Mikrosystemtechnik

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Eine ganz eigene Welt

© Fraunhofer ISE

Von Friedrich List

Im Süden und Südwesten der Republik gibt es viele Hidden Champions, also mittelständische Technologieunternehmen von Weltruf, und Forschungsinstitutionen, deren Ergebnisse ebenfalls weltweit für Beachtung sorgen. Das gilt nicht nur für die bekannten großen Marken, sondern auch für weniger sichtbare Bereiche wie die Mikrosystemtechnik. Dort wirken Sensoren, Aktoren (also stark miniaturisierte Motoren) und Elektronik zusammen. Eingesetzt werden sie in so unterschiedlichen Bereichen wie der Medizin, in technischem Spielzeug, in der Elektrotechnik oder in der Luft- und Raumfahrt. Die führende Region in Deutschland ist Baden-Württemberg; allerdings holen bayerische Standorte stark auf.

Was Mikrosysteme können

Was haben der NASA-Marshubschrauber Ingenuity und die Märklin-Nachbildung des Krokodil im Eisenbahnmaßstab 1/87 gemeinsam? In beiden steckt deutsche, speziell baden-württembergische Mikrosystemtechnik.

Ingenuity ist eine kleine Hubschrauberdrohne, die mit dem Mars-Rover Perseverance zum Roten Planeten reiste. Der Minihubschrauber hat seit April 2021 mehrere Flüge unternommen und dabei Bilder und Sensordaten zur Erde gefunkt. Er ist 1,20 m lang und bringt etwa 1,8 kg auf die Waage. Prof. Achim Trautmann von der Hochschule Kaiserslautern hat einen der Hubschraubersensoren maßgeblich mitkonstruiert. Dieser Sensor erfasst eigentlich die Beschleunigungswerte von Smartphones und Spielekonsolen. An Bord der Ingenuity sorgt er dafür, dass der Minihelikopter selbstständig seine Position hält und stabil weiterfliegt, sobald er neue Steuerimpulse bekommt. Die Perseverance-Mission soll die Geologie des Mars erforschen und nach Spuren früheren mikrobakteriellen Lebens suchen.

MW-PIA24542 fig1.jpg Am 6. April 2021 machte der NASA-Mars-Rover Perseverance dieses Selfie mit dem kleinen Ingenuity-Helikopter, der seitdem mehrfach erfolgreich über dem Roten Planeten aufgestiegen ist – mit Sensorik, die zum Teil aus Kaiserslautern kommt. (Bild: NASA)

Genauso klein, aber genauso leistungsfähig ist die Mikrosystemtechnik, die in Märklin-Loks steckt. So fährt die HO-Nachbildung des Schweizer Krokodil, also der achtachsigen E-Lok der Baureihe 6/8 II, mit Kupplungen durch die Modellbahnlandschaft, die aus einer Metalllegierung mit Formgedächtnis bestehen. Das ist eine extrem dünne Metallfolie, die in eine bestimmte Form geprägt wurde, die sie nach einem Formwechsel wieder annimmt. Die Kupplung funktioniert nach einem thermischen Prinzip: Im kühlen Zustand ist sie geschlossen, und eine Feder drückt den Kupplungsarm nach unten. Erhitzt ein schwacher elektrischer Impuls den Aktor, erinnert er sich an seine Ursprungsform und bewegt den Bügel; die Kupplung geht auf.

Diese Lösung ermöglicht maßstabsgetreue Kupplungen, was bislang kaum zu realisieren war. Bei der neuen Modellbahnlok arbeitete der Göppinger Miniaturbahnhersteller mit der Firma Memetis zusammen. Memetis ist eine Ausgründung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Das 2017 gestartete Unternehmen hat sich auf Aktoren aus Formgedächtnislegierungen spezialisiert und liefert Lösungen für eine breite Palette von Industrien. Dazu gehören Firmen aus dem medizintechnischen und biotechnologischen Bereich, der Robotik, den Lebenswissenschaften und der Luft- und Raumfahrttechnik.

