Im Europäischen Forschungsprojekt ReSoURCE arbeiten Expertinnen und
Experten aus neun unterschiedlichen Unternehmen und Instituten zusammen,
um gemeinsam nachhaltige Lösungen für das Recycling von
Feuerfestmaterialien zu entwickeln. Die deutschen Projektpartner liefern
vor allem Laser-Know-how.

Feuerfestmaterialien halten hohen Temperaturen jenseits von 1500 °C stand.
Sie sind unverzichtbar für Industrieöfen mit denen z. B. Glas oder
Keramik, Leichtmetalle und Stähle produziert werden. Die Einsatzdauer für
feuerfeste Produkte reicht von wenigen Tagen bis zu vielen Jahren –
abhängig von den Materialien, der Temperatur im Prozessgefäß und anderen
Betriebsparametern. So fallen weltweit jährlich etwa 32 Millionen Tonnen
gebrauchte Feuerfestmaterialien an, von denen nur ein Bruchteil recycelt
wird.

Die Herstellung feuerfester Werkstoffe aus Primärrohstoffen verursacht
erhebliche Mengen CO2, vor allem, weil den anorganischen,
nichtmetallischen Materialien Kohlendioxid entzogen werden muss. Zudem
werden die Rohstoffe zum großen Teil nach Europa importiert. Darin sind
auch kritische Rohstoffe mit risikobehafteten Lieferketten enthalten.
Genug Gründe, genutzte Feuerfestmaterialien wieder aufzubereiten und einer
Kreislaufwirtschaft zuzuführen, denn es gibt derzeit keine nennenswerten
Alternativen zu diesen Rohstoffen.

Automatische Sortieranlage mithilfe von Lasertechnik

»Feuerfestprodukte werden exakt an die Anforderungen der Kundinnen und
Kunden angepasst«, erklärt ReSoURCE-Projektkoordinator Alexander Leitner
von RHI Magnesita. Die optimale Zusammensetzung der
hochtemperaturbeständigen Materialien hängt vom geplanten Anwendungszweck
ab, von den Herstellungsprozessen, den chemischen Eigenschaften der
Medien. »Das bedeutet, dass unsere Produkte sehr unterschiedliche
Zusammensetzungen haben. Vor dem Recyceln müssen wir sie daher möglichst
genau voneinander trennen«, so Leitner weiter.

Im Zentrum des Projektes steht daher eine automatische Sortieranlage für
gebrauchte Feuerfestmaterialien. Eine Lasereinheit soll die Inhaltsstoffe
des gebrauchten Materials auf einem Förderband berührungslos bestimmen.
Die Lasertechnik kommt von dem mittelständischen Unternehmen Laser
Analytical Systems & Automation GmbH (LSA) aus Aachen, einem Spin-off des
Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT. Das Fraunhofer ILT ist ein
Pionier in der Erschließung neuartiger Anwendungen für die
Laserspektroskopie, unter anderem zur sortenreinen Trennung im
werkstofflichen Recycling mit Laser-induced Breakdown Spectroscopy (LIBS).

»Wir haben am Fraunhofer ILT bereits eine Inline-Messtechnik entwickelt,
die eine Direktanalyse von Metallschrotten auf einem Förderband durchführt
und die Zusammensetzung jedes Schrottstücks erkennt«, erläutert Dr. Cord
Fricke-Begemann, Leiter Materialanalytik am Fraunhofer ILT. »Mit dieser
Multielementanalyse erkennen wir eine große Anzahl von Legierungen. Die
Erkenntnisse übertragen wir nun auf die Feuerfestmaterialien.«

Datenanalyse mit künstlicher Intelligenz

LSA hat sich auf die Entwicklung und Produktion echtzeitfähiger
Laseranalysesysteme für Industrieanwendungen spezialisiert. Die Systeme
nutzen gepulste Laserstrahlung, um berührungslos über Abstände von bis zu
einem Meter chemische Informationen in Bruchteilen einer Sekunde zu
gewinnen. »Unsere Laseranalysesysteme sind unmittelbar an den
Verarbeitungslinien im Einsatz – wir bringen die Messtechnik zum Produkt
und nicht das Produkt zum Labor. Per Lichtblitz messen wir am bewegten
Produkt dessen chemische Zusammensetzung. Unser Tempo ist die
Lichtgeschwindigkeit«, so der Geschäftsführer der LSA, Dr. Joachim Makowe.

