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Forschungstrends: Autonome Autos, aktive Apartments

Foto: Florian Renner

Technologie Was die Welt verändern wird

Autonome Autos, aktive Häuser, virtuelle Welten, regenerative Medizin: manager magazin beschreibt die Innovationen, die in den nächsten Jahrzehnten unser Leben verändern werden.

Wir schreiben das Jahr 2050. Millionen Deutsche haben das Greisenalter erreicht - und leben dennoch selbstbestimmt zu Hause. Sie sind sozial aktiv, viele noch berufstätig. Denn obwohl es längst nicht mehr genügend junge Leute gibt, die sich um die Alten kümmern, umgibt sie ein Heer allgegenwärtiger Helfer.

Roboter in unterschiedlichster Gestalt nehmen den Bundesbürgern lästige und anstrengende Tätigkeiten ab. Sie putzen und bügeln, verabreichen Mahlzeiten und spornen zum täglichen Fitnessprogramm an. Sie tragen schwere Koffer oder ordern online Lebensmittel. Sie stellen die Kommunikation zu Familie oder Freunden her und vermitteln Bildung. Mehr und mehr verlassen sich die Menschen auf ihre elektronischen Universalassistenten. Schließlich sind Roboter keine tumben Automaten mehr. Sie erkennen Emotionen, gehen auf die Launen und Bedürfnisse ihrer Besitzer ein.

Eine übertriebene Utopie technikverliebter Ingenieure? Mitnichten. Professor Axel Gräser vom Institut für Automatisierungstechnik (IAT) der Universität Bremen arbeitet daran, das roboterunterstützte Leben zu verwirklichen.

Im Forschungsprojekt "Friend" verhilft demnächst ein Assistenzroboter einer querschnittsgelähmten Frau dazu, einen Job als Bibliothekarin an der Uni Bremen auszuüben. Gräsers Team stattete dazu einen Hightech-Rollstuhl mit einem computergesteuerten Arm aus. Den wendigen Greifer kontrolliert die Nutzerin mit ihrem Kinn. So kann sie Bücher aus dem Rollregal neben sich nehmen, die passende Seite aufschlagen und einem sprachgesteuerten PC bibliothekarische Daten diktieren. Schon tüfteln die IAT-Wissenschaftler daran, künstliche Gliedmaßen allein mit der Kraft der Gedanken zu steuern.

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Die universelle Verbreitung von Robotern als Helfern im Alltag ist eine jener technologischen Entwicklungen, die Ulrich Eberl in seinem Buch "Zukunft 2050" schildert. Der promovierte Physiker, der seit 20 Jahren für Unternehmen wie Siemens oder Daimler Langfristszenarien untersucht und beschreibt, hat darin die vier wichtigsten Techniktrends identifiziert, die unser Leben in den kommenden Dekaden radikal verändern werden:

  • In Zukunft erzeugen nicht mehr nur Gas- oder Kohlekraftwerke Energie. Im neuen Stromzeitalter wird Elektrizität flächendeckend gewonnen, gespeichert und verteilt - überall wo sich regenerative Quellen anzapfen lassen: Sonne, Wind, Biomasse, Wasserkraft oder Erdwärme. Den Ökostrom nutzen Konsumenten drei- bis viermal effizienter als heute - etwa in Elektroautos oder LEDs.
  • 2050 lässt sich Materie auf der Nano- und Molekularebene standardmäßig manipulieren. Die Medizin etwa wird maßgeschneiderte Stoffe zur Bekämpfung von Krebs erzeugen oder Körpergewebe aus menschlichen Zellen nachwachsen lassen können. Mikrochips rechnen mit einzelnen Photonen und Elektronen. Und die Quantenphysik hilft, Daten absolut sicher zu verschlüsseln.
  • Dank einer weiteren Vertausendfachung der Leistungsfähigkeit von Rechnern, Speichern, Handys und Datenleitungen leben die Menschen 2050 in einer völlig vernetzten Umwelt. Im "Internet der Dinge" (mm 2/2011) agieren Gegenstände autonom miteinander - mithilfe von Sensoren, Aktoren und Kommunikationschips sprechen Häuser mit Robotern oder Handys mit Plakaten.
  • Die Kommunikation zwischen Mensch und digitalisierter Welt wird revolutioniert. Die allgegenwärtigen Computer der Zukunft reagieren auf Stimme, Mimik und Gesten. Tastatur, Maus und Touchscreen brauchen sie nicht mehr. Hightech-Spielzeuge oder Industrierechner präsentieren virtuelle Welten in Echtzeit und 3-D.

