Fraunhofer-Preise Von glasklarer Telefonie bis zur holographischen Messtechnik

Die Fraunhofer-Gesellschaft hat dieses Jahr den Fraunhofer-Preis „Technik für den Menschen“ sowie vier Joseph-von-Fraunhofer-Preise vergeben. Die Forscherinnen und Forscher werden für herausragende wissenschaftliche Leistungen ausgezeichnet, die anwendungsnahe Probleme lösen und die Lebensqualität von Menschen verbessern können.

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Entwickelt wurde das System SUSI TD von Cornelius Moucha, Rolf van Lengen, Anne Gebert, Bernd Klein, Mario Schmitt (v.l.n.r.).
Entwickelt wurde das System SUSI TD von Cornelius Moucha, Rolf van Lengen, Anne Gebert, Bernd Klein, Mario Schmitt (v.l.n.r.).
(Bild: Piotr Banczerowski / Fraunhofer)

Der Fraunhofer-Preis „Technik für den Menschen“ wird alle zwei Jahre von der Fraunhofer-Gesellschaft und ihren ehemaligen Vorständen und Institusleitern vergeben. Ausgezeichnet werden Forschungs- und Entwicklungsleistungen, die maßgeblich dazu beigetragen haben, die Lebensqualität der Menschen zu verbessern und deren Leistungsfähigkeit im täglichen Leben und bis ins Alter zu erhalten. Der Preis ist mit 50.000 Euro dotiert. 2017 ging er an das Entwicklungsteam von SUSI TD, ein Technologiekonzept, das älteren Menschen in ihren Wohnungen Sicherheit geben soll, ohne dass deren Privatsphäre missachtet wird.

Der Joseph-von-Fraunhofer-Preis, der jährlich verliehen wird, ging an vier Forschungsprojekte der Fraunhofer-Institute IIS, IKTS, ILT und IPM. Die Themen reichen von verbesserter Telefonie über die effektive Reinigung von Industrie-Abwässern, dem Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen EHLA bis hin zu holographischer Messtechnik.

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Das Technologiekonzept SUSI TD im Detail:

Viele ältere Menschen wünschen sich in den eigenen vier Wänden ausreichend Sicherheit ohne tagein, tagaus von Kameras beobachtet zu werden. Was also tun, wenn man zu Hause nicht ausziehen will, andererseits aber sicherstellen möchte, dass im Notfall schnellstens Hilfe herbeieilt?

Das System SUSI TD kombiniert Sicherheit und Privatsphäre miteinander. Kameras und Co. sucht man in den ausgestatteten Wohnungen vergeblich. „Unser System basiert auf nicht-invasiven Sensoren, vor allem auf Bewegungsmeldern, wie man sie auch von Lampen oder Alarmanlagen kennt, sowie auf Berührungssensoren an oft benutzten Schubladen oder am Kühlschrank“, erläutert Rolf van Lengen, Abteilungsleiter am IESE. Anhand der Sensordaten lernt das System, die wiederkehrenden Handlungen der Person zu identifizieren und erkennt, wenn Hilfe nötig ist. Die gesammelten Daten verbleiben in der Wohnung und werden auch dort ausgewertet. Erst wenn das Verhalten des Menschen von seinem üblichen abweicht, schickt das System eine verschlüsselte Meldung an die Pflegedienststelle oder den Pflegestützpunkt.

Direkte Betreuung per Video-Kommunikationstool

Ebenso wichtig wie die Sicherheit ist es, die selbstständige Lebensführung sowie die soziale Integration zu fördern – sprich die Beratung der älteren Menschen. Was können sie für ihre Gesundheit und einen gelungenen Alltag tun? Welcher Ansprechpartner steht bei Problemen in diesem Bereich zur Verfügung? Dieser Aspekt ist es, der Anne Gebert vom Deutschen Institut für angewandte Pflegeforschung e.V. besonders am Herzen liegt: „Über ein Video-Kommunikationstool können die Personen via Touchscreen direkt mit den Beratern der Pflegestützpunkte sprechen. Die Berater können die Menschen somit noch besser begleiten, als dies alleine durch gelegentliche Hausbesuche möglich ist.“ Über das Kommunikationstool können sie auch Freunde und Familienangehörige kontaktieren, Spiele miteinander spielen oder Fotos austauschen.

