Nutzung der Nanotechnologie für

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Übersichtsstudie
Nutzung der Nanotechnologie für
sicherheitstechnische Anwendungen
Andreas Hoffknecht
Olav Teichert
Herausgeber:
Zukünftige Technologien Consulting (ZTC)
der VDI Technologiezentrum GmbH
Graf-Recke-Str. 84
40239 Düsseldorf
im Auftrag und mit Unterstützung des
Bundesministeriums für Bildung und Forschung
Diese Studie entstand im Rahmen des Vorhabens „Innovations unterstützende Maßnahmen für die Optischen Technologien“ (Laufzeit: 1.1.2005-31.12.2007, Auftragsnummer: NT 2115A) der VDI Technologiezentrum GmbH im Auftrag und mit Unterstützung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), Referat 513.
Das BMBF hat das Ergebnis der Studie nicht beeinflusst; der Auftragnehmer trägt allein
die Verantwortung.
Durchführung:
Dr. Andreas Hoffknecht
Dr. Olav Teichert
Dank gilt Herrn Dr. Marcus Heyer-Wevers und Frau Dr. Karin Wey für Ihre Anregungen und Ihre Diskussionsbereitschaft.
Zukünftige Technologien Nr. 63
Düsseldorf, im Mai 2006
ISSN 1436-5928
Für den Inhalt zeichnen die Autoren verantwortlich. Die geäußerten Auffassungen
stimmen nicht unbedingt mit der Meinung des Bundesministeriums für Bildung und
Forschung überein.
Außerhalb der mit dem Auftraggeber vertraglich vereinbarten Nutzungsrechte sind alle
Rechte vorbehalten, auch die des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder
vollständigen photomechanischen Wiedergabe (Photokopie, Mikrokopie) und das der
Übersetzung.
Quellen für das Titelbild:
Oben links: Prof. Dr. Norbert Hampp, Lehrstuhl für Biophysikalische Chemie, Universität Marburg; Oben rechts: QinetiQ Ltd.; Unten links: Argonne National Laboratory;
Unten rechts: Siemens AG
Zukünftige Technologien Consulting (ZTC)
der VDI Technologiezentrum GmbH
Graf-Recke-Straße 84
40239 Düsseldorf
Die VDI Technologiezentrum GmbH ist
im Auftrag und mit Unterstützung des
Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) tätig.
Inhaltsverzeichnis
1
EINLEITUNG ZUM METHODISCHEN VORGEHEN
2
STRUKTURIERUNG DER SICHERHEITSFORSCHUNG IM NANOSEC-KONTEXT
13
3
BEISPIELE SICHERHEITSTECHNISCHER ANWENDUNGEN MIT
NANOTECHNOLOGISCHEM BEZUG
3.1 Technische Anlagen/kritische Infrastrukturen
3.2 Umwelt
3.3 Daten
3.4 Personen
3.5 Güter und Waren
17
17
31
42
56
75
4
ANALYSE DES MARKTPOTENZIALS DER SICHERHEITSTECHNIK
91
5
ZUSAMMENFASSUNG UND SCHLUSSFOLGERUNG
99
6
ANHANG
6.1 Darstellung der Fördersituation in der Sicherheitsforschung
6.2 Patentanalyse Sicherheitstechnik und Nanotechnologie
6.3 Auswahl deutscher und ausländischer Firmen in der
Sicherheitstechnik
103
103
146
LITERATUR
171
7
7
159
7
1
EINLEITUNG ZUM METHODISCHEN VORGEHEN
Die vorliegende interne Übersichtsstudie zur „Nutzung der Nanotechnologie für sicherheitstechnische Anwendungen“ ist eine übersichtsartige
Bestandsaufnahme zu vorhandenen nanotechnologischen Ansätzen, Forschungsaktivitäten und potenziellen Anwendungsfeldern in der Sicherheitstechnik. Anhand konkreter Beispiele zum Stand der Technik sollen
Entwicklungsbeiträge und Innovationsimpulse aus der Nanotechnologie
für zukünftige sicherheitstechnische Anwendungen beleuchtet, sowie
wichtige F&E-Schwerpunkte und Umsetzungspotenziale dargestellt werden (Kap. 3). Des Weiteren sollen über einen Vergleich der internationalen Förderaktivitäten in Deutschland, dem EU-Raum und den USA zentrale Entwicklungsfelder mit dem Fokus auf neue sicherheitstechnische
Hochtechnologieanwendungen identifiziert werden (Kap. 4). Ergänzt
wird die Bestandsaufnahme durch eine Patentanalyse (Kap. 5), der Einordnung des sicherheitstechnischen Marktpotenzials (Kap. 6) sowie
durch eine Auswahl deutscher und internationaler Firmen, mit dem
Schwerpunkt spitzentechnologischer Sicherheitsprodukte (Kap. 7).
Für die Studie sind im Wesentlichen folgende Quellen herangezogen
worden:
•
nationale, europäische und amerikanische Forschungs- und Förderprogramme
•
ZTC-Archivsystem Futurepool
•
Fachliteratur, Studien und Berichte
•
Informationen von Projektträgern und Experten
•
Newsletter und Tickermeldungen nationaler und internationaler Forschungseinrichtungen und universitärer Arbeitsgruppen
•
Konferenzen und Kongresse (aus den Bereichen Sicherheitsforschung, Wehrtechnik, Homeland Security, Sensorik und Nanotechnologie)
•
Branchenbeobachtung
•
Analyse relevanter Schlüsselpatente
•
Internetplattformen mit sicherheitstechnischem Bezug oder Akteure
im Bereich der Sicherheitsforschung/Homeland Security
Zur thematischen Aufarbeitung des wissenschaftlichen Querschnittsfeldes sind als zentrale Identifikations- und Vergleichskriterien in einem
ersten Schritt Neuheitsgrad, Schlüsselcharakter, potenzielle Anwendungsfelder und Zeithorizont für die gezielte Suche nach relevanten
technologischen Entwicklungslinien festgelegt worden. In Verbindung
mit einer funktions- bzw. anwendungsorientierten Strukturierung der
Sicherheitsforschung (siehe Kap. 2) und der Berücksichtigung fachlicher
und technologischer Abgrenzungskriterien wird so ein Suchraum defi-
Bestandsaufnahme
nanotechnologischerAnsätze in
der Sicherheitsforschung
8
Nutzung der Nanotechnologie für sicherheitstechnische Anwendungen
niert, in dem die besonderen Innovationsimpulse nanotechnologischer
Forschungsansätze für zukünftige sicherheitstechnischen Anwendungen
und Produkte herausgearbeitet werden können.
