sie auf israelischen Marinekorvetten zu installieren. Diese neue Technologie hat einen großen Vorteil – und einen erheblichen Nachteil. Ein Laser-Schuss könnte nur 3 Euro kosten – eine enorme Ersparnis im Vergleich zu einer Raketenabwehrrakete, die vielleicht 100.000 Euro kostet. Der Nachteil ist, dass die Technologie bei Regen oder Nebel kaum funktioniert. Könnte die Technologie weiterentwickelt werden, um eine andere Wellenlänge zu verwenden, die Wolken und Nebel leichter durchdringt? Getestet werden auch neue, stark
reflektierende Beschichtungen, die Schutz vor einfallenden Laserstrahlen bieten könnten.

In England wird derzeit ein Hoch­energielaser mit dem Codenamen „DragonFire“ entwickelt, der bereits mehrfach erfolgreich getestet worden ist. Derzeit wird davon ausgegangen, dass er einen 50-kW-Laser verwendet. Sowohl „Iron Beam“ als auch „DragonFire“ verbrauchen innerhalb weniger Sekunden sehr große Energiemengen, und in einer separaten Entwicklung wird die Verwendung von großen Schwungrädern zur Speicherung dieser Energie untersucht. Der britische „DragonFire“ führte kürzlich einen Test auf den Hebriden durch wo er ein Luftzeil zerstörte (Abb. 2). Wir können sicher sein, dass ähnliche Technologien von anderen Ländern entwickelt werden.Abb. 2: Ein Luftziel wird durch einen Hochleistungslaserstrahl mit „Dragon Fire“ zerstört

Seit Tausenden von Jahren ist die Militärtechnik ein Wettstreit zwischen Angriff und Verteidigung. Die neue Lasertechnologie begünstigt derzeit die Verteidigung und stellt ein Problem für Kampf- und Bombenflugzeuge, Hubschrauber und Drohnen dar. Ich mache keine Vorhersagen, aber es ist klar, dass wir Zeugen von einschneidenden Veränderung in der Kriegsführung werden.

Künstliche Intelligenz

Ein kurzer Kommentar in der Januar-Ausgabe der Galvanotechnik von Professor Ernst Peter Fischer veranlasst mich nun, über künstliche Intelligenz zu schreiben. Aus Fischers Kommentar ist mir nicht ersichtlich geworden, ob der Professor KI für eine bedeutende Entwicklung hält oder nicht. Ich habe keinen Zweifel, dass sie es ist. Es vergeht kaum ein Tag ohne Nachrichten im Zusammenhang mit KI. Das schwedische Finanzunternehmen Klarna gab kürzlich bekannt, dass 700 seiner Angestellten durch ein KI-basiertes System ersetzt werden sollen. In der Rechtssprechung wird KI inzwischen in großem Umfang für die Ausarbeitung neuer Verträge verwendet, während in unseren Krankenhäusern KI für die Interpretation von Röntgenaufnahmen und anderer Röntgenbilder eingesetzt wird, so dass die Röntgenassistenten die Zahl der täglich zu bearbeitenden Aufnahmen erheblich steigern können – mit anderen Worten: ihre Produktivität wird erhöht. Und in der Zeitschrift Elektrochemie wird in der Rubrik Chemisty World berichtet, wie Microsofts „Azure Quantum Elements“ die Entdeckung neuer Festkörperelektrolyte für Batterien beschleunigt hat. In weniger als neun Monaten konnten die Wissenschaftler einen neuen Festkörperelektrolyten identifizieren und testen. Dies geschah, nachdem sie mit Hilfe von KI 32 Millionen Materialien untersucht hatten – und das in nur einer Woche! [1]. Professor Fischer schreibt, dass KI noch nie verwendet wurde, um den Geschmack und die Qualität von Bier zu beurteilen. Aber ist das wirklich der Fall? [2] KI wird bereits in der Weinindustrie verwendet. Tastee KI von Winespace ist ein innovatives Tool, das Informationen aus textlichen Verkostungsnotizen extrahieren und in ein digitales Format umwandeln kann, das eine Analyse ermöglicht. Dieser Fortschritt digitalisiert nicht nur traditionelle Verkostungs- und Beurteilungspraktiken, sondern trägt zum Verständnis der vielen unterschiedlichen Weine bei.

