Von Graphen bis zur virtuellen Mango - die IT von morgen entsteht an der Empa

Welches IT-Projekt an der Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, kurz Empa, begeistert Sie aktuell am meisten?

Gian-Luca Bona: Das ist schwer zu sagen, denn wir arbeiten an vielen spannenden Projekten. Angefangen bei der Nanotechnologie, wo wir Materialeigenschaften von wenigen Atomen in Reaktionen studieren, bis hin zu IT-Projekten wie dem Energy Hub Demonstrator.

Worum geht es bei diesem Projekt?

Wir wollen herausfinden, wie man Quartiere oder ganze Stadtteile energetisch modellieren kann. Das tun wir, indem wir Daten erfassen und dann Vorhersagen treffen, welche Sanierungen aus Energie-Sicht optimal wären. Also zum Beispiel, welche Isolationen, welche Wärmepumpen oder welche Energieverteilung im Quartier sinnvoll wären. Das Projekt hängt eng mit der Energiestrategie 2050 des Bundes zusammen, bei der wir auf eine optimale Nutzung erneuerbarer Energien und Minimierung des CO2-Ausstosses hinarbeiten.

Beim Namen Empa denkt man nicht direkt an digitale Technologien. Welchen Stellenwert hat IT bei Ihnen?

Einen stark wachsenden. Das hängt damit zusammen, dass die Empa heute eine Forschungsinstitution für Materialien und Technologien ist – und Materialien sind die Grundlage jeder IT-Lösung. Wenn wir also Materialforschung betreiben, beteiligen wir uns an der Entwicklung digitaler Technik und versuchen ausserdem von Beginn an, diese Technik bei der Forschung anzuwenden. Zum Beispiel, indem wir sogenannte Digital Twins entwickeln. Das sind umfassende Abbildungen physischer Daten in digitalen Systemen. Diese Kombination führt zu ganz neuen Erkenntnissen und Möglichkeiten. Und wir können bei der Entwicklung viel schneller reagieren und von Lösungen lernen.

Sie entwickeln Digital Twins von Mangos und Äpfeln. Wozu braucht es simuliertes Obst?

Früchte werden heute über grosse Distanzen transportiert und dabei muss man Temperatur und Feuchtigkeit im Griff behalten. Mangos und Äpfel boten sich an, da wir deren Material simulieren und gleichzeitig Sensoren im Innern des physikalischen Twins platzieren konnten. Diesen konnten wir dann mit dem Obst zusammen in einer Schachtel verpacken und die Bedingungen beim Transport lückenlos verfolgen. So bekommen wir mit, wo und warum etwas schief läuft. Dank des digitalen Zwillings können wir jetzt aber noch weiter gehen: Durch die real-time Simulation lassen sich die nötigen Bedingungen direkt während des Transports nun auch vorhersagen, Wenn wir Food Waste reduzieren wollen, ist das ein wichtiges Instrument.

Arbeiten Sie auch an Digital Twins, die physische Objekte, zum Beispiel Maschinen, gänzlich digital simulieren?

Ja, bei den additiven Herstellungsverfahren ist das ein grosses Thema. Wir entwickeln Pulver und Materialien für den 3-D-Druck. Dabei wollen wir herausfinden, wie sich diese Materialien im Druckprozess verhalten, was von verschiedenen Faktoren abhängt und normalerweise in einem aufwändigen Verfahren gemessen wird. Wir haben mit einem Mikrofon kostengünstig eine Datenbank von Geräuschen während des Druckens erstellt. Diese Datenbank dient uns nun als Digital Twin, als digitaler Zwilling der Realität, aus dem wir Rückschlüsse auf die Vorgänge beim Drucken mit verschiedenen Materialien ziehen können.

Die klassische Halbleitertechnik mit dem Mooreschen Gesetz stösst allmählich an ihre Grenzen. Wie könnte sich die IT-Technik weiterentwickeln?

Zum einen können wir den bestehenden CMOS-Prozess, wo optische Lithografie zum Einsatz kommt, weiter verbessern und genauer machen. Wir haben in Dübendorf ein Start-up, das sich mit neuen Ansätzen in diesem Bereich beschäftigt. Zum anderen suchen wir nach neuen Bauelementen der IT, die Silizium ersetzen könnten. Wir setzen da vor allem auf winzige Graphen-Bänder. Das sind zweidimensionale Kohlenstoffschichten, die wir anders als üblich nicht zuschneiden, sondern in einem additiven Verfahren auf molekularer Ebene aufbauen.

Können Sie eine Schätzung wagen, wann die Graphen-Technologie in der IT-Alltagstechnik Einzug halten könnte?

Es gibt die erste Demonstration eines Transistors, der aus Graphen-Bändern besteht und mit dem man hohe Stromdichten extrem schnell schalten konnte. Der langfristige Plan besteht darin, aus diesem Prototypen Milliarden von Chips zu machen. Bis wir dort sind, braucht es aber noch viele Schritte. Zum Beispiel müssen die Graphen-Strukturen zuverlässig an die klassischen Kupferleitungen gekoppelt werden. Es wird noch gut und gern eine Dekade dauern, bis diese Technologie in unseren Handys und PCs zum Einsatz kommt.