Enge Zusammenarbeit mit Testpersonen

Ein zentraler Leitgedanke bei der Entwicklung des Konzepts lag darin, keine neuen Strukturen oder Doppelstrukturen zu schaffen. Das Konzept wurde daher mit jenen Akteuren, die bereits vor Ort tätig sind, entwickelt und erprobt – also mit den Pflegestützpunkten und ambulanten Dienstleistern.

Essenziell für die Entwicklung eines solchen Systems ist es, die Bedürfnisse der Nutzer im Blick zu haben. Die Forschenden statteten daher zunächst 18 Wohnungen im Raum Trier mit den Sensoren aus, gingen immer wieder in die Haushalte und erlebten die Menschen mit ihren Geschichten, ihren Wünschen und ihren Bedürfnissen. Im Folgeprojekt StuDI wollen die Forschenden ein adaptiertes System nun testweise in 100 Wohnungen integrieren.

Für die Entwicklung von SUSI TD erhalten Cornelius Moucha, Mario Schmitt und Rolf van Lengen vom Fraunhofer-Institut für Experimentelles Software Engineering IESE, Anne Gebert vom Deutschen Institut für angewandte Pflegeforschung e.V. und Bernd Klein von der Cibek Technology + Trading GmbH den diesjährigen Joseph-von-Fraunhofer-Preis „Technik für den Menschen“. Die Jury begründet die Preisvergabe unter anderem mit „dem besonderen Wert, der neben der technischen Umsetzung auf die ethischen Gesichtspunkte gelegt wurde“.

Joseph-von-Fraunhofer-Preis: Projekte im Detail:

Telefonieren mit glasklarem Klang

Smartphones sind wahre Alleskönner. Eines ist jedoch nach wie vor recht dürftig: Die Sprachqualität beim Telefonieren. Ein neuer Codec, an dessen Entwicklung Fraunhofer-Forscher maßgeblich beteiligt waren, soll dies nun ändern. Die Worte des Telefonpartners sollen damit so natürlich klingen, als würde er neben einem stehen. Der Grund: Es wird erstmals das komplette hörbare Frequenzspektrum übertragen.

Der EVS Codec überträgt Sprache in glasklarer Qualität, damit soll sich ein Telefonat so anhören wie ein Gespräch im selben Raum.
Der EVS Codec überträgt Sprache in glasklarer Qualität, damit soll sich ein Telefonat so anhören wie ein Gespräch im selben Raum.
(Bild: Kurt Fuchs / Fraunhofer IIS)

Klar und natürlich statt dumpf und verzerrt

Der neue Standard Enhanced Voice Services, kurz EVS, ist in etwa vergleichbar mit dem Schritt vom Röhrenfernseher zum Flachbildschirm. Statt dumpf und verzerrt hört man die Stimme des Telefonpartners so klar und natürlich wie im Gespräch von Angesicht zu Angesicht. Angestoßen und entwickelt wurde der Codec vom internationalen Gremium für Mobilfunkstandardisierung 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Daran war auch ein großes Team des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen beteiligt.

Die Anforderungen an einen solchen Standard sind hoch. „Die Grundvoraussetzung besteht zunächst einmal darin, Sprache in guter Qualität zu übertragen – und zwar bei niedrigen Datenraten, so dass die Übertragung wirtschaftlich bleibt“, sagt Markus Multrus, der die Software-Entwicklung für den Codec am Fraunhofer IIS koordiniert. Zudem sollte der Codec robust gegenüber Fehlern bei der Übertragung sein, damit das Gespräch bei schlechten Empfangsbedingungen nicht unterbrochen wird. Weiterhin sollte der Codec auch mit anderen Signalen gut auskommen – und etwa Musik in Warteschleifen in guter Klangqualität übertragen. Das ist jedoch alles andere als einfach, schließlich sind Sprach- und Audiocodierung zwei verschiedene Welten. Daher analysiert der Codec alle 20 ms, ob gerade Sprache oder Musik übertragen wird – und verwendet die jeweils passenden Algorithmen.