Die KI wird zur Aufdeckung von Betrug in der Weinindustrie eingesetzt. Sie kann mit nahezu 100-prozentiger Genauigkeit den Weinberg identifizieren, von dem ein bestimmter Wein stammt [3]. In einem weiteren Artikel des US-Wirtschaftsmagazins Forbes wird der Einsatz von KI zur Bestimmung von Weinqualität und -eigenschaften beschrieben. [4]. Obwohl dies für Professor Fischer vielleicht neu ist, gibt es viele Berichte über den Einsatz von KI auch in der Brauindustrie [2].

Aber was ist mit unserer Branche? Ich habe keinen Zweifel daran, dass KI im „Front Office“ eingesetzt wird, um Telefonanrufe und E-Mails zu bearbeiten, und vielleicht für die automatische Bestellung von Chemikalien oder um Angebote zu erstellen und den Kunden Preise zu schicken. Aber in der eigentlichen Produktion? Vielleicht wird die KI in automatisierte Abläufe integriert werden.

Professor Fischer hat zweifellos recht, wenn er sagt, dass durch KI einige Arbeitsplätze verloren gehen werden. Aber in vielen europäischen Ländern gibt es bereits einen Arbeitskräftemangel, und unsere Bevölkerungen werden immer älter. Für uns im Westen wird KI ein Segen sein.

Quellen:

[1] Chemiewelt 23. Januar 2024, S. 24-25

[2] www.beerandbrewer.com 10. Mai 2023. „Modus Brewing veröffentlicht KI-entwickeltes Bier“

[3] https://www.technologynetworks.com/applied-sciences/news/ai-can-tell-a-wines-vineyard-with-100-accuracy-381699

[4] Forbes Magazine 21 Dec 2023 – „The AI Sommelier: KI hat die Weinindustrie revolutioniert.“

Der erste Pkw ohne Heckscheibe

Der Polestar 4 ist der erste in Serie gefertigte Pkw ohne Heckscheibe. Der herkömmliche Rückspiegel wird durch einen hochauflösenden Bildschirm ersetzt, der eine Live-Übertragung von einer auf dem Fahrzeugdach angebrachten Kamera anzeigt. Die Konstrukteure behaupten, dass die Verwendung der Kamera und das Weg­­­lassen des Fensters für die Autofahrer besser ist, da viele Coupé-SUVs eine schlechte Sicht durch die Heckscheibe haben. Den Fahrern wird ein weitaus größeres Sichtfeld versprochen, indem der Rückspiegel durch eine Videoübertragung ersetzt wird, die vor allem nachts zum Einsatz kommt, wenn die Scheinwerfer eines nachfolgenden Fahrzeugs blenden. Aus ästhetischer Sicht kann durch den Wegfall der Heckscheibe der Punkt, an dem die Dachlinie abfällt, hinter die Köpfe der Fondpassagiere verschoben werden. „Die Sicht nach hinten ist bei vielen Autos ziemlich eingeschränkt“, sagt Jonathan Goodman von Polestar. Und mit einem großen Passagier auf dem Rücksitz oder mit Gepäck hat man überhaupt keine Sicht mehr. Kleintransporter haben keine Rückspiegel, obwohl die Technologie vielleicht in einigen Modellen eingeführt werden könnte. Viele größere Lkw verfügen inzwischen über Rückfahrkameras, die auf Bildschirmen im Armaturenbrett angezeigt werden.

Der Rückspiegel im Polestar 4 bleibt an der herkömmlichen Stelle. Das Bildschirmelement kann deaktiviert werden, so dass er zu einem normalen Spiegel wird, durch den der Fahrer in den hinteren Teil des Fahrzeugs sehen kann, um beispielsweise nach Kindern zu sehen.

