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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V.l.: Wirtschaftsminister Wolfgang Hattmannsdorfer, FFG-Geschäftsführerin Henrietta Egerth und Finnvera-CEO Juuso Heinilä beim Pressegespräch in Alpbach | (c) Martin Pacher / brutkasten

Was Finnland kann, will Österreich jetzt kopieren. Seit 2020 lässt das Land große Industriebetriebe Forschungsökosysteme rund um sich aufbauen, mit einem Hebel von zuletzt 6,6 Euro privater F&E-Investitionen pro Fördereuro. Beim European Forum Alpbach präsentierten Wirtschaftsminister Wolfgang Hattmannsdorfer und FFG-Geschäftsführerin Henrietta Egerth am Mittwoch die österreichische Version: „Leading Companies & Ecosystems“, ausgestattet mit 60 Millionen Euro für drei bis vier Projekte.

Die Ausschreibung ging noch während des Pressegesprächs online. Die 60 Millionen Euro sind für die Umsetzungsphase reserviert, weitere zwei Millionen Euro fließen in die vorgelagerte Roadmap-Phase. Mit bis zu 20 Millionen Euro pro Projekt ist es laut Bundesministerium für Wirtschaft, Energie und Tourismus (BMWET) auf nationaler Ebene die größte Einzelprojektförderung im F&E-Bereich des Ressorts. Einreichungen sind bis 30. November 2026, 12:00 Uhr, möglich.

Der Befund hinter dem Programm: Mit einer Forschungsquote von 3,34 Prozent liegt Österreich EU-weit auf Rang drei, beim Innovationsoutput nur auf Rang acht. „Österreich ist Forschungs-Europameister, aber noch kein Innovations-Europameister“, sagte Hattmannsdorfer. Als ungenutztes Stärkefeld sieht er die exportorientierten Leitbetriebe, denn bei den Hochtechnologieexporten liege Österreich ebenfalls auf Rang drei. Sie sollen nun als „Zugpferde“ KMU, Startups und Forschungseinrichtungen mitziehen.

So funktioniert das Programm

Das Format ist zweistufig. In der jetzt gestarteten Roadmapping-Phase entwickeln Industrieunternehmen eine mehrjährige F&E-Roadmap für eine Schlüsseltechnologie und binden dafür Partner aus Wissenschaft, Startups, Spinoffs und KMU per Absichtserklärungen und Verträgen ein. Jedes einreichende Unternehmen erhält dafür laut Egerth 150.000 Euro, bei der FFG rechnet man mit zehn bis 15 Roadmaps. Die überzeugendsten drei bis vier Konzepte gehen ab 2027 in die auf drei bis fünf Jahre angelegte Umsetzungsphase. Entschieden wird im Wettbewerb: Ausschlaggebend ist laut Egerth, wer die ambitionierteste Roadmap vorlegt, am meisten zusätzliches eigenes Kapital in F&E investiert, die meisten zusätzlichen Forschungsbeschäftigten aufbaut und die stärksten Kooperationen schafft. Die Förderintensität für Großindustrie liegt laut Egerth bei 23 Prozent, den Rest tragen die Unternehmen selbst.

„Da redet das Industrieunternehmen nicht mit“

Für die Startup-Szene ist ein Detail der Förderarchitektur entscheidend: Die bis zu 20 Millionen Euro pro Projekt werden geteilt. Maximal zehn Millionen Euro gehen an den Leitbetrieb, weitere zehn Millionen Euro sind für das Ökosystem reserviert, und über diesen zweiten Topf entscheidet nicht der Konzern. Die Projekte der Partner werden unabhängig vom Leitbetrieb bei der FFG eingereicht. „Da redet das Industrieunternehmen nicht mit“, betonte Egerth. Auch Hattmannsdorfer hob hervor, der Leitbetrieb sei bewusst nicht als Gatekeeper konzipiert, damit „wirklich Ökosysteme entstehen“. Startups winkt zudem eine kommerzielle Perspektive: Die Leitbetriebe sollen laut Egerth teils auch als erste Kunden („First User“) fungieren.

Das finnische Original: Veturi

Das kopierte Programm läuft bei der finnischen Innovationsagentur Business Finland unter dem Namen „Veturi“, auf Deutsch Lokomotive. Ein Bild, das auch Egerth bemühte: Die großen Industrieunternehmen sollen „Lokomotive sein“ und KMU, Startups und Wissenschaft mitziehen. Angepeilt war in Finnland ursprünglich ein Hebel von 3,9 Euro privater F&E-Investitionen pro Fördereuro, die tatsächlichen 6,6 stammen aus den ersten, bis 2024 abgeschlossenen Projekten. Insgesamt haben sich die teilnehmenden Unternehmen zu 2,48 Milliarden Euro an zusätzlichen Forschungsinvestitionen verpflichtet. „Bei einer vergleichbaren Hebelwirkung könnten aus unseren 60 Millionen Euro bis zu 400 Millionen Euro an F&E-Investitionen entstehen“, rechnete Hattmannsdorfer vor.

Juuso Heinilä, CEO der staatlichen finnischen Förderbank Finnvera und Boardmitglied von Business Finland, bestätigte in Alpbach die außergewöhnlich hohe gemessene Wirkung des Programms, beim Hebel ebenso wie bei den Wissens-Spillovers von großen zu kleinen Unternehmen (aus dem Englischen übersetzt): „Ein einzelnes Unternehmen kann gekauft werden oder scheitern. Aber wenn es Ökosysteme gibt, entstehen daraus neue Unternehmen, die auf diesen Erfahrungen und diesem Wissen aufbauen.“ Finnland werde das Programm jedenfalls fortführen und aufstocken.

Dual Use ausdrücklich förderfähig

Auf Nachfrage stellten Hattmannsdorfer und Egerth klar, dass auch Dual-Use-Technologien, also zivil wie militärisch nutzbare Entwicklungen, förderfähig sind. Die Neutralität sei keine Absage an die Sicherheits- und Verteidigungsindustrie, so der Minister: Rund 150 österreichische Unternehmen seien in dem Bereich aktiv, mit einer F&E-Quote von 7,5 Prozent. Noch heuer werde präsentiert, was der Schwerpunkt für die FFG-Förderlandschaft bedeutet. Egerth sprach von einem Paradigmenwechsel: Dual Use sei immer im Portfolio gewesen, aufgrund der geopolitischen Lage nun aber auch „salonfähig“.

„Leading Companies & Ecosystems“ ist Teil der Schlüsseltechnologie-Offensive der Industriestrategie Österreich 2035, von deren 117 Maßnahmen laut BMWET bereits 43 umgesetzt oder in Umsetzung sind. Es folgt auf „Made in Europe“ und die mit 18 Millionen Euro dotierte Pilotanlagenförderung.

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