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Übertragung des gesamten hörbaren Frequenzspektrums

Doch worin genau besteht nun der technische Unterschied zwischen den bisherigen Codecs und EVS? „Das menschliche Ohr nimmt Frequenzen bis ca. 20 kHz wahr“, erläutert Guillaume Fuchs, der die wissenschaftliche Entwicklung von EVS am Fraunhofer IIS vorangetrieben hat. „Der bisherige Codec übermittelt allerdings nur Tonsignale in einem Frequenzbereich bis 3,4 kHz – der Bereich zwischen 3,4 kHz und 20 kHz wird schlichtweg abgeschnitten. Daher klingt die Stimme dumpf. Der neue Codec überträgt je nach Bitrate Frequenzen bis 16 kHz beziehungsweise bis 20 kHz.“ Kurzum: Der Codec umfasst das komplette hörbare Frequenzspektrum – bei Datenraten, die mit bisherigen Mobilfunkcodecs vergleichbar sind.

Kein Unterschied zur natürlichen Sprache

Bevor ein neuer Codec jedoch als Standard gesetzt werden kann, muss er zeigen, was er kann. In zahlreichen Hörtests wurde der Codec weltweit von mehreren Tausend Testpersonen bewertet. Das Ergebnis: Die Hörer beurteilten den neuen Standard signifikant besser als die bisherigen Verfahren. Mittlerweile ist der Codec in 3GPP standardisiert. „In Japan, Korea, den USA und Deutschland wird EVS bereits kommerziell eingesetzt“, freut sich Stefan Döhla, der das Fraunhofer IIS im Gremium vertritt. „Schätzungen zufolge sind bereits 50 bis 100 Millionen Geräte mit EVS ausgerüstet.“

Für die Entwicklung des Sprachcodecs EVS erhalten Dipl.-Ing. Markus Multrus, Dr. Guillaume Fuchs und Dipl.-Ing. Stefan Döhla den diesjährigen Joseph-von-Fraunhofer-Preis – stellvertretend für das Team, das aus über 50 Wissenschaftlern und Ingenieuren bestand. Die Jury begründet die Preisvergabe unter anderem mit „dem weltweiten Einsatz und den hohen zu erwartenden Lizenzeinnahmen“.

Abwasser effektiv reinigen

Wer sich im Hochsommer schon einmal mit zu wenig Wasser im Gepäck einen sonnigen Küstenpfad entlang geschleppt hat, weiß: Ohne Wasser hält man nicht lange durch. Denn Wasser ist eine der Grundlagen des Lebens. Und auch in der Industrie ist das kühle Nass ein Muss: In vielen Produktionsprozessen dient es als Lösemittel, Reinigungsmittel, kühlt oder überträgt Wärme. Da zunehmend mehr Wasser verbraucht wird, gilt es, Abwässer aufzubereiten und wiederzuverwenden. Eine gute Möglichkeit dazu bieten keramische Membranen: Da sie auf mechanische Art und Weise trennen – also ähnlich wie ein Kaffeefilter – sind sie besonders energieeffizient. Allerdings war mit dieser Methode bisher bei einer Molekülgröße von 450 Dalton Schluss: Kleinere Moleküle konnten mit keramischen Membranen nicht abgetrennt werden. Experten zufolge galt es sogar als unmöglich, diese Grenze zu unterschreiten.

Das Bild zeigt Keramik-Membranen des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS.
Das Bild zeigt Keramik-Membranen des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS.
(Bild: Fraunhofer IKTS)

Erstmalig 200 Dalton kleine Moleküle abtrennbar

Dr. Ingolf Voigt, Dr.-Ing. Hannes Richter und Dipl.-Chem. Petra Puhlfürß vom Fraunhofer IKTS haben es dennoch geschafft. „Mit unseren keramischen Membranen erreichen wir erstmals eine molekulare Trenngrenze von 200 Dalton – und erzielen damit eine ganz neue Qualität“, freut sich Voigt, stellvertretender Institutsleiter des IKTS und Standortleiter in Hermsdorf.