An der Empa bauen Roboter Häuser und Drohnen und unterhalten sie anschliessend. Was braucht es noch zur vollautomatisierten Baustelle? Was zum Roboter-Hauswart?

Wir möchten am praktischen Beispiel zeigen, wie sich alle Schritte im Baubereich, vom Reissbrett über das fertige Produkt bis hin zu Wartung und Betrieb, mit digitaler Technik realisieren lassen. Dazu arbeiten wir mit verschiedenen Forschungseinrichtungen zusammen, vor allem der ETH Zürich. Dabei haben wir nicht nur das Potenzial, sondern auch die Schwierigkeiten des Bauens mit Robotern miterlebt. Eine Herausforderung ist es zum Beispiel, die verschiedenen Fachbereiche zu koordinieren. Im Moment läuft da sehr viel und wir möchten unsere Materialkenntnis einbringen, um Bau und Wartung der Zukunft zu realisieren.

Digitalisierung und Automatisierung haben nicht nur Potenzial, sie sind auch umstritten. Es ist von Arbeitslosigkeit und dem Verlust von beruflichen Identitäten die Rede. Wie sehen Sie das?

Ich sehe in der Automatisierung eine Riesenchance für die Entwicklung der Schweiz. Wenn wir diese Chance nicht nutzen, werden es andere tun und uns an den Rand drängen. Ich bin mir aber auch bewusst, dass die Technik, etwa von einem Maurer, als Bedrohung wahrgenommen werden kann. Sein Berufsbild wird sich verändern, wie das zuvor schon in anderen Wirtschaftszweigen geschehen ist, etwa in der Autoindustrie. Die klassischen Berufe werden in Bezug auf die technischen Kenntnisse zwar anspruchsvoller, das kann aber auch seine Vorteile haben, gerade in Berufen mit hoher Unfallgefahr. Mit 60 hat der Bauarbeiter dann keinen kaputten Rücken mehr, sondern drei Umschulungen hinter sich.

Die Schweiz hat herausragende Forscher und Institutionen, trotzdem sind Tech-Start-ups von Weltrang vergleichsweise dünn gesät. Wie erklären Sie sich das?

Es gibt da mehrere Erklärungsversuche. Einer lautet, dass bei uns die Risikomentalität viel weniger ausgeprägt ist als etwa im Silicon Valley. Dem Scheitern haftet in der Schweiz immer noch eine negative Konnotation an, während es in den USA als wichtige Erfahrung gilt. Zweitens wagen Start-ups anderswo, zum Beispiel in Israel, viel früher den Sprung ins Ausland, vor allem in die USA. Damit bekommen sie Zugang zu einem riesigen Markt und können rasch wachsen. In Europa verhindert die nationale Regulierung so eine Expansion. Und drittens ist es für Schweizer Start-ups immer noch schwierig, an grössere Geldbeträge zu gelangen. Uns fehlt eine Community, die bereit ist, 10 oder 20 Millionen Franken in ein Start-up zu investieren. Dazu wäre ein wirklich grosser Fonds von Pensionskassen und Banken hilfreich.

UBS und Credit Suisse haben gerade den Swiss Entrepreneurs Fund mit einer Zielgrösse von 500 Millionen Franken lanciert. Reicht das nicht?

Dieser Fonds ist zu begrüssen, aber er ist noch zu klein. Erst wenn Sie mehrere Milliarden Franken haben, können Sie einen Teil davon auch in hochriskante Bereiche investieren. Steckt man Geld in einige hundert Projekte, braucht es am Ende nur wenige, die wirklich Erfolg haben und Gewinn einbringen, damit die Rechnung aufgeht. Wir müssen unsere Kräfte stärker bündeln, um etwas bewegen zu können. So wie sich unsere Bauern früher zusammengeschlossen haben, brauchen wir heute eine Art digitale Allmend, auf der Start-ups wachsen können.

Wie will die Empa die digitale Zukunft der Schweiz aktiv mit­gestalten?

Wir als Forschungsinstitution für Materialien wollen uns dem digitalen Umfeld öffnen, indem wir unser Know-how auf Plattformen breit zur Verfügung stellen. Wir nennen das "Open Innovation". Ausserdem entwickeln wir uns stetig weiter und investieren etwa in die Bereiche Big Data, künstliche Intelligenz und Machine Learning. Hier ist vor allem die internationale Kooperation wichtig. Für die Schweiz mit ihren vielen Technologiefirmen sehe ich in all dem viel Potenzial. Dieses Potenzial muss man nutzen. Sich abzuschotten, ist keine Lösung.

Veranstaltung: Digital Economic Forum: "Welt ohne Arbeit?"

Schaffen wir durch neue Technologien wie künstliche Intelligenz die menschliche Arbeit ab? Oder führen Digitalisierung und Automatisierung dazu, dass wir unsere Zeit für höherwertige oder kunden­orientierte Tätigkeiten einsetzen können? Diese und viele weitere Fragen beleuchten und diskutieren Gian-Luca Bona und andere hochkarätige Expertinnen und Experten aus Forschung und Praxis am ­Digital Economic Forum am 9. Mai 2019 in Zürich.

Tickets und Informationen: www.digitaleconomicforum.ch