Fokussierung auf
F&E-Ansätze aus
dem SecurityBereich
Ausschluss
von SafetyEntwicklungen im
Bereich inhärenter Anlagensicherheit
Definition
von NanosecProfilen als
Schnittmenge
sicherheitstechnischer
Anforderungsprofile und nanotechnologischer
Know-howBeiträge
Neben der fachlichen Fokussierung auf nanotechnologische F&EAnsätze sollen in der Studie spezifische Technologieansätze und Anwendungen weitgehend unberücksichtigt bleiben, die dem Bereich der Unfallsicherheit bzw. Safety zugeordnet werden können, es sei denn, sie
leisten einen entscheidenden Beitrag für die Weiterentwicklung sicherheitstechnischer Applikationen. Technologische Grenzbereiche sind insbesondere inhärente Anlagensicherheitssysteme (Industrial Safety und
nukleare Sicherheits- und Endlagerforschung), Fahrzeug- bzw. Verkehrssicherheit und die elektrische Sicherheitstechnik.
Die Definition eines „Nanosec“-Suchraumes an der Schnittstelle zwischen Nanotechnologie und Sicherheitstechnik (Security) dient als Ausgangspunkt eines technologischen Screening-Prozesses, der letztendlich
durch die Formulierung anwendungsorientierter Nanosec-Profile ein selektives Matching sicherheitstechnisch relevanter F&E-Beiträge ermöglichen soll. Aus der Zusammenführung sicherheitstechnischer Anforderungsprofile und nanotechnologischer Know-how-Beiträge (siehe
Nanosec-Profilsystematik auf der nächsten Seite) sollen hierzu Alleinstellungsmerkmale und Synergieeffekte für die Entwicklung neuartiger
Sicherheitstechnologien identifiziert und so mögliche Zielvorgaben bzw.
technologische Fragestellungen für zukünftige F&E-Projekte herausgefiltert werden. Zudem können in der Nanosec-Schnittmenge die Leistungskriterien zukünftiger sicherheitstechnischer Anwendungen im Kontext
ihrer Anwendungsfelder betrachtet und unter Einbeziehung von marktund verfahrenstechnischen Rahmenbedingungen die Entwicklungshorizonte oder Massenmarktpotenziale sicherheitstechnischer Produkte abgeschätzt werden.
1. Einleitung zum methodischen Vorgehen
Sicherheitsforschung
Nanotechnologie
Nanosec
Technologisches
Anforderungsprofil
Sicherheitstechnik:
- Empfindlichkeit
- Vernetzbarkeit
- Detektionsgeschwindigkeit
- Einbettungsfähigkeit
- Massenfertigungstauglichkeit
- Robustheit
- Signal-Rausch-Verhältnis
- Langzeitstabilität
- Multifunktionalität
- Verarbeitungsfähigkeit
- Abschirmungsreichweite
Technologischer
Beitrag Nanotechnologie:
- gezielter Aufbau komplexer
biologischer oder chemischer
Strukturen durch Manipulation
oder Selbstorganisation auf
atomarer Ebene
- gezielte Nutzung quantenmechanischer Effekte und
vergrößerter Grenz- und
Oberflächen
- gezielte strukturelle Modifizierung oder Beschichtung
auf der Basis von Nanomaterialien bzw. funktionalisierter
Nanopartikel
- Integration unterschiedlicher
physikalischer Technologien
zum Aufbau funktionaler oder
sensorischer Strukturen bzw.
Schichten
- Miniaturisierung funktionaler,
sensorischer oder aktorischer
Komponenten an der Schnittstelle zur Mikrosystemtechnik
MEMS → NEMS
Nanosec-Profilsystematik
9
10
Einfluss der
Nanotechnologie
auf die
Realisierung
hochtechnologischer
Sicherheitssysteme der
Zukunft
Innovations- und
Synergieffekte
für die Sicherheitsforschung
auch aus den
Lebenswissenschaften und der
Mikrosystemtechnik zu erwarten
Ausgehend von der vorab dargestellten Nanosec-Profilystematik mit der
Gegenüberstellung sicherheitstechnischer Anforderungskriterien und den
material- und verfahrenstechnischen Beitragsoptionen der Nanotechnologie, steht in der Studie insbesondere die Frage im Vordergrund, ob und in
welchem Umfang die Auslegung und Realisierung hochtechnologischer
Sicherheitssysteme in der Zukunft maßgeblich vom Einsatz nanotechnologischer Materialien und Methoden bestimmt wird. Beispielsweise werden bei der zukünftigen Realisierung leistungsfähigerer Überwachungsoder Sensorsysteme für die Detektion chemischer oder biologischer
Kampfstoffe wesentliche Impulse aus der Nanotechnologie erwartet. Die
Notwendigkeit einer schnellen Detektion und kurzer Vorwarnzeiten im
Ernstfall erfordert hier mittelfristig die Realisierung einer Sensorik auf
molekularer Ebene, so dass davon auszugehen ist, dass insbesondere die
Erhöhung der Detektorempfindlichkeit und die schrittweise Miniaturisierung zukünftiger Sicherheitssysteme von der Weiterentwicklung nanosensorischer Konzepte beeinflusst wird. Gleiches gilt für den Einsatz von
nanoskaligen Materialien bei der Entwicklung robuster Materialsysteme
oder funktionaler Beschichtungen, die bezüglich ihrer Funktionsfähigkeit
und Langlebigkeit den erhöhten sicherheitstechnischen Standards Rechnung tragen müssen. Hier eröffnet die Bandbreite maßgeschneiderter
physikalischer Eigenschaften von Nanopartikeln und nanostrukturierten
Materialien eine Vielzahl technologischer Lösungen, die z. B. für die
Realisierung dekontaminierender Beschichtungen und explosionsfester
Materialsysteme eine hohe Relevanz besitzen. Weitere wichtige nanotechnologische Forschungsimpulse, die bei der zukünftigen Entwicklung
sicherheitstechnischer Applikationen zum Tragen kommen, liegen in der
Nano- bzw. Polymerelektronik und bei Nanomaterialien mit definierten
elektromagnetischen Eigenschaften. Entwicklungsbeitragsfelder für
marktrelevante Sicherheitsanwendungen liegen hier auf dem Sektor der
elektromagnetischen Abschirmung elektronischer IuK-Komponenten und
bei der Realisierung moderner quantenkryptographischer Verschlüsselungssysteme.
