28.01.2019

„Mit digitalen Zwillingen das Unsichtbare sichtbar machen“

Interview: Digitale Zwillinge werden in der Industrie eingesetzt, um komplexe Prozesse von realen Maschinen zu simulieren. Wir haben mit Jivka Ovtcharova, führende Expertin für Virtual Engineering, über den konkreten Nutzen digitaler Zwillinge gesprochen und warum der Super-GAU von Tschernobyl ihre Karriere maßgeblich prägte.
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digitaler Zwilling
(c) Martin Pacher: Prof. Jivka Ovtcharova wurde 1957 in Bulgarien geboren und leitet derzeit das Institut für Informationsmanagement im Ingenieurwesen am Karlsruher Institut für Technologie

„Das Unsichtbare sichtbar machen“ ist Jivka Ovtcharovas zentrale Devise ihrer Forschung. Die gebürtige Bulgarin leitet derzeit das „Institut für Informationsmanagement im Ingenieurwesen“ in Karlsruhe und gilt als Expertin für „Virtual Engineering“. Dahingehend forscht sie unter anderem zu digitalen Zwillingen. In einem ausführlichen Interview erklärte sie uns deren Nutzen für die Industrie. Zudem gab uns Ovtcharova persönliche Einblicke in ihre Karriere als Wissenschaftlerin und Denkanstöße, wie wir unsere digitale Zukunft „human“ gestalten können.

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In ihrer Forschung beschäftigen Sie sich mit digitalen Zwillingen. Worum handelt es sich bei digitalen Zwillingen?

Ein digitaler Zwilling ist grundsätzlich eine virtuelle Echtzeitabbildung der Struktur und des Verhaltens eines physischen Gegenstandes. Er begleitet und assistiert eine Anlage über deren gesamten Lebenszyklus – vom ersten Entwurf, über Konstruktion und Fertigung bis hin zur Wartung und Recycling. Ein derartiger Zwilling interagiert zu jedem Zeitpunkt mit seinem physischen Gegenstück und liefert wertvolle Daten über den Status und Zustand der Anlage.

Diese Daten werden meist in einer Cloud analysiert und anschließend mit anderen Daten aus der Laufumgebung verknüpft. Die Benutzer dieser Daten gehören zu verschiedenen Zielgruppen, wie Entwicklungs- und Fertigungsingenieure, aber auch Wartungspersonal und Daten-Analysten. Diese sind in der Lage auf die Daten aus verschiedenen Perspektiven zu blicken und aus der Ferne die Anlage zu überwachen und zu steuern.

Welche konkreten Anwendungsbeispiele gibt es für den Einsatz von digitalen Zwillingen?

Die Anwendungsbeispiele sind vielfältig. Nehmen wir als Beispiel die Windkrafträder: In Zukunft werden Energiebetreiber nicht nur über physische Windkrafträder verfügen, sondern auch über digitale Repliken dieser Windkrafträder. Das physische Windkraftrad wird dabei immer in Kontakt zu seinem digitalen Zwilling stehen. Dieser erhält Daten aus der realen Welt – in unserem konkreten Fall vom Windkraftrad – und analysiert diese anschließend.

Über virtuelle Zwillinge können wir beispielsweise, wie bei einem Tomograph, schon frühzeitig innere räumliche Strukturen ermitteln und erkennen, wann ein Windrad ausgetauscht werden muss, bevor es bricht. Dadurch könnten Wartungs- und Reparaturmaßnahmen kostengünstiger gestaltet werden, da die Techniker ins Innere „sehen“ können. Insbesondere bei Offshore-Windkraftanlagen ist die Wartung sehr teuer, da man spezielle Schiffe benötigt.

Wird es irgendwann mal auch digitale Zwillinge von Menschen geben?

Es macht natürlich Sinn über digitale Zwillinge in Bezug auf Menschen vorzudenken – insbesondere in der Gesundheitsvorsorge. Ärzte könnten Menschen viel schneller helfen, wenn sie sofort wissen, wie der Mensch aufgewachsen ist und welche Krankheiten er bereits hatte.

