Ein Netzwerk aus 50 Partnerinstitutionen wird zukünftig Zugang zu polaren
Forschungsinfrastrukturen ermöglichen. Die Europäische Union fördert das
neue Projekt POLARIN (Polar Research Infrastructure Network) in den
kommenden fünf Jahren mit 14,6 Millionen Euro. Es startet offiziell am 1.
März 2024 und soll interdisziplinäre Forschung fördern, die sich den
wissenschaftlichen Herausforderungen in beiden Polarregionen stellt.

Die Polarregionen spielen eine Schlüsselrolle im System der Erde und sind
besonders wichtig für unser Klima. Um die komplexen Prozesse in den
Polarregionen zu verstehen und vorherzusagen sowie um datenbasierte
Informationen bereitzustellen, benötigt die Polarforschungsgemeinschaft
Zugang zu Forschungsinfrastrukturen von Weltrang, die in diesen Regionen
arbeiten können. Das von der Europäischen Union geförderte Projekt POLARIN
(Polar Research Infrastructure Network) wird einen vollständig
finanzierten, länderübergreifenden, virtuellen und Fernzugang zu 64
polaren Forschungsinfrastrukturen ermöglichen. Es wird interdisziplinäre
Forschung fördern, die sich den wissenschaftlichen Herausforderungen in
beiden Polarregionen stellt. Um dieses Ziel zu erreichen, hat sich ein
Netzwerk von 50 europäischen und internationalen Partnerinstitutionen
(darunter auch Institutionen aus Kanada, den USA, Großbritannien, der
Ukraine und Chile) zusammengeschlossen. POLARIN ist das größte Projekt,
das das Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und
Meeresforschung (AWI) derzeit koordiniert. Die EU finanziert POLARIN ab
dem 1. März 2024 mit 14,6 Millionen Euro in den kommenden fünf Jahren.

Die Polarregionen sind für unser Klima von entscheidender Bedeutung.
Zugleich gelten sie als Frühwarnsysteme des Klimawandels und stehen im
Fokus der menschlichen Ausbreitung und der Erschließung neuer Ressourcen.
Die Polarregionen sind geprägt durch einen fortschreitenden Verlust des
Eises sowie sich rapide verändernder Ozeane und Landmassen. Die Folgen
dieses polaren Wandels erstrecken sich auf den gesamten Planeten und
betreffen die Menschheit auf vielfältige Weise. Daher benötigt die Politik
datenbasierte Empfehlungen für den zukünftigen Umgang mit den
Polarregionen. Es existieren jedoch nur wenige Forschungsinfrastrukturen,
die in solchen schwer erreichbaren Extremgebieten arbeiten können. Der
Zugang zu und die Integration von Forschungsinfrastrukturen stellen den
Schlüssel zur Stärkung der europäischen Forschung dar. Des Weiteren tragen
sie zur Steigerung der Beobachtungs- und Modellierungskapazitäten zur
Bewältigung der großen Herausforderungen bei, mit denen diese Regionen –
und über globale Wechselwirkungen das ganze „System Erde“ – konfrontiert
sind.

„Das Besondere an POLARIN ist, dass wir zum ersten Mal den Zugang zu
Forschungsinfrastrukturen sowohl in der Arktis als auch in der Antarktis
im Rahmen eines einzelnen Projekts anbieten“, erklärt Dr. Nicole Biebow,
die Projektkoordinatorin von POLARIN am Alfred-Wegener-Institut. „Wir
haben ein Netzwerk komplementärer und interdisziplinärer
Forschungsinfrastrukturen geschaffen, das alle verwandten
Forschungsbereiche umfasst – von der marinen und terrestrischen Forschung
bis hin zur Atmosphäre. Dies ist ein einzigartiger und neuartiger Ansatz.“