Andere Fahrzeuge, darunter auch einige Elektro-BMWs, verfügen über Kameras, die in den Rückspiegel eingespeist werden, doch dieses Fahrzeug soll das erste sein, bei dem das hintere Glas vollständig entfernt wird. Durch den Verzicht auf die Heckscheibe (Abb. 3) können die Designer eine größere Kopffreiheit und mehr Platz im Fond erzielen. Ein Fortschritt? Oder noch eine Sache, die schief gehen kann?Abb. 3: Der neue Polestar 4 hat keine Heckscheibe

Ein neues Anodenmaterial?

Die Elektrolyse von Salzsole zur Herstellung von Chlor ist die Grundlage für einen Großteil der weltweiten chemischen Industrie und macht mit 150 Terrawattstunden pro Jahr ungefähr 4 % des weltweiten Energieverbrauchs aus. Bis ca. 1970 waren die Anoden für diesen Prozess aus Graphit. Dann kam eine neue Generation von Titananoden auf, die mit Edelmetallen oder deren Oxiden beschichtet sind, insbesondere mit Ruthenium und oft auch mit Titanoxid.

Diese Anoden werden heute in allen Chlorproduktionsanlagen eingesetzt, und auch in unserer Branche in mehreren Prozessen, einschließlich der Vorbehandlung.

Nun kommt aus China die Nachricht von einer möglichen Alternative. Dr. Yadong Li und Mitarbeiter der Tsinhua Universität haben berichtet, dass eine kostengünstige organische Verbindung, Chinazolin-2,4-dion, als Anodenmaterial für diesen Prozess verwendet werden kann. Außerdem ist die Überspannung bei ihrer Verwendung geringer als bei edelmetallbeschichteten Anoden, was zu einer möglichen Energieeinsparung von 2–5 % führt. Derzeit fehlt es diesem neuen Anodenmaterial an längerfristiger Stabilität, und es ist nicht klar, ob diese erreicht werden kann. Die Chloralkali-Industrie versucht auch, den Energieverbrauch zu senken, indem sie eine alternative Kathodenreaktion einsetzt – Sauerstoffreduktion anstelle von Wasserstoffentwicklung. Bislang sind beide Ansätze (und beide könnten kombiniert werden) noch spekulativ.

Quelle: Yang, J., u. a. Nature Bd 617, (2023), s. 519 DOI 10.1038/s41586-023-05886-z

Flexible Solarzellen

Die Solarzellentechnologie ist keineswegs ausgereift. Zellen auf Siliciumbasis konkurrieren mit solchen auf Perowskitbasis, und bei einigen Solarzellen wird eine dieser Schichten über die andere gelegt. Viele Millionen solcher Zellen sind allein in Deutschland installiert. Doch nicht alle Standorte eignen sich für die Installation starrer, flacher Solarzellen, und man hat schon lange erkannt, dass ein Bedarf an flexiblen Solarzellen besteht, die auf gekrümmten oder anderweitig unregelmäßigen Oberflächen angebracht werden können. Flexible Silicium-Solarzellen sollten auch kostengünstiger sein als ihre starren Gegenstücke. Eine neue Technik zur Herstellung solcher Zellen mit einem Wirkungsgrad von 24 % wurde kürzlich in China demonstriert. Kristallines Silicium, ein Halbleiter mit indirekter Bandlücke, galt lange Zeit als ungeeignet für flexible Solarzellen, da es – so wurde behauptet – brechen würde. Dies hat sich nun als unwahr erwiesen. Chinesische Wissenschaftler am Shanghai Institute of Microsystems and Information Technology SIMIT begannen mit einem 160 µm dicken Siliciumwafer. Unter Verwendung verschiedener Alkalien wurde dieser dann auf eine Reihe unterschiedlicher Dicken ausgedünnt. Mit 60 µm wurde er so flexibel wie ein Blatt Papier. Die glänzende Oberfläche reflektierte jedoch ca. 30 % des einfallenden Lichts. Mit verdünnten Alkalien konnte eine Reihe von Mikropyramiden auf der Oberfläche gebildet werden, wodurch die Reflexion verringert wurde. Dadurch wurde jedoch die Rissbildung leicht erhöht. Es wurde beschlossen, einen Kompromiss zwischen diesen beiden Effekten zu finden, und mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitsvideos wurde festgestellt, dass die Rissbildung immer an den äußeren Kanten des Wafers begann. Durch die Verwendung verdünnter Säuren nur an den Rändern des Wafers wurde eine Gesamtflexibilität erreicht und eine Umwandlungseffizienz von 24 % beibehalten, selbst nach mehreren Belastungstests. Abbildung 4 zeigt ein Muster eines flexiblen Siliciumzellenmaterials, das hoffentlich bald kommerziell erhältlich sein wird.Abb. 4: Eine Rolle mit flexiblen Silizium-Solarzellen