Die Firma InnoLas Laser GmbH aus Krailling in Deutschland entwickelt im
Verbundprojekt die Laserstrahlquelle, die spezielle Pulsgruppen emittiert,
um nicht-repräsentative Oberflächenschichten auf den gebrauchten
Feuerfeststeinen schnell zu durchdringen. Erst damit ist es möglich, das
darunter liegende Material zu analysieren. »Die Laserquelle für das
ReSoURCE Projekt wird gezielt für LIBS entwickelt. Fragen und
Herausforderungen, die dabei entstehen, werden wir in enger Zusammenarbeit
mit LSA und Fraunhofer ILT bearbeiten«, erklärt Dorian-David Percheron von
Innolas Laser.

LSA integriert die optische Messtechnik mit der Materialhandhabung zu
einem industrietauglichen Gesamtsystem. Das Fraunhofer ILT wertet die
Daten des LIBS-Systems aus. Dafür werden die gemessenen Spektren mit den
chemischen Informationen mit weiteren optischen Sensordaten kombiniert und
mit Hilfe künstlicher Intelligenz analysiert. So ermittelt das System die
genaue Zusammensetzung der Feuerfestprodukte und sortiert die einzelnen
gebrauchten Feuerfeststeine in verschiedene Materialklassen.

Die Forschungspartner gehen davon aus, durch die Projektergebnisse die
Grundlage dafür zu schaffen, den möglichen Recyclinganteil der Branche von
bislang 7–30 Prozent auf 90 Prozent steigern zu können. „Wir verbinden
neueste Analysetechnik mit State-of-the-Art Software, um ein aktuelles
gesellschaftliches Problem zu lösen. Vermutlich können wir damit die
europäischen CO2-Emissionen um bis zu 800 000 Tonnen pro Jahr reduzieren«,
sagt Cord Fricke-Begemann. »Das ist ein wunderbares Beispiel, wie Technik
und Innovationen und ein Gemeinschaftsprojekt im Kampf gegen den
Klimawandel helfen können.«

Um einen möglichst transparenten Zugang zu schaffen, kann die
Öffentlichkeit die Forschungen aus nächster Nähe in einem
Wissenschaftsblog verfolgen, das auf der Website des Projekts zu finden
ist: https://www.project-resource.eu.

Hintergrundinformationen

Das Projektziel von ReSoURCE ist die Entwicklung eines effizienten,
sensorbasierten Systems zur Sortierung von feuerfesten Abfällen und zum
Umgang mit kleinkörnigen Feuerfestsubstanzen. Wenn das Projekt erfolgreich
ist, wird es die Konstruktion einer automatisierten Sortieranlage
ermöglichen, die das Recycling von feuerfestem Ausbruchmaterial von
derzeit 7–30 Prozent (plus 10 Prozent Downcycling) auf insgesamt 90
Prozent steigern wird. Bei global jährlich etwa 32 Millionen Tonnen
erzeugten Feuerfestmaterialien ist der ökologische und gesellschaftliche
Nutzen beträchtlich.

Das Projekt wird von der European Health and Digital Executive Agency
(HaDEA) im Rahmenprogramm Horizon Europe (HORIZON) unter der
Förderungsnummer 101058310 gefördert. Das Gesamtbudget beträgt 8,5
Millionen Euro. Sechs Millionen Euro werden von der EU finanziert, eine
Million Euro vom Vereinigten Königreich. Die Projektlaufzeit ist von Juni
2022 bis November 2025 (42 Monate). Das Konsortium besteht aus neun
Mitgliedern (vier Forschung und fünf Industrie). Partner kommen aus
Österreich, England, Deutschland, Irland und Norwegen. Das Projekt wird
von RHI Magnesita geleitet. Weitere am Projekt beteiligte Partner sind LSA
GmbH (D), Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT (D), SINTEF (NOR),
Montanuniversität Leoben (AT), Innolas Laser GmbH (D), NEO (NOR), CPI (UK)
und Crowdhelix (IRE).

Die Interaktion mit Künstlicher Intelligenz (KI) und zukünftigen
intelligenten Systemen menschengerecht zu gestalten – das war und bleibt
die Aufgabe des Center for Cognitive Interaction Technology (CITEC). Durch
ein neues Forschungsprofil und eine neue Organisationsstruktur soll im
CITEC nun noch effizienter an den zukunftsweisenden Technologien
gearbeitet werden. Professor Dr. Philipp Cimiano als Sprecher und
Professor Dr. Stefan Kopp als Ko-Sprecher werden die Forschungsarbeit am
CITEC koordinieren.