Angenommen Sie reisen in ein fremdes Land und der Arzt spricht ihre Sprache nicht. Über einen digitalen Zwilling würde er sofort wissen, wie ihr Organismus unter Berücksichtigung von Vorerkrankungen funktioniert, um anschließend die richtigen Schritte zu setzen. Die Herausforderung besteht darin, dass die digitalen Zwillinge wie Organismen funktionieren müssen. Und natürlich ist es auch eine Frage der Ethik, die wir immer mitdenken müssen.

Sie gelten als eine führende Expertin im Bereich „Virtual Engineering“ und haben eine beachtliche Karriere im Bereich der Wissenschaft und Technik vorzuweisen. Wie sind Sie mit Technik in Verbindung gekommen?

Die Begeisterung für die Technik kam sehr früh. Ich komme ursprünglich aus Bulgarien und unser Ausbildungssystem war stark durch die spielerische „Hands-On“-Erziehung geprägt. Den entscheidenden Anstoß zu meiner Wissbegierde für die Technik gab jedoch die Buch-Trilogie „100.000 Jahre Technik“, die mein Vater mir als Kind zu Weihnachten geschenkt hat. Das war ein spannendes, wunderbar illustriertes Buch, das mich so gefesselt hat, dass ich es nicht mehr aus der Hand legen wollte.

Obgleich ich damals auch gerne mit Puppen gespielt habe, war das Technikbuch, was meine Fantasie beflügelte. Einen neuen Schub an Begeisterung für die Technik kam durch die Bekanntschaft mit der Tochter einer befreundeten Familie. Diese studierte Maschinenbau und ich durfte ihr beim Zeichnen mit Tusche zusehen. Ihre feminine Erscheinung in Kombination mit dem coolen Zeichenset war ansteckend.

Welchen Effekt hatten die damaligen technologischen Errungenschaften auf ihre Berufswahl?

Als Kind und Jugendliche habe ich in den 60er und 70er Jahren natürlich auch den faszinierenden Aufstieg der Raketen-, Atom- und Computertechnologie miterlebt. Es war eine großartige Zeit, da jeder Mensch das Recht hatte, großes zu leisten. So träumten wir damals, Jungs und Mädchen, wie Juri Gagarin, Walentina Tereschkowa oder Neil Armstrong in den Weltraum zu fliegen.

Auch Mathematik- und Physikunterricht waren das Nonplusultra unserer Bildung. Der Wunsch, an der Entwicklung bahnbrechender Technologien teilzuhaben hat mich zu einem Studium in Maschinenbau in Bulgarien und anschließend nach Moskau gebracht – damals für Osteuropa das Bildungs-Mekka schlechthin. Ich wollte eigentlich Raumschiffe und U-Boote bauen, schlussendlich bin ich aber bei Atomkraftwerken gelandet. Diese Technologie hat mich damals sehr begeistert, bis es im Jahre 1986 in Tschernobyl gekracht hat.

Hat der Super-GAU in Tschernobyl bei Ihnen ein Umdenken in Bezug auf die Nutzung der Atomtechnologie ausgelöst?

Ja, ich habe mich nach der Tschernobyl-Katastrophe neu orientiert – vom Maschinenbau- und Anlagenbau in Richtung Computertechnologie. Ich habe zu dieser Zeit in einem Forschungslabor der bulgarischen Akademie der Wissenschaften in Sofia gearbeitet. Das Labor war in das Zentrum für Physik eingegliedert und wir haben kurz nach der Explosion die Radioaktivität in den Parkanlagen der Stadt gemessen. Es war Anfang Mai. Nach langem Regen schien die Sonne wieder und die Natur sah sehr friedlich aus, solange uns nicht die Knackgeräusche der Geigerzähler die alarmierend hohen Werte der Radioaktivität vor Augen geführt haben. Diese Geräusche haben sich für immer in mein Gedächtnis eingebrannt.