Obwohl die Nanotechnologie in Zukunft ein Schlüsselfaktor für weitere
technologische Entwicklungssprünge in der Sicherheitsforschung sein
wird, sind auch aus anderen Forschungsfeldern wesentliche Innovationsimpulse und Synergieeffekte zu erwarten. Von hoher Relevanz sind hier
u. a. unterstützende Forschungsbeiträge aus den Lebenswissenschaften
für das Feld der Biosensorik, der klinischen Diagnostik von Kampfstoffen oder für die Nutzung biomimetischer Konzepte für die Realisierung einer molekularen Sensorik. Eine weitere Schlüsselrolle
insbesondere für die Integration nanotechnologischer Methoden und
Konzepte in sicherheitstechnischen Anwendungen fällt vor allem der
Mikrosystemtechnik zu. So ist beispielsweise die zukünftige Realisierung
sensorischer Sicherheits- und Überwachungssysteme auf der Basis
autarker MEMS-Einheiten eng mit den weiteren Fortschritten
mikrosystemtechnischer Fertigungsprozesse und Integrationskonzepte
verknüpft. Systemtechnische Herausforderungen liegen in der Einbindung zentraler sensorischer oder aktorischer Komponenten sowie in
der kontinuierlichen Verbesserung der unterstützenden Peripheriesysteme
z. B. zur autarken Energieversorgung oder drahtlosen Datenübermittlung
1. Einleitung zum methodischen Vorgehen
und -speicherung. Unter Berücksichtigung der besonderen konstruktiven
Anforderungen sicherheitstechnischer Systeme und dem Bedarf an
intelligenten Integrations- und Fertigungskonzepten, sind deshalb
maßgeschneiderte Lösungen gefragt, die auf der Grundlage der
anwendungsorientiert formulierten Nanosec-Profile und der Synergie
aller sicherheitsrelevanten Forschungsbeiträge die zukünftige Umsetzung
spitzentechnologischer Sicherheitsapplikationen ermöglichen. Aus
diesem Grund finden sich in der vorliegenden Übersichtsstudie neben
dem nanotechnologischen Fokus auch zahlreiche querschnittstechnologische Entwicklungsansätze, die in ihrer Breite die besondere Rolle
der Sicherheitstechnik bzw. -forschung als zukünftigen Technologiepromoter im nationalen und europäischen Kontext unterstreichen.
11
13
2
STRUKTURIERUNG DER SICHERHEITSFORSCHUNG
IM NANOSEC-KONTEXT
Die Nanotechnologie hat sich in den vergangenen zehn Jahren als zentrale Innovations- und Querschnittstechnologie in den Lebenswissenschaften, der Chemie und Physik sowie den Ingenieurwissenschaften etabliert.
Während anfangs die Untersuchung grundlegender Phänomene im Vordergrund stand, werden mit dem sich abzeichnenden verstärkten Eintritt
nanotechnologischen Know-hows in industrielle Fertigungsprozesse zunehmend anwendungs- und branchenspezifische Entwicklungsfaktoren
eine Rolle spielen. Somit ist es folgerichtig, fertigungs- und marktrelevante Entwicklungsbeiträge der Nanotechnologie in den Kontext technologischer, wirtschaftlicher aber auch sozio-ökonomischer Indikatoren
(Stichwort: Nachhaltigkeitseffekte oder Risiken der Nanotechnologie) zu
stellen. Auf der Basis so erzeugter anwendungsnaher und branchenbezogener Anforderungsprofile lassen sich zentrale nanotechnologische Innovationsimpulse für einzelne Technologiefelder besser identifizieren und
ökonomische Potenziale abschätzen. Mit ihrem vielfältigen Anwendungsspektrum bietet sich insbesondere die Sicherheitstechnik als massenmarktrelevante Branchenplattform und zukunftsträchtiges „Eintrittsfenster“ nanotechnologischen Know-hows an. Sowohl die Ausweitung
staatlicher Sicherheitsaufgaben auf internationaler Ebene als auch die
sich abzeichnende Entwicklung des Sicherheitsmarktes auf dem privaten
Sektor, hat in den letzten Jahren insbesondere in Europa und den USA zu
einem erhöhten Bedarf an hochtechnologischen Sicherheitsprodukten
geführt, so dass mit der wachsenden Verfügbarkeit neuer Sicherheitstechnologien in der Zukunft hohe Wertschöpfungspotenziale verbunden
sind.
Während in der klassischen Definition der Sicherheitsforschung intentionale und nicht-intentionale Sicherheitsaspekte (Unterscheidung „Security“ und „Safety“) unter einem technologischen Dach zusammengefasst
werden, ist seit dem 11. September 2001 unter dem Eindruck globaler
terroristischer Bedrohungsszenarien eine wachsende Fokussierung der
internationalen Forschung auf den „Security“-Sektor zu beobachten. Eine
zentrale Rolle spielt hierbei die Entwicklung von neuartigen Sicherheitstechnologien zum Schutz von Personen, Gütern, technischen Anlagen,
kritischen Infrastrukturen sowie Informationen und Daten. Zentraler in
den USA geprägter Leitbegriff der heutigen Sicherheitsforschung ist die
so genannte „Homeland Security“ (der synonyme deutsche Begriff ist
„Heimatschutz“), in dem per definitionem sämtliche Belange der inneren
und äußeren Sicherheit sowie des Zivil- und Katastrophenschutz inbegriffen sind, und der somit sowohl polizeiliche als auch militärische Aufgabengebiete umfasst.