Doch wie ist den Forschenden das gelungen? Auf dem Weg, das Unmögliche möglich zu machen, galt es zunächst verschiedene Hindernisse zu überwinden. Das erste lag in der Herstellung der Membran selbst: Möchte man so kleine Moleküle zuverlässig abtrennen, benötigt man eine Membran mit Poren, die kleiner sind als die Moleküle, die man abtrennen möchte. Außerdem müssen alle Poren möglichst gleich groß sein, da eine einzelne größere Öffnung ausreicht, um Moleküle hindurchrutschen zu lassen. Die Herausforderung lag also darin, möglichst kleine Poren zu erzeugen, die alle mehr oder weniger gleich groß sind. „Über eine Weiterentwicklung der Sol-Gel-Technik ist uns dies gelungen“, sagt Richter, Abteilungsleiter am IKTS. Die zweite Hürde lag darin, solche Membranschichten defektfrei über größere Flächen herzustellen. Auch dies ist den Fraunhofer-Forschenden geglückt. „Während üblicherweise nur wenige Quadratzentimeter große Flächen beschichtet werden, haben wir eine Pilotanlage mit einer Membranfläche von 234 m² ausgerüstet – unsere Membran ist also mehrere Größenordnungen größer“, verdeutlicht Puhlfürß, Wissenschaftlerin am IKTS.

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Transfer vom Labor in die Praxis

Die besagte Pilotanlage wurde im Auftrag von Shell von der Firma Andreas Junghans – Anlagenbau und Edelstahlbearbeitung GmbH & Co. KG in Frankenberg gebaut und steht im kanadischen Alberta. Hier reinigt sie seit 2016 Abwasser, das bei der Förderung von Öl aus Ölsand verwendet wird. Derzeit planen die Forschenden eine erste Produktionsanlage mit einer Membranfläche von mehr als 5000 m².

Auch in industriellen Produktionsprozessen bringen die neuartigen keramischen Membranen Vorteile: Mit ihnen lassen sich Teilströme direkt im Prozess reinigen und das gereinigte Wasser lässt sich im Kreislauf führen – das spart Wasser und Energie.

Für die Entwicklung der keramischen Nanofiltrationsmembran erhalten Dr. Ingolf Voigt, Dr.-Ing. Hannes Richter und Dipl.-Chem. Petra Puhlfürß den diesjährigen Joseph-von-Fraunhofer-Preis. Die Jury begründet die Preisvergabe unter anderem mit „der erstmaligen Umsetzung für Filtrationsanwendungen im Rahmen dieser Materialklasse“.

Ausweg aus dem Chrom-Verbot

Sei es in der Automobilindustrie, dem Maschinen- und Anlagenbau oder der Luft- und Raumfahrt – zahlreiche metallische Bauteile müssen vor Korrosion und Verschleiß geschützt werden. Eine gängige Methode dafür ist das Hartverchromen. Dieses Verfahren hat jedoch gravierende Nachteile: Es verbraucht viel Energie und das dabei eingesetzte Chrom(VI) ist stark umweltschädigend. Ab September 2017 darf es daher nur noch nach Autorisierung/Zulassung verwendet werden. Dieses Verbot stellt die Industrie vor enorme Herausforderungen.

Mit EHLA lassen sich Metallschutzschichten mit extremer Hochgeschwindigkeit aufbringen.
Mit EHLA lassen sich Metallschutzschichten mit extremer Hochgeschwindigkeit aufbringen.
(Bild: Fraunhofer ILT, Aachen / Volker Lannert)

Wirtschaftliche Alternative zu Chrom(VI)

Dr.-Ing. Andres Gasser und Dipl.-Ing Thomas Schopphoven vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen und ihr Kollege Dipl.-Ing. Gerhard Maria Backes vom Lehrstuhl für Digital Additive Production der RWTH Aachen University haben nun eine wirtschaftliche Alternative entwickelt: Das extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen, kurz EHLA. Dieses Verfahren bietet Unternehmen nicht nur einen Ausweg aus dem Verbots-Dilemma, sondern bringt zudem noch deutliche Vorteile gegenüber dem Hartverchromen mit sich: Es sollen keinerlei Chemikalien zum Einsatz kommen – was das Verfahren sehr umweltfreundlich macht. Die entstehenden Schichten sind dicht und können das Bauteil somit wesentlich effizienter vor Korrosion und Verschleiß schützen. Zudem ist die Beschichtung stoffschlüssig mit dem Grundwerkstoff verbunden, so dass sie, anders als bei der Hartverchromung, nicht abplatzen kann. Für die neuen Beschichtungen können verschiedene Materialien verwendet werden, beispielsweise Eisen-, Nickel- und Kobalt-Basis-Legierungen.