Eberls Prognosen basieren nicht auf Glaskugelvorhersagen. Sie resultieren aus jenen wissenschaftlich-technischen Entwicklungen, an denen heute schon Wissenschaftler an Universitäten, in Forschungsinstituten und Unternehmen arbeiten. Wie der Hilfsroboter des Bremer IAT. Ebenso wichtig: Die Prognosen konzentrieren sich nicht allein auf das technisch Machbare, sondern beziehen auch ökonomische, ökologische und soziale Aspekte ein: Welche Bedürfnisse entstehen? Welche Innovationen sind für wohlhabende und sicherheitsbedürftige Gesellschaften wie die deutsche akzeptabel, welche nicht?

In den kommenden 40 Jahren werden die heutigen Basisinnovationen das Alltagsleben spür- und sichtbar verändern. Für die Bereiche Produktion und Arbeit, Gesundheit, Wohnen und Mobilität sowie Freizeit hat manager magazin die wichtigsten Entwicklungen analysiert.

Digitale Produktion

Fabriken im herkömmlichen Sinne dürfte es 2050 kaum noch geben. Mithilfe von Strom, einem Basisset an Grundstoffen und einem 3-D-Computerprogramm kann jedermann jedes beliebige Produkt erschaffen. Selbst komplexe Systeme werden aus wenigen perfekt gestalteten Einzelteilen zusammengesetzt. Möglich wird dies durch die Nachfolgemodelle heutiger 3-D-Drucker.

Wie die revolutionäre Technik funktioniert, lässt sich bei EOS in Krailling bei München beobachten. Das Sichtfenster einer Laser-Sinter-Anlage zeigt eine tablettgroße Bauplattform, über die ein Schieber gleichmäßig eine rund 20 Mikrometer dicke Schicht hochfeinen Metallpulvers verteilt. Dann führt ein Laser auf der glatten Fläche einen computergesteuerten Tanz auf. Dort, wo der Lichtstrahl das Material erhitzt, verschmelzen einzelne Pulverschichten weißglühend zu einem reliefartigen Muster. Die Bauplattform senkt sich ab, neues Pulver wird aufgetragen, erneut zieht der Laser seine Bahnen, so wie es die 3-D-Software der Maschine vorgibt.

In rund 500 Durchgängen erzeugt die Maschine einen Zentimeter eines Werkstücks: etwa individuell angepasste Zahnkronen oder Hüftgelenksprothesen. Dreidimensionales Drucken oder "Additive Manufacturing" nennen Fachleute die Produktionsmethode, die das Ende der heutigen Industrie bedeuten kann.

Mit 3-D-Printing können Ingenieure und Designer völlig neue Formen kreieren und sie an jeder beliebigen Stelle der Erde produzieren. "Alles, was sich dreidimensional darstellen lässt, können wir on demand überall herstellen", beschreibt EOS-Geschäftsführer Peter Klink die neue Welt der individualisierten Fertigung.

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Die digitalen Werkstätten, die für diese radikal veränderte Produktionsmethode entstehen, werden ebenfalls in 3-D konstruiert. Mittels lebensechter Simulation lassen sie sich auf geringen Energie- und Ressourcenverbrauch hin optimieren. Neue Produkte können zu 100 Prozent recycelbar gestaltet werden. In der neuen Welt des Produzierens können Konstrukteure an ihren Projekten rund um die Uhr und rund um den Globus gemeinsam tüfteln. Die Entwürfe beamen ihre Mobiltelefone in 3-D in den Raum.

Unterdessen schuften in den Werkräumen vor allem hochspezialisierte Roboter, die nicht nur schweißen oder lackieren, sondern auch äußerst komplexe Systeme montieren können. So entwickelt derzeit das Fraunhofer Institut IWU in Chemnitz ein Verfahren, das Motoren automatisch baut - heute passiert das noch weitgehend in Handarbeit.