Unter Beibehaltung der etablierten interdisziplinären Infrastruktur und
der Forschungswerte soll damit den Fortschritten des schnell wachsenden
Bereichs der Künstlichen Intelligenz und den daraus resultierenden
gesellschaftlichen Auswirkungen Rechnung getragen werden. Das
übergreifende Forschungsthema der Wissenschaftler*innen des CITECs
„Menschengerechte kognitive Systeme in offenen Welten“ wird durch eine
interdisziplinäre Zusammenarbeit und durch Projekte in fünf
Kernforschungsbereichen fokussiert: „Lernen in Interaktion“, „Multimodale
Kognition und Kommunikation“, „Sozial intelligente Agenten“,
„Vertrauenswürdige und nachhaltige KI“ und „Verkörperte kooperative
Systeme“.

„Die zukünftigen kognitiven Systeme sowie KI-Systeme, die wir uns
vorstellen, werden vertrauenswürdige und zuverlässige Partner sein. Sie
werden nicht nur auf die Ausführung enger Aufgaben in vordefinierten
Umgebungen beschränkt, sondern auch in der Lage sein, sich an veränderte
Umgebungen, Benutzerkontexte und menschliche Bedürfnisse anzupassen“,
beschreibt Philipp Cimiano: „Dazu müssen wir sie mit der Fähigkeit
ausstatten, menschliche Bedürfnisse und Anforderungen situationsabhängig
zu verstehen und zu erkennen und dieses Verständnis in entsprechende
Handlungen umzusetzen. Die Grundlagen für diese Vision zu entwickeln, ist
unser Auftrag.“

Innovation Labs und neue Website
Sichtbar wird die strategische Neuausrichtung auch an der erneuerten
Website (cit-ec.de). Darüber hinaus hat das CITEC den
anwendungsorientierten Teil seiner Forschungsagenda in sogenannte
Innovation Labs umgewandelt, die verschiedene Anwendungsfelder
repräsentieren. So schließt sich das CoR-Lab, das seit 16 Jahren eine
eigene Erfolgsgeschichte in der Zusammenarbeit zwischen Industrie und
Wissenschaft aufweisen kann, mit dem CITEC in einem ersten Innovation Lab
zur menschenzentrierten Automatisierung für nachhaltige Arbeitsplätze
zusammen. Als zweites Innovation Lab wurde das COSY@Home-Lab gegründet,
das die langjährigen Aktivitäten in den Bereichen Heimassistenzsysteme und
Heimrobotik zusammenfasst. Philipp Cimiano sieht bereits weitere
Anwendungsfelder für kognitive Interaktionstechnologie: „Unsere
Innovationslabore ermöglichen es uns, unsere Ergebnisse aus der
Grundlagenforschung in Bereiche zu übertragen, in denen sie auf
industrieller und gesellschaftlicher Ebene Wirkung entfalten können. Ein
wichtiges Anwendungsfeld für das CITEC wird die Entwicklung von
Assistenzsystemen im medizinischen Bereich sein, die sowohl Patient*innen
als auch medizinisches und pflegerisches Personal unterstützen.“ Damit
erweitert das CITEC sowohl in der Forschung als auch in den
Anwendungsbereichen seine Perspektive.

Internationales Aushängeschild der Forschung
Das CITEC wurde 2007 im Rahmen der Exzellenzinitiative des Bundes und der
Länder gegründet und wird seit 2020 als zentrale wissenschaftliche
Einrichtung der Universität Bielefeld weitergeführt. Seit mehr als einem
Jahrzehnt ist das CITEC ein internationales Aushängeschild der Forschung,
das die technischen und biologischen Grundlagen der kognitiven Interaktion
von KI-Modellen mit ihrer Umwelt und mit anderen Agenten erforscht. Von
Beginn an war es eine interdisziplinäre Zusammenarbeit, die vielschichtige
Erkenntnisse hervorbrachte, wie beispielweise das Verständnis der
Steuerung von Augenbewegungen bei Geschicklichkeitsspielen, selbst in
blinder Ausführung oder die Entwicklung von physikalischen
Trainingsmethoden, die die Gedächtnisstruktur der einzelnen Probanden
berücksichtigen. Zu weiteren Forschungsthemen zählen die Untersuchung der
adaptiven Steuerungsmechanismen von Stabheuschrecken, die Auswirkungen des
Geschlechts auf die menschliche Zuschreibung humanoider Roboterköpfe oder
das Verständnis taktiler Greifstrategien von Menschen- und Roboterhänden,
um nur einige zu nennen.

Nur durch die enge Zusammenarbeit von Informatik, Künstlicher Intelligenz,
Kognitionswissenschaft, Linguistik, Psychologie, Biologie und Mathematik
ist eine solche Vielfalt an Forschungserkenntnissen in so
unterschiedlichen Anwendungsbereichen möglich. Professor Dr. Helge Ritter
als ehemaliger Sprecher und Koordinator des Exzellenzclusters und
Professorin Dr. Britta Wrede als ehemalige Ko-Sprecherin haben viele Jahre
diesen erfolgreichen interdisziplinären Ansatz vorangetrieben. Nun stehen
neue interdisziplinäre Herausforderungen an.