Wesentliche thematische Schwerpunkte dieser breiter gefassten Sicherheitsforschung liegen in der Entwicklung abhörsicherer und leistungsfähiger Informations- und Kommunikationstechnologien sowie in der
Schaffung und Vernetzung basistechnologischer Plattformen in den zeitlich verknüpften Kernfeldern der „Homeland Security“: Detektion, Prävention, Schutz und Reaktion. Die Kernfelder weisen dabei durchaus
Nanotechnologie
ist zentrale
Innovations- und
Querschnittstechnologie
Sicherheitstechnik
als massenmarktrelevante
Branchenplattform und
zukunftsträchtiges „Eintrittsfenster“ nanotechnologischen
Know-hows
Fokussierung der
Sicherheitsforschung auf den
Security-Sektor
Definition
Homeland
Security
Kernfelder der
Homeland
Security
14
Leitgedanke
sicherheitstechnologischer
Entwicklungen ist
die Bekämpfung
von Terrorismus,
Kriminalität und
der Schutz vor
den Auswirkungen
von Naturkatastrophen
Zentrale technologische Herausforderungen
liegen in der
Detektion
chemischbiologischer
Kampfstoffe, der
Grenz- und
Transportsicherheit und dem
Schutz kritischer
Infrastrukturen
bzw. der
Zivilbevölkerung
Sicherheitsforschung ist
ein äußerst
heterogenes
Forschungsfeld
Dual-UseProblematik
unterschiedliche material- und systemtechnische Anforderungsprofile
auf. Der übergeordnete Leitgedanke technologischer Entwicklungen in
der Homeland Security besteht darin, den durch Terrorismus, Kriminalität oder Naturkatastrophen auftretenden Bedrohungspotenzialen in Zukunft zeitnäher und mit einer höheren Ausfallsicherheit begegnen zu
können. Als Reaktion auf die damit verbundenen strukturellen und organisatorischen Herausforderungen ist in den USA deshalb 2003 das Heimatschutzministerium (Department of Homeland Security) ins Leben
gerufen worden, in dem nicht nur alle staatlichen Sicherheitsorgane und
Dienste in einer zentralen Behörde zusammengefasst wurden, sondern
auch die Ausrichtung und Initiierung von Förderprogrammen zur Entwicklung innovativer und leistungsfähiger Sicherheitstechnologien der
nächsten Generation koordiniert wird. Dabei werden aus der Sicht sicherheitsspezifischer Fragestellungen und Zielsetzungen u. a. bestehende
nanotechnologische Ansätze und Forschungsprogramme, aber auch Entwicklungen aus der Mikrosystemtechnik, Biotechnologie, Informationstechnik und Medizin dazu genutzt, um Leitprojekte der Sicherheitsforschung anzustoßen bzw. auf der Basis technologisch relevanter
Grundlagenforschung neue Förderprogramme mit spezifischen sicherheitstechnischen Schwerpunkten zu formulieren. Wichtige technologische Herausforderungen, in der die Nanotechnologie eine zentrale Rolle
spielt, liegen unter anderem in der Entwicklung einer zeitnahen Analytik
chemischer und biologischer Kampfstoffe (Homeland Security-Kernfeld
Detektion) oder in der Verwirklichung einer leistungsfähigen biometrischen Sensorik für den Bereich der Grenz- und Transportsicherheit (Homeland Security-Kernfeld Prävention). In den anderen Kernfeldern liegen wichtige Schwerpunkte in der Entwicklung effektiver
Materialstrukturen zum Schutz, z. B. vor Explosionen (Homeland Security-Kernfeld Schutz) oder zersetzungsaktive Substanzen und Beschichtungen zur Dekontaminierung von Personen oder Infrastrukturen (Homeland Security-Kernfeld Reaktion).
Aufgrund des breiten Spektrums sicherheitstechnologischer Entwicklungen, den international unterschiedlichen Schwerpunkten in der Sicherheitspolitik und der vergleichsweise unscharfen Schnittmenge zwischen
„Safety“ und „Security“-Anwendungen ist die Sicherheitsforschung ein
äußerst heterogenes Forschungsfeld und adressiert eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungsfelder und technologischer Lösungsansätze. In
Abhängigkeit von dem jeweiligen Aufgabenspektrum oder der politischen Zielvorstellung leiten sich daraus für alle relevanten Segmente der
Sicherheitsforschung spezifische Anforderungsprofile und Leistungsmerkmale ab. Dabei wird die Profilbildung zu wesentlichen Teilen vom
dualen Charakter sicherheitstechnischer Anwendungen bestimmt, die aus
den Überschneidungen ziviler und militärischer Forschung resultieren.
Während in den USA kein Widerspruch zwischen militärischer und
ziviler Anwendungsforschung gesehen wird, steht in der EU die
Auflösung dieser Forschungstrennungslinie und der damit verbundenen
Dual-Use-Problematik noch am Anfang. Erst seit kurzem hat man z. B.
im Rahmen eines 2004 erschienenen „Group of Personalities“-Report zur
Sicherheitsforschung in einem übergreifenden Denkansatz die gemeinsame technologische Basis militärischer und ziviler Applikationen als
2. Strukturierung der Sicherheitsforschung
15
Grundlage für eine neue, breit angelegte Schwerpunktsetzung in der
Sicherheitsforschung erkannt und als Forschungspriorität für das
kommende 7. Forschungsrahmenprogramm berücksichtigt. Dabei wird
die Sicherheitsforschung in mehrfacher Hinsicht als „force enabler“
angesehen. Die Nutzung der Synergien von Zivil-, Sicherheits- und
Verteidigungsforschung soll u. a. dazu beitragen, die strikten Trennungsregelungen zur förder- und sicherheitspolitischen Behandlung von „Dual
Use“-Technologien aufzulösen und die Kohärenz zu anderen relevanten
europäischen
Forschungsaktivitäten,
wie
z. B.
im
Bereich
Nanomaterialien, Sensorik oder IuK-Technologien zu verstärken.
Durch die in der Zusammenführung ziviler und militärischer Forschung
auftretenden thematischen Überschneidungen und infrastrukturellen Redundanzen erscheint es gerade vor dem Hintergrund der bedeutenden
ökonomischen Potenziale sicherheitstechnischer Anwendungen sinnvoll,
statt einer rein fachlichen oder zeitlichen (siehe Kernfelder der Homeland
Security) Strukturierung eher eine funktions- bzw. anwendungsorientierte
Aufschlüsselung der Sicherheitsforschung vorzunehmen (siehe Abb 1).