Regenerative Medizin

Ob Herzklappe oder Bandscheibe - im Jahr 2050 erhalten Kranke keine Prothesen aus Kunststoff oder Spenderorgane mehr. Stattdessen implantieren Chirurgen Körperteile, die aus den Zellen der Patienten gezüchtet wurden und nicht vom Immunsystem abgestoßen werden. Immer häufiger können die Ärzte auf Operationen verzichten. Innovative Therapien aktivieren die körpereigenen Reparaturmechanismen - etwa durch den Einsatz von Stammzellen.

Regenerativ nennen sich die neuen Verfahren, die Molekularbiologen und Mediziner derzeit entwickeln. Im Stuttgarter Fraunhofer Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik zum Beispiel mixt ein Rütteltisch bräunliche Flüssigkeit in Plastikgefäßen. Ein Laserstrahl pickt über eine rosa Lösung, ein Greifarm träufelt Tröpfchen durch Pipetten. Die Produktionsstraße stellt voll automatisch weißlich durchscheinende, centgroße Scheibchen her - 5000 Stücke Haut pro Monat.

"Erstmals können wir alle Schritte von der Zellextraktion über die Vermehrung bis zum Aufbau automatisieren", beschreibt Projektleiterin Heike Walles stolz ihre "Tissue Factory". Ein enormer Durchbruch für die Medizin von morgen.

Zwar gelingt es bereits heute, menschliches Gewebe wie Haut, Knorpel oder Knochen und selbst Organe wie Blase oder Luftröhre künstlich zu erzeugen. Doch solche Implantate werden in mühsamer Handarbeit erstellt. Mit der Forschungsarbeit von Walles rückt die industrielle Züchtung menschlichen Gewebes und damit dessen routinemäßiger Einsatz im Klinikalltag in greifbare Nähe.

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Neben den regenerativen Methoden, die verbrauchte Körperteile ersetzen oder nachwachsen lassen, wird die präventive Medizin die physiologischen Veränderungen des Körpers durch das Alter weiter hinauszögern. Immer ausgefeiltere Methoden der Früherkennung verhindern den Ausbruch schwerer Krankheiten im Entstehungsstadium. Erkenntnisse über die Wechselwirkungen von Ernährung, Umwelt und Verhalten mit dem menschlichen Organismus tragen dazu bei, Verschleiß am Bewegungsapparat oder weitverbreitete Krankheiten wie Diabetes II und Herz-Kreislauf-Beschwerden aufzuhalten. Folge: Die Menschen werden immer älter und bleiben dabei fit.

Aktive Häuser

An Gas- und Ölheizungen werden sich 2050 nur noch die Alten erinnern. Statt CO2 zu produzieren, erzeugen und speichern die Häuser selbst klimafreundlichen Strom. Die gesamte Lebensumgebung des Menschen wird zum Kraftwerk.

Übertrieben? Bereits heute arbeiten Wissenschaftler an Häusern, die energetische Überschüsse produzieren. Martin Zeumer von der TU Darmstadt zum Beispiel: "Wir integrieren Systeme zum Einsparen und Gewinnen von Energie in ansprechende Gebäude wie unser Surplus Home." So wie es das Energiekonzept der Bundesregierung für 2050 vorsieht.

Das Darmstädter Surplus Home ist ein mit schwarzen Solarmodulen verkleidetes Haus. Architekturstudenten der TU haben es gebaut; zweimal hat es den Wettbewerb um das energieeffizienteste Gebäude der Welt, "Solar Decathlon", gewonnen. Doch die ungewöhnlichste Neuerung steckt nicht in der Fassade, sondern in der Decke. Ein Phasenwechsel-Material - als hauchfeines Pulver in Wandfarbe oder Gipskartonplatten gemischt - agiert darin als Klimaanlage.

In winzigste Kügelchen verpacktes Paraffin, eine Entwicklung von Forschern des Chemiekonzerns BASF, beginnt zum Beispiel ab 22 Grad zu schmelzen und nimmt dabei Energie auf. Auch wenn es draußen heißer wird: Drinnen bleibt es durch diesen Effekt so lange konstant kühl, bis sich der Inhalt sämtlicher Mikrokapseln verflüssigt hat. Geht die Temperatur zurück, verfestigt sich das Wachs wieder und setzt dabei Wärme frei, die an kühlen Frühlings- und Herbstabenden heizt oder im Sommer ausgelüftet wird.