Am 22. August 2023 besuchte die Bremer Senatorin für Umwelt, Klima und
Wissenschaft Kathrin Moosdorf das Leibniz-Institut für
Werkstofforientierte Technologien - IWT (Leibniz-IWT).

Am 22. August 2023 begrüßte das Leibniz-Institut für Werkstofforientierte
Technologien (Leibniz-IWT) die Bremer Senatorin für Umwelt, Klima und
Wissenschaft, Kathrin Moosdorf. Zusammen mit dem Staatsrat für Umwelt,
Klima und Wissenschaft, Jan Fries, und der Referentin für
Materialwissenschaften im Bremer Wissenschaftsressort Dr. Britta Hamann,
wurde sie von Mitgliedern des Direktoriums des Leibniz-IWT, Professor
Rainer Fechte-Heinen, Professor Udo Fritsching und Professor Bernhard
Karpuschewski, empfangen. Bei dem Treffen lag der Fokus insbesondere auf
der Forschungsarbeit zur Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung sowie der
Digitalisierung, aber auch aktuelle Themen wie Nachwuchsgewinnung und
Frauenförderung wurden gemeinsam diskutiert.

Nach der Begrüßung gab das Direktorium zunächst einen kurzen Überblick
über das Institut sowie eine kurze Einführung in aktuelle und im Aufbau
befindliche Forschungsschwerpunkte. Anschließend konnten die Senatorin
Moosdorf, Staatsrat Fries und Referentin Dr. Hamann bei einem Rundgang
durch die Labore und Maschinenhallen einen vertieften Eindruck in die
Forschungsarbeit erhalten. Dabei wurden verschiedene Stationen besichtigt,
darunter die Pulvererzeugungsanlagen, die Labore der Additiven Fertigung,
die Härterei mit Schmelzofen, die Zahnradfertigung und das
Flammensprühpyrolyse-Labor.

Professor Fechte-Heinen, Vorsitzender des Direktoriums, äußerte sich
positiv über den Besuch: "Eine freundliche, zugewandte Atmosphäre und
tiefgreifendes Engagement haben diesen Besuch geprägt. Wir haben uns sehr
gefreut zu erfahren, wie intensiv sich die Senatorin bereits mit der
Bremer Forschungslandschaft und auch mit unserem Institut
auseinandergesetzt hat. Die diskutierten Fragen zeugen von starkem
Interesse an unserer Forschung. Ein besonderer Fokus lag auf den Beiträgen
der Wissenschaft zu Umwelt- und Klimaschutz. Gerade im Ingenieurwesen und
den Forschungsarbeiten des Leibniz-IWT gehören Nachhaltigkeit und
CO2-Reduktion seit Jahrzehnten zu den Kernaufgaben, die immer weiter an
Bedeutung gewinnen. Aktuelle Beispiele hierfür sind die Erforschung von
Wasserstofftechnologien entlang der Prozesskette von Erzeugung über
Speicherung bis hin zur Anwendung, beispielsweise in der Stahlindustrie,
für Mobilitäts- und Energieanwendungen.“

Ein weiterer hochaktueller Aspekt wurde mit der Diskussion zur
Nachwuchsgewinnung im Ingenieurswesen adressiert. Dabei wurde
hervorgehoben, welchen bedeutenden Beitrag Ingenieurinnen und Ingenieure
für die Forschung und die Gestaltung einer nachhaltigeren Zukunft leisten
können. Gerade vor diesem Hintergrund wurde die anhaltende
Herausforderungen diskutiert, junge Menschen für ein Ingenieurstudium zu
begeistern. In diesem Zusammenhang wurden auch Maßnahmen zur
Frauenförderung sowie die in Zusammenarbeit im Fachbereich 4
Produktionstechnik der Universität Bremen entwickelten Konzepte zur
Studierendengewinnung besprochen.

Der Besuch der Wissenschaftssenatorin und eines Teils ihres Teams stand im
Zeichen des Austausches über hochaktuelle Themen und unterstreicht die
enge Verbindung des Leibniz-IWT mit den gegenwärtigen wissenschaftlichen
und gesellschaftlichen Entwicklungen. Das Institut engagiert sich
weiterhin für wegweisende Forschung, die einen bedeutenden Beitrag zur
Bewältigung aktueller Herausforderungen leistet. Gerade die Verbindung der
Themen Wissenschaft, Umwelt und Klima in der Zuständigkeit von Senatorin
Moosdorf bildet hierfür eine optimale Basis und weckt Vorfreude auf die
weitere Zusammenarbeit.