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Schwarz auf Weiß
Dieser Beitrag ist zuerst in unserer Magazin­reihe „IT-Unternehmen aus der Region stellen sich vor“ erschienen. Einen Über­blick mit freien Down­load-Links zu sämt­lichen bereits verfügbaren Einzel­heften bekommen Sie online im Presse­zentrum des MittelstandsWiki.

Innovationen aus Baden-Württemberg

Baden-Württemberg nimmt in der deutschen Mikrosystemtechnik eine führende Rolle ein. Sowohl namhafte Unternehmen wie auch renommierte Forschungsinstitute haben im Musterländle ihren Sitz. Viele der Unternehmen sind spezialisierte Mittelständler, wie etwa das bereits genannte Memetis, aber auch 2E mechatronic oder Biofluidix. Auch große Firmen wie Bosch, Roche Diagnostics oder Sick produzieren Mikrosystemtechnik. Die Carl Zeiss AG hat sich bei der Herstellung von Optiken für nanostrukturierte Computerchips einen Namen gemacht.

Zu den wissenschaftlichen Institutionen zählen das Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg und das Zentrum NanoMikro des Karlsruher Instituts für Technologie. Das Freiburger Institut bildet mit 21 Professuren die relevanten Felder des Faches ab. Und in Karlsruhe arbeiten über 800 Wissenschaftler. Das in Konstanz ansässige Nano-Zentrum Euregio Bodensee e.V. unterstützt mittelständische Unternehmen dabei, aus neuen Entwicklungen anwendungsreife Produkte zu machen.

So arbeiten IMTEK-Forscher seit April 2021 an einem miniaturisierten Sensor zur Frischeüberwachung von Lebensmitteln, den man mit einem handelsüblichen Smartphone auslesen kann. Dabei ist der Sensor nicht viel dicker als eine gängige Klebefolie und wird wie ein Produktlabel aufgeklebt. SnapFresh soll helfen, die Menge unnötig verdorbener und weggeworfener Lebensmittel zu mindern. Das Sensorlabel misst sogenannte Frischeindikatorgase wie Sauerstoff oder Amine in der Verpackung und zeigt an, ob der Inhalt genießbar ist oder nicht. Mitarbeiter im Lebensmittelhandel oder Verbraucher können über entsprechende Reader oder eben ihr Smartphone sehen, ob der Packungsinhalt zum Verzehr geeignet ist oder nicht mehr. So lässt sich ein tatsächliches Verfallsdatum feststellen.

Das NanoZentrum Euregio Bodensee bringt immer wieder interessante Produkte hervor. 2013 wurde die Konstanzer Medizintechnikfirma Orthobion vom Land Baden-Württemberg für die Entwicklung eines Biomaterials für Wirbelsäulen-Implantate ausgezeichnet. Das Material lässt eine Knochenbrücke zwischen dem eigentlichen Implantat und dem Wirbelkörper wesentlich schneller wachsen. Inzwischen hat sich das Unternehmen simOS GmbH gegründet, um diesen „Titan-Kunststoff“ zu produzieren und zu vermarkten.

Mikrosystemtechnik aus Bayern

Im Nachbarland Bayern finden sich ebenfalls eine vielfältige Forschungslandschaft und zahlreiche Technologieunternehmen. Der Großraum München hat sich zu einem wichtigen Standort für Mikroelektronik, IT und andere Hightech-Sparten entwickelt. In der Mikrosystemtechnik zeichnet sich die in München beheimatete Fraunhofer-Einrichtung für Mikrosysteme und Festkörper-Technologien EMFT durch innovative Projekte aus. Um die Universität Landshut hat sich ein eigener Cluster Mikrosystemtechnik etabliert, und auch an Universitäten wie Regensburg und Erlangen finden entsprechende Forschungsvorhaben.