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So einfach kann das Einsparen fossiler Brennstoffe sein - und 2050 eine Selbstverständlichkeit. Dann dämmen Vakuum-Isolationspaneele, an deren Optimierung Fraunhofer-Forscher derzeit laborieren, die Außenmauern der Gebäude mit nicht einmal zwei Zentimeter dicken Folien. Belüftet werden die perfekt isolierten Häuser von Systemen mit Wärmetauschern, die nebenbei Elektrizität erzeugen. Für wohliges Raumklima sorgt Ökostrom, geliefert von der Geothermieanlage im Garten, vom Biomasse-Blockheizkraftwerk im Viertel, von Windrädern zwischen Hochhäusern und hocheffizienten Fotovoltaikmodulen, darunter durchsichtige Fotofolien zum Aufkleben auf Fenster, mit denen derzeit Wissenschaftler der US-Universität MIT experimentieren.

Die aktiven Gebäude agieren als Verbraucher, Produzenten und Speicher von Energie - über das Elektroauto in der Garage oder eine jener (von Fraunhofer-Forschern entwickelten) Batterieanlagen für den Keller, die in diesem Sommer in Produktion gehen. Die Plusenergiehäuser sind eingebunden in intelligente Stromnetze, die in den kommenden Jahrzehnten aufgebaut werden. Diese Smart Grids bündeln die einzelnen Stromlieferanten zu zentral gemanagten virtuellen Kraftwerken. An der Software für die Steuerung dieser hochkomplexen Systeme tüfteln bereits die Forscher im Future Energy-Center von SAP.

Sogenannte Energiebutler steuern künftig sämtliche Energiekonsumenten im rundum vernetzten Haus. Die klugen Stromzähler versorgen zum jeweils günstigsten Preis die allgegenwärtigen Serviceroboter, die Leuchtsysteme, die mit energiesparenden LEDs für stimmungsvolle Helligkeit sorgen, oder die von Wetterbericht und Anwesenheitssensoren gesteuerten Jalousien.

Autonome Autos

Jeden Meter mit dem eigenen Auto zu fahren - das gilt im Jahr 2050 als hoffnungslos altmodisch. Nur gestrige Typen besitzen selbst eines jener Elektroautos, die dann größtenteils den Individualverkehr bestreiten. Trendsetter kurven lieber mit den Nachfahren von Elektrofahrrädern oder Segway-Rollern umher.

Bei Bedarf ordert der Kosmopolit eines der Elektromobile, das Serviceanbieter wie VW, Mercedes oder BMW zu Kilometerpreisen offerieren. Das Gefährt rollt autonom zu seinem Mieter und holt ihn an gewünschter Stelle ab. Dann entscheidet der Nutzer: Fahre ich selbst oder lasse ich mich gemütlich chauffieren.

Das Leihfahrzeug ist nur eines der vielen Verkehrsmittel, unter denen der moderne Städter wählen kann. Längere Strecken bewältigt er mit untereinander vernetzten Bahnen, Tram oder Bus, deren Fahrzeiten per Leitsystem perfekt aufeinander abgestimmt sind. Schwere Lasten schleppt ein Gepäckroboter auf Rollen brav hinter ihm her. Kein Witz: Im Forschungszentrum Informatik (FZI) in Karlsruhe kümmert sich ein solcher elektronischer Packesel schon heute um anstrengungslosen Getränkenachschub.

Auf dem Gelände der nahe gelegenen Mackensen-Kaserne kurvt ein silberfarbener Audi Q5 um Signalhütchen. Marcus Strand, Leiter des Living Lab Automotive am FZI, sitzt zwar hinterm Steuer - aber nur zur Sicherheit. Lenken, Bremsen oder Beschleunigen übernimmt der Hochleistungscomputer, der fast den ganzen Kofferraum ausfüllt und die unzähligen Kameras, Sensoren und Navigationshilfen im und am Wagen dirigiert.

