Lokale Produktion durch smarte Wertschöpfungsketten

Die zentrale Hypothese des Clusters ist, dass lokal wirkende Fertigungsverfahren zukünftig zunehmend genutzt werden, um die mangelnde Skalierbarkeit der Massenproduktion für die Herstellung von Kleinserien, Einzelteilen und individualisierten Produktvarianten auszugleichen. Hierzu müssen lokal wirkende Fertigungsverfahren als Teil neuer, smarter Fertigungs- und Wertschöpfungsketten verstanden werden. Die Wertschöpfungs- und Fertigungsketten sind dabei nicht starr, sondern passen sich der nachfrageabhängigen Stückzahl und weiteren Randbedingungen an. Durch die an das jeweilige Szenario angepasste Kombination von Fertigungsverfahren wird es möglich, von etablierten Produktionsstrukturen abzuweichen und somit in kleineren Produktionseinheiten lokal in der Nähe der Endanwender zu produzieren. Die Beherrschung lokal wirkender Fertigungsverfahren, ihre Integration in „smarte“ Fertigungsketten sowie die effiziente, durchgängige Planung und Steuerung der Produktion stellen zentrale Herausforderungen dar, die im GRS Cluster erforscht werden sollen.

Cognitive Dependable Cyber Physical Systems

Eingebettete Elektronik-Baugruppen mit Rechner-Kernen und „vergrabener“ Software sind heute umfassend als „intelligente Kerne“ an nahezu jeder Facette des modernen Lebens beteiligt. Ihre Einsatzbereiche reichen von der autonomen Kontrolle von Ampelsystemen, Informations- und Kommunikationssystemen oder sogar Automobilen und Flugzeugen, über eine semi-automatische Verwaltung von Kraftwerken bis hin zur Bereitstellung von Unterstützung und Ratschlägen für Mechaniker und Chirurgen. Die nächste Generation dieser Baugruppen muss über kognitive Fähigkeiten verfügen, um aus komplexen und oft verrauschten Datensätzen – die von Sensoren unterschiedlicher Art stammen – Informationen zu gewinnen, zu integrieren und um diese mit anderen oft heterogenen Informationen und gespeichertem Wissen verknüpfen zu können. Darauf aufbauend müssen kognitive Systeme die Informationen abstrahieren und interpretieren, um anschließend informierte Entscheidungen zu treffen und das Verhalten des Gesamtsystems, zu dem auch Menschen gehören können, zu koordinieren. Zunehmend sind solche Systeme in der Lage, menschliche Tätigkeiten so auszuführen, wie Menschen es tun würden. Die Integration solcher kognitiven Systeme in das alltägliche Leben bedingt allerdings nicht nur, dass das Verhalten des Systems mit menschlichem Verhalten kompatibel ist, sondern auch, dass wir uns auf das System verlassen können. Die Systeme müssen zuverlässig und sicher sein. Das übergeordnete Ziel des Clusters ist es, solche „kognitiven und zuverlässigen cyber-physikalischen Systeme“ (CD-CPS) zu erforschen und durch die Ausbildung von hochqualifiziertem Personal auch die regionale Industrie in diesem Bereich langfristig zu unterstützen.

Stochastische Methoden für Strömungs- u. Transportvorgänge

Das thematische Cluster hat das Ziel, stochastische Methoden aus der Mathematik für die Modellierung, Simulation und Optimierung von Strömungs- und Transportvorgängen zu untersuchen. Letztere sind fächerübergreifend im Hinblick auf die Schwerpunktthemen Energie und Umwelt an der BTU von fundamentaler Bedeutung. So sind etwa die Aerosolabscheidung in der Bioenergietechnik (LS Mechanische Verfahrenstechnik), die stochastische Turbulenzmodellierung (LS Numerische Strömungs- und Gasdynamik), geophysikalische und technische Strömungen (LS Aerodynamik und Strömungslehre) oder die Lärmanalyse (LS Technische Akustik) einige Beispiele für ingenieurwissenschaftliche Forschungsthemen, bei denen sich die BTU auf nationaler und internationaler Bühne bereits profilieren konnte.

Förderung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG):

Seit 2021 erhält der ehemalige Stipendiat, Dr.-Ing. Sparsh Sharma, eine Förderung aus dem Walter-Benjamin-Programm. Er führt sein Projekt zum Thema »Reduced-Order Modellierung der Schallentstehung an Freistrahlen durch einen abbildungsbasiert stochastichen Ansatz« an der BTU Cottbus-Senftenberg in Kooperation mit der University of Cambridge durch. 