Die entwicklungstechnisch bedeutsamen Anwendungsfelder lassen sich
im Wesentlichen in fünf Kategorien unterteilen: technische Anlagen bzw.
kritische Infrastrukturen, Umwelt, Daten, Personen sowie Güter und Waren. Ausgehend von dieser Strukturierung lassen sich technologische
Anforderungsprofile generieren, die die funktionalen und strukturellen
Aspekte und Ausgangsbedingungen in den für die Sicherheitsforschung
relevanten Forschungsgebieten stärker gewichten und in einem einsatzspezifischen Kontext stellen.
Funktions- bzw.
anwendungsorientierte
Aufschlüsselung
der Sicherheitsforschung
techn. Anlagen/
kritische
Infrastrukturen
Umwelt
Daten
Personen
Güter/
Waren
Abb. 1: Anwendungsorientierte Strukturierung der Sicherheitsforschung
Die anwendungsorientierte Strukturierung wird zu wesentlichen Teilen
vom Einsatzumfeld, von der Umsetzbarkeit und der Marktnähe sicherheitstechnologischer Lösungen bestimmt. Dabei sollen sowohl die Innovations- und Entwicklungsimpulse aus der zivilen Forschung berücksichtigt werden als auch Dual-Use-Technologien, die aus der militärischen
Forschung stammen. Die Abgrenzung der Anwendungsfelder untereinander definiert sich dabei weniger über die basis- oder systemtechnologischen Ansätze - so spielen grundlegende Entwicklungen z. B. in der Nanosensorik oder Materialforschung in allen Feldern eine große Rolle sondern in erster Linie über die dahinter stehenden Zielmärkte. Durch die
Aufnahme des Anwendungsfeldes „Umwelt“ in den sicherheitstechnischen Betrachtungshorizont werden darüber hinaus auch wichtige Entwicklungen z. B. aus der Schadstoff- bzw. Gas-Analytik einbezogen, die
im Grenzbereich zwischen Umwelt- und Sicherheitstechnik stehen. Aus-
Abgrenzung der
Anwendungsfelder
Aufnahme des
Anwendungsfeldes
„Umwelt“ in den
sicherheitstechnischen Betrachtungshorizont
16
gehend von dieser Strukturierung werden die in Kapitel 3 aufgeführten
Beispiele zu sicherheitstechnischen Anwendungen mit nanotechnologischem Bezug den Anwendungsfeldern zugeordnet, wobei die Bandbreite
sicherheitstechnischer Applikationen insbesondere aus der Blickrichtung
nanotechnologischer Entwicklungsbeiträge dargestellt wird.
17
3
BEISPIELE SICHERHEITSTECHNISCHER
ANWENDUNGEN MIT NANOTECHNOLOGISCHEM
BEZUG
Auf Basis der in den ersten beiden Kapiteln vorgenommenen Definition
des Nanosec-Suchraumes und der anwendungsorientierten Strukturierung
des Sicherheitsforschungsfeldes werden im folgenden Kapitel ausgewählte Beispiele zu sicherheitstechnischen Anwendungen mit nanotechnologischem Bezug vorgestellt und beschrieben. In den einzelnen Anwendungsfeldern sollen nicht nur wichtige Schlüsseltechnologien oder anwendungen präsentiert werden, die direkt aus dem Sicherheitsforschungsumfeld stammen, sondern auch parallele technologische Ansätze
aus anderen Forschungsbereichen berücksichtigt werden, die z. B. durch
die Bereitstellung neuer basistechnologischer Plattformen maßgeblichen
Einfluss bei der Entwicklung zukünftiger sicherheitstechnischer Applikationen haben können. Die Auswahl der technologischen Beispiele folgt
deshalb unterschiedlichen Blickrichtungen. In der Hauptblickrichtung
werden diejenigen sicherheitsspezifischen Applikationsentwicklungen
berücksichtigt, in der die kritischen Parameter und Zielperspektiven sicherheitstechnischer Anforderungsprofile in unmittelbarer Verbindung zu
den nanotechnologischen Lösungsbeiträgen stehen. Neben grundlegenden verfahrenstechnischen Entwicklungen in der Nanotechnologie sind
vor allem Forschungsbeiträge aus der Nanoanalytik, Nanooptik, Nanoelektronik oder Nanobiotechnologie von Interesse. Darüber hinaus soll
aber auch die umgekehrte Blickrichtung der Modifizierung bestehender
ziviler oder militärischer F&E-Ansätze für sicherheitstechnische Anwendungen bei der Auswahl technologischer Beispiele einbezogen werden.
Ziel ist die übersichtsartige Darstellung der Vielfalt und des Marktpotenzials sicherheitstechnischer Anwendungen in den einzelnen Feldern, und
damit verbunden eine Einschätzung der Bedeutung nanotechnologischer
Entwicklungsbeiträge vor dem Hintergrund internationaler Aktivitäten in
der Sicherheitsforschung und sich abzeichnender Wettbewerbspotenziale
der Sicherheitstechnik.
3.1
Ausgewählte Beispiele zu sicherheitstechnischen
Anwendungen mit
nanotechnologischem Bezug
Technische Anlagen/kritische Infrastrukturen
Der Schutz sensibler technischer Anlagen und kritischer Infrastrukturen
gilt in der internationalen Sicherheitspolitik als eine der größten technologischen Herausforderungen und stellt bereits heute einen wesentlichen
Kostenfaktor auf staatlicher wie wirtschaftlicher Ebene dar. Kritische
Infrastrukturen als Teil der allgemeinen Infrastruktur umfassen als übergeordneten Begriff laut einer Defintion des Bundesamtes für Sicherheit
in der Informationstechnik (BSI) „Die Organisationen und Einrichtungen
mit wichtiger Bedeutung für das staatliche Gemeinwesen, bei deren Ausfall oder Beeinträchtigung nachhaltig wirkende Versorgungsengpässe,
erhebliche Störungen der öffentlichen Sicherheit oder andere dramatische
Folgen eintreten“. Dazu gehören u. a. Kommunikations- und Informationsinfrastrukturen, Transportwesen, Lebensmittel- und Energieversorgung, Bank- und andere Finanzdienstleistungen, Gesundheitswesen, öffentliche Dienste der Sicherheit und Versorgung (Bevölkerungs- und
Definition
kritische Infrastrukturen
18
Katastrophenschutz, Polizei, Feuerwehr). Die Hauptaufgabe besteht heute weniger darin, der Gefahr einer direkten militärischen Konfrontation
zu begegnen sondern vielmehr adäquate sicherheitstechnische Lösungen
für die weitaus diffuseren Gefahren des internationalen Terrorismus, organisierter Kriminalität sowie der Folgen natur- oder zivilisationsbedingter Katastrophen bereitzustellen. Aus diesem Grund stellt der Schutz ziviler technischer Anlagen und Gebäude einen wesentlichen
wirtschaftlichen Faktor dar. Der Bedarf an sicherheitstechnischen Lösungen konzentriert sich vor allem auf technische Anlagen in sensiblen Industriebereichen der chemischen Industrie sowie auf die wichtigen zivilen Versorgungsbereiche der Energie- und Trinkwasserversorgung.