POLARIN wird internationalen Zugang zu 64 hochrangigen polaren
Forschungseinrichtungen ermöglichen, die arktische und antarktische
Forschungsstationen, Forschungsschiffe und Eisbrecher an beiden Polen,
Observatorien (an Land und auf See), Dateninfrastrukturen sowie Eis- und
Sedimentkernlager umfassen. Es sind dabei einerseits Plätze an
beziehungsweise auf den Infrastrukturen eingeplant. Andererseits wird
virtueller Zugang beispielsweise zu Dateninfrastrukturen bereitgestellt.
Außerdem ermöglicht POLARIN Fernzugriff auf die Infrastrukturen - das
bedeutet, dass Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Proben, Datensätze
oder ähnliches anfragen können, die dann an einer Infrastruktur erhoben
werden, ohne dass die Anfragenden selbst vor Ort sind. Zu dem Konsortium
gehören neben dem AWI mit internationalem Zugang zu Forschungseisbrecher
Polarstern und zur Neumayer-Station III aus Deutschland das Helmholtz-
Zentrum Potsdam Deutsches Geoforschungszentrum (GFZ) und die FL Polar
Operation GmbH (FLPO).

Anhand von Ausschreibungen für Projektanträge wird sichergestellt, dass
die über POLARIN finanzierten Projekte die von internationalen
Organisationen und Programmen identifizierten spezifischen
Herausforderungen angehen, zu größeren europäischen und internationalen
Initiativen beitragen und die Politikgestaltung unterstützen. Darüber
hinaus wird POLARIN Online-Dienste, Datenzugang und Interoperabilität
zwischen Systemen verbessern und dafür sorgen, dass neue Generationen für
die Nutzung der modernsten Forschungsinfrastrukturen geschult werden.
Diese Schulungen umfassen Seminare zu Themen wie Planung der Feldarbeit,
nachhaltige Nutzung von Forschungsinfrastrukturen und technologische
Ausrüstung sowie die Erhebung und Handhabung von Daten oder ein spezielles
Sicherheitstraining für Polarregionen.

Online bestellte Produkte kommen häufig in überdimensionalen Kartons vor
der Haustür an. Die Ausmaße der Pakete sind oftmals viel größer als der
Inhalt. So landet etwa ein Parfum in einem Schuhkarton-großen Umkarton,
Polstermaterialien füllen den leeren Raum. Nachhaltig ist das nicht.
Abhilfe schafft die Optimierungssoftware CASTN des Fraunhofer-Instituts
für Materialfluss und Logistik IML, indem sie kundenindividuell die
optimale Karton-Auftrag-Kombination zusammenstellt. Ausgeklügelte
Algorithmen berechnen die beste Auslastung der Pakete auf Basis der
Artikel- und Auftragsstruktur.

Der Onlinehandel unterliegt einem stetigen Wandel – aktuelle Trends und
saisonale Schwankungen beeinflussen die Artikel- und Auftragsstruktur. Mit
der steigenden Vielfalt an Produkten und der variierenden Auftragsstruktur
wächst mit der Zeit auch das Spektrum an Versandkartonagen. Obwohl die zur
Verfügung stehenden Verpackungen immer vielfältiger werden, nimmt der
Volumennutzungsgrad häufig ab. Wenig Platz beanspruchende Artikel wie
Parfums, Kosmetika oder Schmuck landen in überdimensionierten Kartons. Das
liegt vor allem daran, dass Verpackungen nicht auf die veränderten
Anforderungen wie Abmessungen und Gewicht der Produkte und Aufträge
abgestimmt sind. Dieses Problem adressieren Forschende am Fraunhofer IML
mit der Kartonset-Optimierungssoftware CASTN (Carton Set Optimization).
Die Entwicklung der Software wurde vom Fraunhofer-Leistungszentrum für
Logistik und IT gefördert.