Weiterhin hat die Tschernobyl-Katastrophe zu einem Wendepunkt in der Nutzung der Atomenergie geführt und ich habe die negative Auswirkung dieser Wende auf meine berufliche Zukunft sehr schnell erkannt. Da ich mich bereits mit mathematischen Simulationen befasst habe, ist mir der Berufswechsel in Richtung Computertechnologie leicht gefallen.

Sie haben in Deutschland eine Initiative für eine „digitale humane Zukunft“ gestartet. Worum geht es dabei?

Die Digitalisierung versetzt die Welt, in der wir leben und arbeiten, in einen fundamentalen Umbruch. Wie nie zuvor wandeln sich ganze Branchen und Lebensstile. Neue Werte- und Geschäftsmodelle für und durch die Digitalisierung werden zur Voraussetzung für die Wettbewerbsfähigkeit jedes Einzelnen. Die Digitalisierung wirkt sich auch auf unser kulturelles Miteinander aus. Und natürlich lautet die wichtigste Frage, die sich jetzt stellt: Wie kann eine humane digitale Zukunft aussehen?

Wie kann eine derartige Zukunft aussehen? 

In erster Linie geht es darum, dass alle Menschen, die gleichen Chancen und gleichen Zugriff auf digitale Technologien haben. Digitale Bildung, Befähigung und Handlung für jeden Menschen, unabhängig von Schulabschluss, Alter und Herkunft, ist die Kernvoraussetzung für die Teilhabe am gesellschaftlichen Leben und den beruflichen Erfolg. Ziel meiner Digitalisierungsinitiative ist es daher, digitales Wissen nahtlos in alltägliche Fähigkeiten, berufliche Qualifikationen und wettbewerbsfähige Geschäftsmodelle umzusetzen – schnell, pragmatisch und handlungsorientiert.

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Lukas Höber ist Co-Founder und CEO von sequestra | (c) sequestra
Lukas Höber ist Co-Founder und CEO von sequestra | (c) sequestra

Auch wenn die Debatte rund um den Klimawandel bekanntlich nicht geradlinig verläuft: Industrieunternehmen auf der ganzen Welt haben sich teils mehr, teils weniger ambitionierte Ziele in der CO2-Reduktion gesetzt. Die Emission des Treibhausgases kann aber nicht in allen Industrien tatsächlich vermieden werden. Überall, wo der CO2-Ausstoß unweigerlich zum Prozess dazugehört, braucht es andere Lösungen. An einer davon arbeitet das Wiener Startup sequestra – brutkasten berichtete bereits mehrmals.

CO2-Abbindung trifft Recycling

„Wir entwickeln Technologien, mit denen man CO2 stabil in mineralischen Reststoffen oder auch Primärmaterialien abbinden kann“, erklärt Co-Founder und CEO Lukas Höber im Gespräch mit brutkasten. Dabei setzt sequestra auf Abfallprodukte, etwa Schlacken, Aschen, Bauschutt oder Bergbauabfälle. „Die enthalten oft mineralische Verbindungen, die CO2 stabil abbinden können. Das sind vor allem Calcium- und Magnesiumverbindungen“, so der Gründer. Diese Stoffe nutzt sequestra in seinen Reaktoren. Das nach dem Prozess verbleibende Material soll dann nicht einfach deponiert, sondern zurück in den Kreislauf geführt werden, etwa im Straßenbau oder der Betonindustrie.

Weltweit einzigartiges Labor bereits im Einsatz

Das ist der Plan. Denn noch stehen keine sequestra-Anlagen bei Industriekunden – so weit will man Ende 2027 sein. Schon jetzt betreibt das Startup allerdings ein weltweit einzigartiges Labor, in dem Stoffe auf die Nutzbarkeit zur CO2-Abbindung untersucht werden können – brutkasten berichtete. „Firmen aus der ganzen Welt schicken uns bereits ihr Material und wir prüfen es“, sagt Höber.