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Auch gegenüber dem thermischen Spritzen – einer anderen gängigen Art, Beschichtungen herzustellen – soll das neuartige Verfahren punkten: Statt etwa 50 % des eingesetzten Materials gelangen rund 90 % dorthin, wo sie gebraucht werden. Dies soll das Verfahren ressourcenschonender und somit wirtschaftlicher machen. „Mit dem EHLA-Verfahren können wir erstmalig dünne Schichten im Zehntel-Millimeter-Bereich auf große Flächen in kurzer Zeit ressourceneffizient auftragen“, fasst Dr.-Ing. Andres Gasser zusammen, der die Gruppe Laserauftragschweißen am Fraunhofer ILT leitet.

EHLA basiert auf dem Laserauftragschweißen, mit dem sich hochwertige Beschichtungen verschiedener Materialien herstellen lassen. Was den Verschleiß- und Korrosionsschutz angeht, konnte sich das Laserauftragschweißen bisher jedoch nur vereinzelt durchsetzen – es ist zu langsam. „Mit EHLA können wir das Bauteil mit Geschwindigkeiten beschichten, die 100- bis 250-mal über denen liegen, die beim konventionellen Laserauftragschweißen eingesetzt werden. Zudem heizt es sich kaum auf. Dadurch können wir auch hitzeempfindliche Komponenten beschichten“, weiß Dipl.-Ing. Gerhard Maria Backes. Die entstehende Schicht ist reiner und schützt besser vor Korrosion. Zudem werden gänzlich neue Materialkombinationen möglich, etwa Beschichtungen auf Aluminium- oder schwer schweißbaren Gusseisenlegierungen.

Nachhaltig und umweltfreundlich

Bei einigen Unternehmen ist das neue Verfahren bereits im Einsatz. So etwa bei der niederländischen IHC Vremac Cylinders B.V., die ihre bis zu zehn Meter langen Hydraulik-Zylinder für Offshore-Anwendungen damit beschichten. Dipl.-Ing. Thomas Schopphoven sieht großes Potenzial für die neue Beschichtungstechnik: „Mit EHLA könnten wir in die Serienbeschichtung kommen – und künftig auch Bauteile beschichten, die bisher unbeschichtet eingesetzt wurden. Das ermöglicht neue Komponenten, die während des Produktlebenszyklus´ nicht mehr verschleißen. Zudem könnte EHLA die Beschichtungstechnik, die verstärkt in Niedriglohnländer abwandert, hier in Europa halten“.

Für die Entwicklung des EHLA-Verfahrens erhalten Dr.-Ing. Andres Gasser, Dipl.-Ing. Thomas Schopphoven und Dipl.-Ing. Gerhard Maria Backes den diesjährigen Joseph-von-Fraunhofer-Preis. Die Jury begründet die Preisvergabe unter anderem mit „der bereits erfolgten Umsetzung sowie dem wirtschaftlichen Ersatz von Chrom(VI) in wesentlichen Einsatzgebieten“.

Holographische Messtechnik im Produktionstakt

Manchmal zählt jeder tausendstel Millimeter – etwa bei Bauteilen für die Automobil- oder Luftfahrtindustrie. Um herauszufinden, ob das einzelne Bauteil auch fehlerfrei und maßhaltig ist, eignet sich grundsätzlich die digitale Holographie. Allerdings war diese Methode bisher erschütterungsempfindlich und langsam. Für Produktionsumgebungen war sie daher nicht geeignet und es konnten bislang nur Stichproben untersucht werden.