CASTN stellt für Versandunternehmen ein optimal auf deren jeweilige
Auftrags- und Artikelstruktur abgestimmtes Kartonset zusammen. »Will ein
Händler etwa ein Set mit zehn verschiedenen Kartons an seinen
Packstationen einsetzen, so müssen diese auf die Auftrags- und
Artikelstruktur angepasst werden, um den bestmöglichen Volumennutzungsgrad
zu erzielen. Die Produkte müssen also möglichst viel Volumen des Kartons
ausfüllen, sodass nur wenig Füllmaterial wie Polsterfolie verwendet werden
muss«, erläutert Lukas Lehmann, Wissenschaftler am Fraunhofer IML. Um dies
zu realisieren, spielt das Entwicklerteam des Fraunhofer IML die
Kundendaten (Bestell- und Artikelstammdaten sowie
Verpackungsspezifikationen) in CASTN ein. Um einen repräsentativen
Zeitraum und saisonale Schwankungen abzubilden, bewähren sich in der Regel
die Daten eines Jahres. Mithilfe dieser Inputparameter berechnen zwei
miteinander verknüpfte Software-Algorithmen im Zusammenspiel das optimale
Kartonset. Dabei werden Kundenanforderungen wie minimale oder maximale
Packgrößen ebenso berücksichtigt wie die Vorgaben der
Logistikdienstleister.

30 Prozent Artikel, 70 Prozent Luft

Zentral für CASTN sind zwei Algorithmen: Der erste verwendet einen
evolutionären Ansatz, um verschiedene Kartonsätze auf der Grundlage von
Parametern wie der Anzahl der zulässigen Kartons oder der maximalen und
minimalen Abmessungen zu erstellen. Der zweite Algorithmus, ein Bin-
Packing-Algorithmus, sorgt dafür, dass die Bestellungen effizient in die
ausgewählten Kartons gepackt werden. Ziel ist es, das minimale Packvolumen
und das kleinste Gesamtvolumen mit der Ware herzustellen. Am Ende dieses
Vorgangs bewertet die Software jeden einzelnen Karton eines Sets und
prüft, wie gut das Innenvolumen mit dem bestehenden Auftrag ausgenutzt
wurde. Diese Informationen fließen wieder in den evolutionären
Algorithmus, der anhand des Scorings der Kartons neue, bessere Sets
zusammenstellt. Dies erfolgt iterativ so lange, bis keine weitere
Verbesserung des Volumennutzungsgrades erreicht wird. »Die Kunden kennen
den Volumennutzungsgrad ihrer Kartons häufig nicht, dieser liegt meist nur
bei rund 30 Prozent. Sie wissen nicht, wieviel Luft sie verschicken. Das
berechnet unsere Software«, sagt der Forscher. Im Anschluss an die
Optimierung erfolgen die Analyse und Beratung mit dem Kunden, um die
geeigneten Kartonsets auszuwählen.

Mehrere Industriepartner mit jeweils eigenem Onlinehandel konnten bereits
von der Kartonset-Optimierung profitieren und ihre Volumenauslastung bei
gleichzeitiger Reduzierung der Anzahl der Kartonvarianten um 35 bis 45
Prozent steigern.

Mehr Umweltschutz im E-Commerce

Im nächsten Schritt wollen Lehmann und sein Team den Funktionsumfang der
Software um komplexe Geometrien von Artikeln und zusätzliche
Artikeleigenschaften erweitern. »Mit CASTN wollen wir mehr Nachhaltigkeit
in der Logistik fördern. Durch optimal abgestimmte Kartonsets lassen sich
Verpackungs- und Füllmaterial reduzieren. Das führt zu einer besseren
Auslastung der Lkws, kann Platzverschwendung vermeiden und CO2-Emissionen
senken«, sagt Lehmann. Versendende Unternehmen können durch den Einsatz
von CASTN einen Beitrag zum Umweltschutz leisten und zugleich Verpackungs-
und Transportkosten einsparen.

Diamant zeichnet sich durch eine unerreichte Wärmeleitfähigkeit aus. Das
Material eignet sich daher ideal zur Kühlung von elektronischen
Komponenten mit hohen Leistungsdichten, wie sie etwa in Elektrofahrzeugen
eingesetzt werden. Forschenden von Fraunhofer USA, einer selbständigen
Auslandsgesellschaft der Fraunhofer-Gesellschaft, ist es gelungen,
hauchdünne Nanomembranen aus synthetischem Diamant zu entwickeln, die sich
in elektronische Bauteile integrieren lassen, wo sie die lokale
Wärmebelastung um das bis zu Zehnfache reduzieren können. Auf diese Weise
können die Fahrleistung und Lebensdauer von E-Autos gesteigert werden.
Auch die Ladezeit der Batterie verkürzt sich deutlich.