Funktionale Materialien und Schichtsysteme für die effiziente Energiewandlung (FuSion)

Innerhalb weniger Jahre wurde die ständige Verfügbarkeit hoher Rechenleistung in miniaturisierter Form genauso wie die Allgegenwart integrierter Sensoren ein fester Bestandteil unseres täglichen Lebens. Von 2007 bis 2012 hat sich die Anzahl von Sensoren für mobile Geräte wie Handys oder Kameras in beeindruckender Weise erhöht: Von 10 Millionen auf 3.5 Milliarden.* Neue Anwendungsfelder, wie das Internet der Dinge, Industrie 4.0, Smart Wearables, Smart Home, Smart Environment und weitere werden den Bedarf an integrierten Sensoren und an erforderlicher Rechenleistung explosionsartig erhöhen. Zum Betrieb der sogenannten Sensorknoten werden hohe Anforderungen an die elektrische Energieversorgung und die effiziente Energiewandlung gestellt. Für den Betrieb smarter, unabhängiger Sensoren sind neue Batterietypen zu entwickeln, nicht-elektrische Umgebungsenergie ist in elektrische zu überführen (Energy Harvesting) und die physikalischen oder chemischen Wirkmechanismen der Sensorknoten zur Erfassung von Umgebungsparametern müssen sich durch geringstmögliche Leistungsaufnahme auszeichnen. Neuartige Technologien und Ansätze sind für praktische jede Komponente Smarter Sensoren erforderlich, um diesen Anforderungen gerecht zu werden. Dies umfasst die System- und Prozessorarchitektur, die Sensor- und Berechnungsalgorithmen, die Leistungsversorgung, die Energiegewinnungs- und die Energieumwandlungsprozesse. 

Im Cluster FuSion sind die Forschungsaktivitäten der BTU Cottbus – Senftenberg und die von ausgesuchten außeruniversitären Forschungseinrichtungen zusammengeführt und fokussiert worden. Das gemeinsame Ziel ist es, ein tieferes, auf einem interdisziplinären Ansatz beruhendes Verständnis zu Materialen, Prozessen und Filmsystemen zu erlangen, das neue Lösungen für energieeffiziente Bauelemente eröffnet. Die Doktoranden sind in ein einzigartiges und hochgradig interdisziplinäres Umfeld eingebunden. Die Wissenschaftler des Clusters bringen international anerkannte Expertise in experimenteller und theoretischer Methodik in der Physik, der Chemie, den Materialwissenschaften, der Elektrotechnik, der technologischen Prozessentwicklung und der Anwendungsentwicklung mit. Durch die Kombination von Grundlagen orientierten Lehrstühlen der Universität und applikationsorientierten außeruniversitären Einrichtungen steht ein sehr vollständiges und hochqualitatives Forschungsumfeld zur Verfügung, in dem der Zugriff auf modernste und hochqualitative Geräte und Anlagen sowohl im akademischen als auch im professionellen Bereich gegeben ist. Diese werden für Charakterisierungsvorhaben genauso wie für Prozessentwicklung und Simulation genutzt.

Hybride Simulation von GaN-HEMTs und Mikrowellenschaltungen

Im Fokus der Forschung steht die Modellierung und Simulation von High-Electron-Mobility-Transistoren im Materialsystem Gallium-Nitrid (GaN-HEMTs). Obwohl GaN-HEMTs eine Schlüsseltechnologie für jede Art von Funkübertragung der Zukunft darstellen, ist die GaN-Technologie selbst - anders als die Silizium-Technologie - noch nicht vollständig verstanden und kontrollierbar. Ein Grund dafür ist in der komplizierten Physik der III-V-Halbleiter zu finden. Im Rahmen des Clusters soll eine hybride Simulationsplattform für GaN-HEMTs in einer realistischen Mikrowellen-Schaltungsumgebung entwickelt werden, mit deren Hilfe man neben grundsätzlichen physikalischen auch technologisch sowie schaltungstechnisch relevante Fragestellungen adressieren kann.