Quellen:

Chemistry World (2023), Nr. 7, S. 40

Liu W. et al Nature (2023), Bd 617, S. 717, DOI: 10.1038/s41586-023-05921-z

Der Biocomputer – a horror-story?

Amerikanische Forscher haben im Labor gezüchtetes menschliches Hirngewebe mit Computerhardware kombiniert, um einen funktionierenden Biocomputer zu schaffen. Nach Angaben der Wissenschaftler waren die im Experiment verwendeten Gehirnzellen in der Lage, Sprache zu erkennen und einfache mathematische Aufgaben zu lösen. Das Team stellte gehirnähnliches Gewebe in Form eines so genannten „Gehirn-Organoids“ her. Das Stem Cell Institute der Harvard University erklärt, dass ein Organoid eine Ansammlung individualisierter, komplexer Zellen ist, die aus Stammzellen im Labor gezüchtet werden können. Unter den richtigen Laborbedingungen können Organoide so hergestellt werden, dass sie ähnlich wie echtes menschliches Gewebe und Organe aussehen und sogar funktionieren. In diesem Prozess können die Stammzellen „ihren eigenen genetischen Anweisungen folgen, um sich selbst zu organisieren“, so das Stem Cell Institute.

Bisher ist es Wissenschaftlern gelungen, Organoide herzustellen, die wie einige Organe aussehen oder ihnen ähneln. Zu diesen Organen gehören das Gehirn, die Niere, die Lunge, der Magen und die Leber. Solche im Labor hergestellten Organoide werden in der Regel verwendet, um die Funktionsweise von Organen zu untersuchen, ohne dass dazu Experimente an echten Organen erforderlich sind. In dem Biocomputer-Experiment konnte das Team feststellen, dass die Stammzellen in der Lage waren, Neuronen zu bilden, die denen des menschlichen Gehirns ähneln. Neuronen sind elektrisch geladene Zellen, die Signale an das Gehirn und andere Teile des Körpers weiterleiten. Feng Guo leitete das Experiment. Er ist Bioingenieur und Professor für Intelligent System Engineering an der Indiana University Bloomington. Sein Team hat seine Forschungsergebnisse kürzlich in Nature Electronics veröffentlicht.

Die Forscher verbanden den Gehirnorganoiden mit einer Reihe herkömmlicher elektronischer Rechenschaltungen. Sie nennen dieses System Brainoware. Das System wurde verwendet, um die Kommunikation zwischen dem Organoiden und den elektronischen Schaltkreisen herzustellen. Ein Werkzeug der künstlichen Intelligenz (KI) wurde eingesetzt, um die neuronale Aktivität des Organoids zu lesen. Die Wissenschaftler wollen so „eine Brücke zwischen KI und Organoiden schlagen“. Guo ist der Ansicht, dass die Kombination von Organoiden und Computerschaltungen zusätzliche Geschwindigkeit und Energie liefern könnte, um die Leistung von KI-Computersystemen zu verbessern.