Steigende Leistungsdichten und damit verbunden höhere Wärmeableitungen in
elektronischen Bauelementen erfordern neue Materialien: Diamant zeichnet
sich durch seine hohe Wärmeleitfähigkeit aus, die vier- bis fünfmal höher
ist als die von Kupfer. Damit ist das Material besonders interessant für
die Kühlung von Leistungselektronik in der Elektromobilität, für
Photovoltaik oder Speichersysteme. Dort vergrößern bislang Kühlkörper aus
Kupfer- oder Aluminiumplatten die wärmeabgebende Oberfläche eines
wärmeproduzierenden Bauteils und beugen damit einer Beschädigung durch
Überhitzung vor. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern von Fraunhofer
USA Inc., Center Midwest CMW in East Lansing in Michigan, einer
selbständigen Auslandsgesellschaft der Fraunhofer-Gesellschaft, haben nun
Nanomembranen aus synthetischem Diamant entwickelt, die dünner sind als
ein menschliches Haar. Das flexible Material lässt sich direkt in
elektronische Bauteile integrieren, etwa zur Kühlung der
Leistungselektronik in Elektrofahrzeugen, die dort beispielsweise die
Traktionsenergie von der Batterie in den E-Motor weiterleitet und dabei
den Strom von Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt. Die flexiblen,
elektrisch isolierenden Nanomembranen von Fraunhofer USA haben das
Potenzial, die lokale Wärmebelastung der elektronischen Komponenten wie
Stromregler in Elektromotoren um das Zehnfache zu reduzieren.
Energieeffizienz, Lebensdauer und Fahrleistung von E-Autos werden dadurch
maßgeblich verbessert. Ein weiterer Vorteil: In der Ladeinfrastruktur
tragen die Diamantmembranen zu einer fünffach höheren Ladegeschwindigkeit
bei.

Diamantmembran ersetzt isolierende Zwischenschicht

In der Regel verbessert eine unter dem Bauteil angebrachte Kupferschicht
den Wärmefluss. Zwischen Kupfer und Bauteil befindet sich eine elektrisch
isolierende Oxid- oder Nitridschicht, die jedoch Wärme schlecht leitet.
»Diese Zwischenschicht wollen wir durch unsere Diamant-Nanomembran
ersetzen, die die Hitze höchst effektiv an das Kupfer weiterleitet, da
Diamant zu leitenden Bahnen verarbeitet werden kann«, sagt Dr. Matthias
Mühle, Leiter der Gruppe Diamanttechnologien am Fraunhofer USA Center
Midwest CMW. »Da unsere Membran flexibel und freistehend ist, lässt sie
sich beliebig am Bauteil oder am Kupfer positionieren oder direkt in den
Kühlkreislauf integrieren.«

Dies gelingt, indem Mühle und sein Team die polykristalline Diamant-
Nanomembran auf einem separaten Siliziumwafer wachsen lassen, sie
anschließend ablösen, umdrehen und die Rückseite der Diamantschicht
wegätzen. So entsteht ein freistehender, glatter Diamant, der sich bei
einer Niedrigtemperatur von 80 Grad Celsius aufheizen und nachträglich auf
das Bauteil aufsetzen lässt. »Durch die Wärmebehandlung verbindet sich die
mikrometerdicke Membran automatisch mit der elektronischen Komponente. Der
Diamant ist dann nicht mehr freistehend, sondern ins System integriert«,
erläutert der Forscher.

Die Nanomembran lässt sich im Wafer-Maßstab (4 Zoll und mehr) realisieren,
wodurch sie sich für Industrieanwendungen eignet. Die Entwicklung ist
bereits zum Patent angemeldet. Noch in diesem Jahr sollen
Applikationstests mit Invertern und Transformatoren in Anwendungsfeldern
wie der Elektromobilität oder der Telekommunikation starten.