Das System soll zentimetergroße raue Objekte in Sekundenbruchteilen mikrometergenau erfassen können – auch unter Störeinflüssen wie Erschütterungen.
Das System soll zentimetergroße raue Objekte in Sekundenbruchteilen mikrometergenau erfassen können – auch unter Störeinflüssen wie Erschütterungen.
(Bild: Fraunhofer)

Schnelle robuste Ergebnisse

Drei Forscher des Fraunhofer IPM – Dr. Markus Fratz, Dr. Alexander Bertz und Dr. Tobias Beckmann – haben das Verfahren der digitalen Holographie nun aus dem Labor in die Produktion geholt. „Wir konnten alle Nachteile beseitigen und haben damit erstmals ein System entwickelt, das eine Hundertprozent-Kontrolle in der Produktion erlaubt“, freut sich Beckmann, der das Projekt gemeinsam mit Fratz leitet. „Unser System kann zentimetergroße raue Objekte in Sekundenbruchteilen mikrometergenau erfassen und kompensiert dabei Störeinflüsse wie Erschütterungen.“ Es ermöglicht somit erstmalig Messungen während der laufenden Produktion. Statt also wie bisher nur Stichproben zu nehmen, lässt sich nun jedes einzelne Teil auf Maßhaltigkeit und gleichzeitig auf winzigste Fehler überprüfen. Die Aufgabe, die die drei Forscher dabei lösten, war alles andere als einfach. „Die Fehlersuche ist in etwa so, als wolle man aus 300 m Höhe die 3D-Form eines 25 m hohen Fußballstadions so genau vermessen, dass man den Fußabdruck eines Babys im Rasen findet – und das in Sekundenbruchteilen und auch dann, wenn das Stadion durch ein leichtes Erdbeben erschüttert wird“, verdeutlicht Fratz.

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Laserwellen verschiedener Wellenlängen und intelligente Algorithmen

Doch wie ist den Forschern das gelungen? Statt den Gegenstand mit Laserlicht nur einer einzigen Wellenlänge interferometrisch zu vermessen, beleuchten sie ihn nacheinander mit Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge und verrechnen die entstehenden Bilder miteinander. Ein weiterer Clou liegt in den Algorithmen zur Auswertung. Die Forscher haben die Rechenschritte so parallelisiert, dass sie die komplette Leistung einer High-End-Grafikkarte ausnutzen. Dadurch soll das System so schnell sein, dass es innerhalb von Sekundenbruchteilen Gegenstände auf den Mikrometer genau vermessen kann. „Für hochgenaue dreidimensionale Messungen ist unser System das weltweit schnellste, das am Markt verfügbar ist“, sagt Bertz, Gruppenleiter am Fraunhofer IPM. Diese Schnelligkeit wiederum macht das System robust und vergleichsweise unempfindlich gegen Störeinflüsse wie Erschütterungen. Das ist ähnlich wie beim Fotografieren: Je kürzer die Belichtungszeit, desto weniger verwackelt das Bild.

Produktion ohne Risiko

Für die Werner Gießler GmbH – einen Mittelständler, der Komponenten für Dieseleinspritzanlagen herstellt – war das Verfahren eine Art Rettung: Das Unternehmen bekam von seinem Kunden Bosch den Auftrag, statt 6,5 Millionen Bauteilen pro Jahr künftig 10 Millionen zu liefern, und zwar ohne ein einziges Fehlteil. Mit der bisherigen Sichtprüfung war das ein Ding der Unmöglichkeit. Doch mithilfe der digitalen Holographie konnte der Mittelständler den Auftrag annehmen. „Ich bin nicht risikofreudig genug, um auf diese Technologie zu verzichten“, fasst der Geschäftsführer Thomas Gießler zusammen. „Denn Firmen, die nicht gelernt haben, die Qualität ihrer Teile zu prüfen, gibt es bald nicht mehr.“ Das System ist bereits in die Produktion integriert.

Für die Entwicklung der produktionstauglichen digitalen Holographie erhalten Dr. Markus Fratz, Dr. Alexander Bertz und Dr. Tobias Beckmann den diesjährigen Joseph-von-Fraunhofer-Preis. Die Jury begründet die Preisvergabe unter anderem mit „der herausragenden wissenschaftlichen Arbeit und der erstmaligen Darstellung der Industrietauglichkeit des Verfahrens“. (sh)

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