Ähnlich wie ihre Kollegen am IMTEK arbeiten die EMFT-Forscher an Mikrosensoren zur Qualitätsüberwachung von Nahrungsmitteln. Im Projekt SHIELD sollen neue Verfahren entwickelt werden, mit denen sich die Qualität von Lebensmitteln genauer überwachen und bestimmen lässt. SHIELD ist eine von der Bayerischen Forschungsstiftung geförderte Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV, dem Lehrstuhl für Aroma- und Geruchsforschung der Universität Erlangen und dem Lehrstuhl für Analytische Chemie der TU München. EMFT zeichnet für die Entwicklung der Sensoren verantwortlich, die die Qualitätssicherung entlang der Produktions- und Lieferkette verbessern und zum Beispiel sicherstellen sollen, dass in Biolebensmitteln auch tatsächlich die entsprechend zertifizierten Rohlebensmittel genutzt werden.

Ein weiteres EMFT-Projekt sind biegsame und transparente Solarzellen, die umwelt- und ressourcenschonend produziert werden können. Die EMFT-Wissenschaftler verwenden eine laserstrukturierte Aluminiumschicht, die die elektrischen Leiterbahnen bei der Abscheidung maskiert. Normalerweise wird dazu Fotolack verwendet, der aber zu organisch verunreinigten Abwässern führt. Dagegen lassen sich die für den Prozess nötigen kleinen Aluminiummengen leicht ausfiltern und vollständig wiederverwenden.

Temperaturen wie in der Raumfahrt

Der Cluster Mikrosystemtechnik ist eine Einrichtung der Hochschule Landshut und unterstützt Unternehmen bei der gemeinsamen Entwicklung neuer Produkte, Materialien und Verfahren. Zum Cluster gehören neben Forschungseinrichtungen auch Unternehmen wie OEMs, Zulieferer sowie kleine und mittelständische Unternehmen.

Eines der Projekte an der Hochschule Landshut ist die Entwicklung eines neuartigen Wärmeflusssensors für Verbrennungsmotoren. Dabei haben ein Forscherteam der Fakultät Maschinenbau und Entwickler der Spiess Motorenbau GmbH zusammen gearbeitet. In Verbrennungsmotoren entstehen Temperaturen bis zu 1000 °C – etwa vergleichbar mit den Hitzegraden, die die Schutzkacheln an der Unterseite des Space Shuttles bei der Rückkehr aus dem Weltraum aushalten mussten. Wenn derartig heiße Gase auf die Zylinder- und Kolbenwand treffen, muss das Material starke Belastungen aushalten. Die Brennraumwände leiten einen Teil der Energie ab, aber das kann zu unsauberer Verbrennung führen und zusätzliche Schadstoffbelastungen verursachen. Die Forscher haben nun einen Hitzesensor entwickelt, mit dem sie direkt in der heißen Zone Daten sammeln können. So lassen sich Wärmeflüsse im Motor schneller und präziser verfolgen. Dadurch können Hersteller von Verbrennungsmotoren beispielsweise bessere Vorhersagen zur Entstehung von Schadstoffen oder zum Verschleiß von Motorteilen treffen.

Auch das Verhalten von alternativen Treibstoffen wie Wasserstoff oder Biomethan lässt sich besser untersuchen. Der neue Sensor könnte auch dabei helfen, die Verbrennungssteuerung besser zu regeln und für optimale Verbrennungsvorgänge zu sorgen. Geeignet ist er nicht nur für die herkömmlichen Fahrzeugmotoren, sondern auch für die Brennkammern von Gasturbinen, wie sie in Flugzeugen oder in stationären Anlagen wie Großkraftwerken verwendet werden.

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Friedrich List ist Journalist und Buch­autor in Hamburg. Seit Anfang des Jahr­hunderts schreibt er über Themen aus Computer­welt und IT, aber auch aus Forschung, Fliegerei und Raum­fahrt, u.a. für Heise-Print- und Online-Publikationen. Für ihn ist SEO genauso interessant wie Alexander Gersts nächster Flug zur Inter­nationalen Raum­station. Außerdem erzählt er auch gerne Geschichten aus seiner Heimatstadt.

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