Anforderungsprofil für den
Schutz technischer Anlagen
und kritischer
Infrastrukturen
Die mit dem Schutz technischer Anlagen und kritischer Infrastrukturen
verbundenen Kriterien bilden ein Anforderungsprofil, das in Abgrenzung
zu den übrigen Anwendungsfeldern von spezifischen Herausforderungen
wie z. B. der zeitnahen und zielgenauen Detektion freigesetzter chemisch-biologischer Kampfstoffe über große Entfernungen oder der Notwendigkeit zur Entwicklung besonders korrosionsbeständiger Schutzbeschichtungen geprägt ist. Bezogen auf diese Kriterien und der
Einsatzspezifika des Anwendungsfeldes fokussieren sich die im folgenden Abschnitt vorgestellten Anwendungs- und Technologiebeispiele auf
drei technologische Schwerpunkte:
1. Überwachungs- und Detektortechnologien
z. B. selbstständige oder unbemannte Überwachungssysteme (SelfReporting Sensors, UAVs) bzw. Detect-to-Warn-Applikationen
(Stand-off-Detektoren)
2. Dekontaminationstechnologien
z. B. selbstreinigende Dekontaminationsbeschichtungen oder Filtersysteme (photokatalytische Systeme, dekontaminierende Nanoemulsionen)
3. mechanische Schutzbeschichtungen oder konstruktionsverstärkende
Kompositmaterialien
z. B. Nanokompositbeschichtungen (CNT-verstärkte Nanokomposite)
oder nanokristalline Materialien (metallisches Glas oder Plastik)
Überwachungs- und Detektortechnologien
Zentraler Trend
liegt in der
Autonomisierung
von Überwachungs- und
Detektorsystemen
Bei der Entwicklung sicherheitstechnischer Systeme zur Überwachung
ziviler oder militärischer Anlagen und Infrastrukturen liegen die zentralen technologischen Trends in der Autonomisierung von Überwachungsund Detektorsystemen sowie in der Integration und Miniaturisierung bewährter Detektionstechnik und neuer sensorischer Applikationsmodelle.
Vor dem Hintergrund der zentralen Aufgabenstellung des Schutzes ausgedehnter bzw. unübersichtlicher Areale vor den Gefährdungen durch
den Einsatz chemisch-biologischer Kampfstoffe oder Minen aber auch
den Auswirkungen natürlicher Bedrohungspotenziale wie Erdbeben und
Vulkanausbrüche, werden derzeit vor allem zwei Autonomiekonzepte
diskutiert. Auf der einen Seite der Einsatz ferngesteuerter unbemannter
3. Beispiele sicherheitstechnischer Anwendungen
Sicherheitssysteme, z. B. über bodengestützte Roboter oder Flugdrohnen,
und zum anderen die Realisierung einer flächendeckenden Überwachung
durch den Aufbau autarker Sensornetzwerke, z. B. über die mobile
„Smart Dust“-Technologie bzw. über stationäre „Self-Reporting“Sensoren. Bei der Anpassung und Entwicklung der für diese autonomen
„Detect-to-Warn“-Einsatzformen geeigneten Detektorsysteme haben
langreichweitige so genannte Standoff-Detektoren eine herausragende
technologische Bedeutung. Das wichtigste Detektionsprinzip basiert dabei auf der Messung elektromagnetischer Energieübertragungen z. B. bei
der optischen Anregung der zu detektierenden Partikel oder Gasmoleküle
auf dem Luftweg, wobei typische „Standoff“-Distanzen für einen Radius
ab 10 Metern definiert sind. Man unterscheidet dabei zwischen dem Bereich der Spurendetektion, bei der schwerpunktmäßig die laserbasierte
LIDAR-Technologie (LIght Detection and Ranging) und nicht-linear
optische Systeme (z. B. die CARS-Spektroskopie (CARS = Coherent
Anti-Stokes Raman Scattering)), die als passive StandoffDetektorkomponenten verwendet werden und der so genannten BulkDetektion, bei der z. B. die zeitnahe Durchleuchtung großer AerosolWolken oder Gebäudeanlagen im Vordergrund steht. Hier kommen insbesondere bildgebende elektromagnetische Verfahren auf Röntgen-, IR-,
Mikrowellen oder Radar-Basis zum Einsatz bzw. werden im Fall der Terahertztechnologie derzeit bis zur Anwendungssreife entwickelt.
Neben der Entwicklung geeigneter Detektorträgersysteme- oder Datenübertragstechnologien werden für die zukünftige Integration autonomer
Sensorsysteme in leistungsfähige Standoff-Detektorarchitekturen vor
allem die Fortschritte im Bereich der molekularen Sensorik bzw. Spektroskopie von entscheidender Bedeutung sein. Nanotechnologische Entwicklungsbeiträge werden hierbei eine zentrale Rolle spielen. Die Bandbreite reicht von der Bereitstellung schneller und punktgenauer
Laserquellen für LIDAR-Systeme, der Entwicklung optischer Detektorkomponenten und spektroskopischer Methoden auf der Basis nanostrukturierter Materialien und Verfahren bis hin zur Einbindung sensorisch
aktiver Nanopartikel in Lab-on-Chip-Detektoren.