Das Labor von sequestra ist weltweit einzigartig. | © sequestra

Patentschutz mit Unterstützung der Austria Wirtschaftsservice (aws)

Die technologischen Prozesse, die sequestra für all das nutzt, sind komplex. Und sie sind weltweit einzigartig. Gleichzeitig forschen Mitbewerber auf der ganzen Welt an derartigen Lösungen. Der Schutz der IP durch Patente liegt also auf der Hand. „Wir haben bislang drei Patente angemeldet, bei einem vierten sind wir momentan im Prozess“, erzählt Höber. Dabei wird sequestra auch von der Austria Wirtschaftsservice (aws) unterstützt.

Konkret nutzte das Startup zum einen die Förderung der Austria Wirtschaftsservice (aws) „Freedom to Operate“. „Man muss auch bei den eigenen Prozessen wissen, was man machen darf. Wenn ein einzelner Prozessschritt bereits von jemand anderem patentiert ist, hat man ein Problem. Daher müssen Patentanwälte ermitteln, was noch frei ist“, erklärt Höber.

Zum anderen nationalisiert sequestra gerade zwei seiner bestehenden Patente, eines davon in den USA, Kanada und im Vereinigten Königreich, denn im ersten Schritt galten diese nur innerhalb der EU. „Hier fördert uns die Austria Wirtschaftsservice (aws) im Rahmen des Programms aws Innovationsschutz mit 50 Prozent“, sagt der Gründer. „Das ist ein extrem kostspieliger Prozess, die Förderung hilft uns also sehr.“

„In manchen Fällen ist es auch schlauer, etwas nicht patentieren zu lassen“

Ist es damit mit dem Schutz der Technologie getan? „Patente sind für uns sehr wichtig, manche komplexen Prozessabläufe kann man aber gar nicht patentieren und in manchen Fällen ist es auch schlauer, etwas nicht patentieren zu lassen“, erklärt Höber. Denn nicht nur sei die Patentierung ein teurer und sehr zeitaufwändiger Vorgang. „Sobald etwas patentiert ist, ist es öffentlich für alle auf der Welt einsehbar und in manchen Ländern kann der Patentschutz umgangen werden“, so der Gründer.

Die Lösung für diese Fälle? Geheimhaltung. Tatsächlich habe man aktuell nur rund 20 Prozent der eigenen Technologie patentiert, der Rest seien Betriebsgeheimnisse. „Als schnell wachsendes Tech-Unternehmen kann man es gar nicht anders machen“, ist Höber überzeugt. Er gibt ein internationales Beispiel: „SpaceX praktiziert das enorm. Trotz der Größe hat das Unternehmen nur ca. 500 Patente. Der Rest läuft über Geschäftsgeheimnisse, um schnell zu sein.“

Rasante Weiterentwicklung – technologisch und am Markt

Und diese Geschwindigkeit brauche man, denn die technologische Entwicklung geht auch bei sequestra zügig weiter. Ein aktuelles Forschungsprojekt, das auch von der FFG gefördert wird, soll etwa die Einsatzmöglichkeit der Technologie auf ein anderes Level heben. „Im Moment brauchen wir für unsere Reaktoren noch hochreine CO2-Ströme, die nur in bestimmten Verfahren entstehen, etwa in Biogas-Anlagen. Mit diesem Entwicklungsschritt wollen wir auch Abgase verarbeiten können, die einen weit geringeren CO2-Anteil haben“, sagt der Gründer.

Und nicht nur technologisch entwickelt sich das Startup rasant weiter, wie Höber, den wir per Videocall auf einer Konferenz in Südafrika erreichen, erzählt: „Ich spreche hier unter anderem mit Bergbauunternehmen. Danach geht es für mich weiter nach Südostasien. Das Potenzial ist enorm und die Nachfrage nicht nur in Europa hoch.“


Disclaimer: Dieser Artikel ist im Rahmen einer Medienbeauftragung mit der Austria Wirtschaftsservice (aws) entstanden.

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