Förderung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG):

Das Cluster diente zur Vorbereitung des internationalen Forschungsprojekts »Charakterisierung und Modellierung von Niederfrequenz-Dispersion in Gallium-Nitrid Transistoren im Schaltbetrieb« gefördert durch die DFG (2020-2023). Es handelt sich um ein Kooperationsprojekt mit Prof. Ingmar Kallfass, Universität Stuttgart, und Prof. Dan Ritter, Technion, Israel Institute of Technology, Haifa.

Signaturen stark gestörter Landschaften – am Fallbeispiel von Bergbaulandschaften

Zu den wenigen verbleibenden terrestrischen „weißen Flecken auf der Landkarte“ gehören Bergbaugebiete weltweit. Bergbaugebiete sind jedoch nur ein Beispiel für Regionen, die durch erhebliche Störungen geprägt sind. Anders als die kartographische „terra incognita“ gestörter Landschaften erwarten lässt, geht das beantragte GRS-Microcluster dementsprechend davon aus, dass stark gestörte Landschaften durchaus durch spezifische „Signaturen“ gekennzeichnet sind.
Signaturen von gestörten Landschaften im Sinne dieses Microclusters manifestieren sich in messtechnisch nachweisbaren, raumzeitlichen Musterbildungen und sind Ausdruck von skalenübergreifenden Stoffumsetzungs- und -verlagerungsvorgängen.
Die zentralen Fragestellungen des Verbundvorhabens sind:

• Anhand welcher spezifischen raumzeitlichen Musterbildungen lassen sich Signaturen gestörter Landschaften im Vergleich zu ungestörten Landschaften identifizieren und wie lassen sie sich erklären?
• Sind gestörte Landschaften Stoffquellen für benachbarte, ungestörte Landschaftsteile und welche Auswirkungen haben diese Stofftransporte?

Zur Bearbeitung dieser Fragestellungen wird das Microcluster das Fallbeispiel der Niederlausitzer Bergbaufolgelandschaften nutzen.

Die Forschungsidee des Clusters »Integrated analysis of Multifunctional Fruit production landscapes to promote ecosystem services and sustainable land-use under climate change« (MultiFruit) bestand darin, ausgewählte Aspekte des Konzepts multifunktionale Landschaften im Klimawandel zu untersuchen. Hierbei wurden die Herstellung von Agrarprodukten mit der Bereitstellung von Ökosystemleistungen und dem Erhalt der biologischen Vielfalt kombiniert. In einem interdisziplinären Team arbeiteten Doktorandinnen aus den Disziplinen Ökologie, Ökonomie, Mikrobiologie, Environmental Data Science, Bodenkunde und Ökotoxikologie gemeinsam zum Thema von MultiFruit. Obstplantagen waren von Interesse, weil sie ein erhebliches Potenzial für eine ökologische Intensivierung in multifunktionalen Landschaften haben, auf Grund ihrer wirtschaftlichen Relevanz für Südafrika und den erheblichen Probleme mit zunehmenden Dürrebedingungen in der Untersuchungsregion. 

Die demografische Entwicklung in der Lausitz bietet ein besonderes Potenzial in der Gesundheitsforschung, insbesondere im Hinblick auf die immer älter werdende Bevölkerung. Das Bundesland Brandenburg hat einen großen Bedarf, die medizinischen Probleme einer alternden Bevölkerungsstruktur (wie Zell- und Gewebeabbau sowie Unverträglichkeiten bei Multimedikation) zu erkennen, wissenschaftlich zu analysieren und durch innovative Ideen und evidenzbasierte Ansätze zu lösen. Das Cluster konzentrierte sich auf die Probleme einer alternden Bevölkerung mit zellbasierten Lösungsansätzen, wie beispielsweise der patientenspezifischen Zelltherapie von Arthrose. Weitere Schwerpunkte waren polypharmakologische Testsysteme, bei denen Wirkstoffe auf Leberzellen und anderen Zellen im Bioreaktor-System untersucht wurden, sowie die Entwicklung automatisierter, multiparametrischer Diagnostikverfahren und Datenwissenschaften, einschließlich des maschinellen Lernens mit Patientendaten und biologischen Proben. Der Fokus des Clusters lag auf der Aufklärung zellulärer Mechanismen, die letztendlich mit personalisierter Medizin beeinflusst werden können. Besondere Aufmerksamkeit galt regenerativen Behandlungsmethoden und der Entwicklung individualisierter in-vitro-Wirkstofftests als neue „FUNCTIONOMICS“-Plattform.