Darüber hinaus wird in der Zukunft die Entwicklung neuartiger Nanomaterialien wichtige Impulse und Grundlagen für die Entwicklung sicherheitstechnischer Sensor- und Aktor-Applikationen schaffen. Denkbar
sind z. B. der verstärkte Einsatz nanokeramischer oder polymerer Elektretmaterialien in Vibrationssensoren zur flächendeckenden Überwachung seismischer Erschütterungen bei Erdbeben oder als Überwachungssensoren in Gebäudewänden oder Böden. Auch zur
Probenaufbereitung in integrierten MEMS-Detektorsystemen werden
Lösungsbeiträge aus Nanotechnologie eine Rolle spielen. Beispiel hierfür
ist die Entwicklung von Nanofluidikkomponenten auf der Basis piezoelektrischer Substrate, so genannter SAW-Elemente, bei der der Stofftransport in Lab-on-Chip-Architekturen durch akustische Oberflächenschallwellen erfolgt. Der größte nanotechnologische Anteil bei der
Miniaturisierung und Autonomisierung von integrierten Detektoren und
Sensornetzwerken wird jedoch auf dem Entwicklungssektor leistungsfähigerer Energiespeicher und Mikrogeneratoren gesehen. Zu nennen ist
19
„Smart Dust“Technologie
StandoffDetektoren
LIDARTechnologie
Nanotechnologische Entwicklungsbeiträge
20
hier unter anderem die Entwicklung hoch kapazitiver Batterieelektroden
auf der Basis nanokristalliner Materialien wie z. B. Lithium-Titanat oder
Lithium-Kobaltoxid oder neuartige Energieversorgungskonzepte wie das
„Energy Harvesting“-Konzept, bei der z. B. durch den Einsatz halbleiterbasierter Quantenpunktmaterialien herkömmliche elektrische Konversionsprozesse, wie der photo- oder thermoelektrische Effekt, auf kleinsten
Flächen für die Versorgung autarker Sensor- oder Detektionsprozesse
optimiert werden sollen.
Portables
chemisches
Detektionssystem
SnifferSTAR
Ein Beispiel für das Zusammenspiel unterschiedlicher technologischer
Beiträge in einem autonomen sicherheitstechnischen Gesamtsystem ist
das von Forschern der Sandia National Laboratories entwickelte portable
chemische Detektionssystem SnifferSTAR, das in kleinen unbemannten
Flugdrohnen bei der Überwachung von Städten und militärischen
Anlagen zum Einsatz kommen soll. Die patentierte Technologie, die
sowohl Nervengas als auch lungen- und blutzerstörende Kampfstoffe
detektieren kann, ist ein Schnellanalysesystem, das zur Detektion
eingehender Zielmoleküle nur 0,5 W Versorgungsleistung benötigt. Die
Miniaturisierung des Detektionssystems konnte dabei vor allem durch die
Nutzung nanostrukturierter Materialsysteme zur Probensammlung und
Konzentration in Verbindung mit einem MEMS-basierten Lab-on-ChipDetektor realisiert werden. Beim Detektionsvorgang werden nach einem
thermischen Desorptionsschritt, die Moleküle über einen chemoselektiv
beschichteten Quarzstreifen geschickt, der aufgrund einer angelegten
elektrischen Spannung mit einer voreingestellten Frequenz vibriert.
Durch die unterschiedlichen Massen der auf den Quarzstreifen
anhaftenden Moleküle enstehen signifikant veränderte Frequenzsignale,
die in der Prozessoreinheit des SnifferSTAR-Moduls verabeitet und
schließlich über eine Radiowellen-Sende-Einheit zur Bodenstation
weitergeleitet werden können. Der Sammelprozess während des Fluges
der Detektordrohne wird alle 20 Sekunden wiederholt, wobei der
Ansaugvorgang 15 Sekunden und der Analyseschritt 5 Sekunden Zeit in
Anspruch nimmt. Die Regeneration bzw. die Reinigung des
Sensorbereiches vor dem nächsten Detektionsschritt wird allein durch die
einströmende Luft gewährleistet.
21
Abb. 2: Der SnifferSTAR mit chemischer Sensoreinheit in einer UAV-Drohne
integriert (Quelle: Sandia National Laboratories)
Weitere interessante F&E-Beispiele und relevante nanotechnologische Entwicklungen:
•
Beim Projekt „Smart Sand“ ist in den Sandia National Laboratories
ein granulares chemisches Sensorsystem für die Detektion von
Explosivstoffen auf der Basis fluoreszierender Nanopartikel
entwickelt worden, die aus hoch-fluoreszierenden C14Polymerpartikeln bestehen und die mit einem polymeren
Trägerpartikel verbunden sind. Um militärisches oder ziviles
Personal von einem zu untersuchenden Minenfeld entfernt zu halten,
wird zur Aktivierung der Sensor-Partikel und zur anschließenden
Messung
der
Fluoreszenz-Antwort
ein
langreichweitiges
Fluoreszenz-LIDAR-System zum Einsatz kommen.
Projekt „Smart
Sand“ granulares
chemisches
Sensorsystem
Abb. 3: Messprinzip Sensor-Partikel und Fluoreszenzaufnahme (Filterverhältnis
450nm/420nm) (Quelle: Sandia National Laboratories)
•
Am Applied Research Laboratory der Pennsylvania State University
arbeitet man an der Entwicklung nanotechnologischer Methoden zur
Herstellung umweltstabiler, optosensorisch empfindlicher und
reproduzierbarer Substrate, mit denen mobile und leistungsstarke
Nanofabrikationsprozess zur
Herstellung von
SERS-Sensoren
22
SERS-Sensoren (Surface Raman Enhanced Spectroscopy =
oberflächen-verstärkte Raman-Spektroskopie) möglich werden
sollen. Finanziert wird das Forschungsprojekt vom Office of Naval
Research. Bei der SERS-Technologie handelt es sich um eine viel
versprechende optische „Stand-off“-Detektionsmethode, um über
sichere Distanzen sowohl Toxine als auch Explosivstoffe in hoher
Verdünnung nachweisen zu können. Das technische Hauptproblem
auf dem Weg zu portablen und robusten SERS-Sensoren stellt die
reproduzierbare Herstellung SERS-aktiver Substrate dar, wobei bei
der Realisierung von SERS-Sensoren vor allem die Oberflächenrauheit des Substrates und die Integration der Sensorkomponenten
kritische Entwicklungsfaktoren darstellen. Den Forschern der
Pennsylvania State University ist es nun gelungen, mit Hilfe der
Elektronenstrahl-Nanolithographie einen stabilen Prozess für die
Herstellung eines SERS-aktiven Substrates aus Chrom und Gold zu
entwickeln, bei der auf der Basis einer lithographisch hergestellten
PMMA-Maske 55 nm hohe Cr/Au-Säulen über einen CVD-Prozess
auf ein Siliziumsubstrat abgeschieden werden. Dadurch das sowohl
zwischen als auch auf den Einzelsäulen „aufgeraute“
Oberflächenstrukturen entstehen, wird so eine wesentlich größere
4. Vacuum Evaporate 10nm
Chromium + 20nm Gold
1. Spin on TwoLayer Resist
2. Write Pattern with
Electron Beam
3. Develop Pattern
(remove columns)
Au
Cr
5. Lift-Off resist
and excess metal
PMMA Resist
Substrate
Silicon Wafer
SERS-aktive Oberfläche für die Verstärkung des Ramansignals
erzeugt.