In der Studie wird darauf hingewiesen, dass das Hinzufügen menschlicher Gehirnleistung Maschinen bei den Dingen helfen könnte, die sie nicht so gut können wie Menschen. So haben die Forscher festgestellt, dass Menschen in der Regel eine schnellere Lernfähigkeit haben und weniger Energie beim Denken verbrauchen als Computer. In einem Teil des Experiments testete das Team die Spracherkennungsfähigkeit des Brainoware-Systems. Das Team trainierte das System mit 240 Aufnahmen von acht verschiedenen Stimmen. Den Forschern zufolge erzeugte das Organoid unterschiedliche neuronale Signale als Reaktion auf die verschiedenen Stimmen. Die Genauigkeit des Systems erreichte 78 %. „Dies ist die erste Demonstration der Verwendung von Hirnorganoiden für die Datenverarbeitung“, sagte Guo gegenüber MIT Technology Review. Er fügte hinzu: „Es ist aufregend, die Möglichkeiten von Organoiden für das Biocomputing in der Zukunft zu sehen.“

Laut Guo haben diese Ergebnisse sein Team davon überzeugt, dass ein Gehirn-Computer-System die Rechenleistung verbessern kann, insbesondere bei einigen KI-Aufgaben. Er stellte jedoch fest, dass die besten
Genauigkeitsraten des Brainoware-Systems immer noch unter den Genauigkeitsraten herkömmlicher KI-Netzwerke liegen. Guo sagte, dass dies einer der Punkte ist, die sein Team verbessern will.

Quellen:

„Brain organoid reservoir computing for artificial intelligence“, Cai H. et al. Nature Electronics Bd. 6. ss, (2023), s. 1032-1039

„Biocomputer combines lab-grown brain tissue with electronic hardware. A system that integrates brain cells
into a hybrid machine can recognize voices.“ Lilly Tozer. Nature Bd. 624,(2023), s. 481

DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-023-03975-7

Schutz unserer Meere

Ob in der Ostsee, in der Nordsee oder im Ärmelkanal, es gibt heute so viele gefährdete Objekte – Windkraftanlagen, Unterwasserpipelines und Stromkabel sowie Telekommunikationskabel. Und wir wissen immer noch nicht, wer die North Stream-Pipelines beschädigt hat. Wir müssen diese wertvollen Güter schützen, und BAE Systems hat kürzlich eine neue Klasse autonomer bewaffneter Hochgeschwindigkeitsdrohnenboote vorgestellt, die für den Schutz von Offshore-Gewässern konzipiert sind. Der P38 „Aggressor“ kann mit 60 Knoten (111 km/h) fahren und ist mit schweren Maschinengewehren und Schiffsfangnetzen ausgerüstet. Der 14 Meter lange „Agressor“ kann 24 Stunden lang ununterbrochen patrouillieren und mit seinen Sensoren potenzielle Bedrohungen erkennen. Das 6 Tonnen schwere Drohnenboot kann mit seinen drei Mercury-Motoren eine Geschwindigkeit von 20 Knoten erreichen und bis zu 650 Kilometer weit fahren. Es kann auch in einer vertikalen Halterung auf einer Ölplattform platziert und in Sekundenschnelle durch Ziehen eines Bolzens losgelassen werden, ähnlich wie Rettungsboote auf Bohrinseln.

Zudem ist das Boot mit einem System ausgestattet, das ein Netz auf ein Schiff schießt, das sich um die Schiffsschraube wickelt und das Schiff innerhalb von 60 Metern abrupt zum Stillstand bringt. Die solide Grundstruktur aus Glasfasern mit einem Balken an der Oberseite ermöglicht es, eine beträchtliche Menge an Überwachungs­ausrüstung und anderen empfindlichen Gerätschaften mit einem Gewicht von bis zu 1,5 Tonnen an Bord zu befördern. Der „Aggressor“ trägt ein deutsches Heckler u. Koch 0,5 Kaliber Maschinengewehr. Die ersten Verkäufe gehen an Staaten des Persischen Golfs. Wir sehen immer mehr automatisierte Schiffe und kleinere Boote – auch in der Ukraine werden solche „Seedrohnen“ eingesetzt, um russische Marineschiffe anzugreifen.