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"Ein solches autonomes Fahrzeug hält am Straßenrand an, wenn sein Fahrer einen Herzanfall erleidet. Es ruft den Notarzt und gibt seine Position durch", schildert Strand eine der vielen Anwendungsmöglichkeiten des Selbstfahrers. In den Sitzbezügen stecken Sensoren zur Kontrolle der Vitaldaten der Insassen. Die "Autos mit Augen" können untereinander oder mit ihrer Umwelt - Ampeln oder Verkehrsschildern - kommunizieren und so etwa den Führerscheinverlust durch Geschwindigkeitsübertretung verhindern. Weil sie auch Störungen, wie Kinder, die auf die Fahrbahn laufen, selbstständig erkennen und sofort reagieren, vermeiden sie Unfälle.

Wie die Vernetzung der mitdenkenden Wagen mit ihrer Umwelt einen störungsfreien Verkehrsfluss schaffen kann, das erproben die deutschen Automobilhersteller derzeit im Projekt SimTD in Frankfurt. Die Erfinder des Verkehrs der Zukunft knobeln auch an Systemen, in denen sich Elektroautos selbsttätig im Parkhaus die vorgebuchte Ladesäule suchen. Von da ist es nicht mehr weit bis zum Abholservice an der Haustür.

Virtuelle Welten

In der Science-Fiction-Serie "Star Trek" vergnügt sich die Mannschaft zum Zeitvertreib auf dem Holodeck. Solche Erlebnisräume, in denen die Menschen Cyberreisen oder Fantasieabenteuer in 3-D inklusive Geruch, Vibration und Wind er- leben, gehören 2050 zur Freizeit wie heute Fernsehzimmer oder Computerecke.

Kinofilme, die das Handy per Laserprojektor dreidimensional vorführt, gelten dann wohl schon als alter Hut. So wie die individuelle Zeitung auf dem ausrollbaren Display, die Texte und Bewegtbilder dauernd aktualisiert. Schließlich liefert bereits die nächste Mobilfunktechnologie LTE Übertragungsraten, die 3-D-Daten problemlos bewältigen.

Im Cyberneum der Max-Planck-Gesellschaft in Tübingen kann der Besucher schon heute virtuell durch die Straßen der römischen Stadt Pompeji vor dem Vulkanausbruch wandern. Allerdings muss er dabei noch Videohelm und Spezialbrille tragen und auf einem teppichartigen Fließband marschieren.

Doch die enormen Verarbeitungskapazitäten der Computer der Zukunft werden solche Unzulänglichkeiten in wenigen Jahrzehnten überwinden und ganz neue Vergnügen schaffen. Etwa das angenehme Gefühl, mittels 3-D-Scanner immer die perfekt sitzende Hose angefertigt zu bekommen. Oder für Einkaufsmuffel: den Avatar, der im virtuellen 3-D-Kaufhaus shoppen geht. Solche Computerpersönlichkeiten funktionieren dann auch als Privatsekretär im Web.

Wohin führt das alles?

Individuelle Produktion, nachwachsende Organe, virtueller Genuss, automatische Autos, Strom erzeugende Häuser - der Blick in die Zukunft 2050 fasziniert. Und wirft große Fragen auf.

Wenn jeder seine eigenen Produkte herstellt - was wird aus den Unternehmen? Wie definiert sich Arbeit, wer verdient womit Geld? Wenn sich die Menschen immer wieder erneuern und noch älter werden als heute - wie lange müssen sie dann arbeiten? Und wie kommen ihre mentalen und sozialen Fähigkeiten mit? Oder profaner: Was wird in der Welt des intermodalen Verkehrs aus des Deutschen liebstem Kind - dem teuren Auto als Prestigeobjekt?

Kein Zweifel: Die gewaltigen technologischen Sprünge der kommenden Jahrzehnte werden nicht nur das tägliche Leben extrem verändern. Auch die sozialen und politischen Strukturen müssen mit dem radikalen Wandel Schritt halten. Es bedarf neuer Gesetze, um die rechtlichen Rahmenbedingungen für eine Welt zu schaffen, in der Dinge selbstständig agieren. Vor allem braucht es einen radikal weiterentwickelten Wertekanon und neue soziale Normen - damit die Gesellschaft auch 2050 noch funktioniert.

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