Abb. 4:
•
BMBF
Verbundprojekt
„Durchstimmbare
Photonische
Kristalllaser auf
Kunststoffbasis“
Nanofabrikationsprozess zur Herstellung von SERS-Substraten (Quelle:
Pennsylvania State University).
Im Rahmen des vom BMBF geförderten Verbundprojektes
„Durchstimmbare Photonische Kristalllaser auf Kunststoffbasis“ sind
in einem Teilvorhaben des Lichttechnischen Instituts der Universität
Karlsruhe auf der Basis halbleitender organischer Absorber- und
Emitterschichten aktive 2D Photonische Kristalle auf einem
nanostrukturierten Kunststoffsubstrat erzeugt worden. Ziel des
Projektes ist die Demonstration einer integrierten, im sichtbaren
Bereich durchstimmbaren, äußerst kompakten Laserlichtquelle, die
unter anderem in Detektorsystemen mit optischer Sensorik integriert
werden kann und sich insbesondere für schnelle Analyse- und
Screening-Verfahren zur Detektion von Gefahrenstoffen eignet.
Dekontaminationstechnologien
Der Schutz kritischer Infrastrukturen und technischer Anlagen hängt
nicht nur von der Leistungsfähigkeit autonomer Detektions- und Überwachungssensoren ab, die dem Bereich präventiver Sicherheitstechnolo-
gien zuzuordnen sind, sondern ist auch eng mit der Entwicklung geeigneter Dekontaminationstechnologien verbunden, die insbesondere bei der
Filterung und Zerstörung freigesetzter chemischer oder biologischer Toxine eine wichtige sicherheitstechnische Funktion einnehmen. Der Einsatz von Dekontaminationstechnologien für den Schutz kritischer Infrastrukturen und technischer Anlagen steht in enger Verbindung mit dem
Schutz von Personen oder natürlicher Ressourcen. Dabei stellt die Verwendung unterschiedlichster Konstruktionsmaterialien zusammen mit der
hohen korrosiven Beanspruchung zu schützender Gebäude-Oberflächen
oder Anlagenbauteile eine große Herausforderung für die Entwicklung
dekontaminierender Beschichtungen, aktiver Reinigungs- oder katalytischer Filtersysteme dar. Mit dem zunehmenden Einsatz sich selbstreinigender nanostrukturierter Oberflächen und der Integration katalytisch
aktiver Nanopartikel in maßgeschneiderten multifunktionalen Beschichtungssystemen liefert vor allem die chemische Nanotechnologie wesentliche Innovationsimpulse und verfahrenstechnische Grundlagen für die
Entwicklung langzeitaktiver und selektiver Dekontaminationstechnologien. Wichtige Schwerpunkte der für sicherheitstechnische Anwendungen relevanten Nanomaterialien sind photokatalytische Systeme (z. B.
auf Titandioxidbasis), schnellverbrennende bzw. bioazide Nanopartikel
sowie superabsorbierende oder superhydrophobe Nanokomposite bzw.
Hydrogele.
Ein anschauliches Beispiel für eine dekontaminationstechnische Vorgaben erfüllende Applikationsentwicklung ist ein erstmalig 2004 vorgestelltes sich selbstreinigendes katalytisches Polymerfiltersystem, das am
Naval Research Laboratory (NRL) im Rahmen eines vom Office of Naval Research (ONR) finanzierten Projektes auf der Basis eines multifunktionalen Nanocoatings entwickelt wurde und insbesondere bei der Dekontamination von verseuchter Atemluft oder Trinkwasser eingesetzt
werden soll. Durch die Kombination chemischer und biologischer Katalysatoren gelang es den Forschern erste Demonstratoren herzustellen, die
zur aktiven Zersetzung unterschiedlicher chemischer Toxine wie z. B.
Pestizide oder Nervengase geeignet sind. Die unmittelbare Kopplung von
biologisch und chemisch aktiven Katalysatoren in einem System konnte
dabei realisiert werden, weil beim schrittweisen Aufbau des reaktiven
Filtersystems eine Absorptionsschicht aus geladenen Nanopartikeln auf
die jeweiligen polymeren Substratlagen aufgesprüht wurde. Auf Basis
dieser „Ankerschicht“ konnte ein schichtartiger Aufbau mit chemischen
Katalysatorkomplexen und katalytisch aktiven Enzymen realisiert sowie
zusätzlich die immobilisierten Enzyme stabilisiert werden. Letztendlich
entsteht so eine definierte für unterschiedliche Filtergüten und Luft- oder
Wasserqualitätsanforderungen einstellbare Filter-Sandwich-Struktur (siehe Abb.5). Der eigentliche Zersetzungsvorgang der in das Sandwichsystem gelangenden Toxine erfolgt dabei unter Ausnutzung beider sich synergetisch ergänzenden Katalysatorsysteme. Während z. B. der hydrolytische Zersetzungsvorgang bei Pestiziden mit katalytischen MetallKomplexen relativ langsam aber stetig über einen längeren Zeitraum verläuft, weisen die eingesetzten Enzyme ein wesentlich größeres Zersetzungspotenzial bei gleichzeitig schneller verlaufenden Denaturierung auf.
An mit dem Katalysatorsystem beschichteten Polyethylenfilterbeads
23
Einsatz sich
selbstreinigender
nanostrukturierter Oberflächen
und Integration
katalytisch
aktiver Nanopartikel
Entwicklung langzeitaktiver und
selektiver
Dekontaminationstechnologien
Selbstreinigendes
katalytisches
Polymerfiltersystem
24
konnte bei Tests z. B. gezeigt werden, dass Trinkwasser bei kontinuierlichen Durchflussbedingungen in 114 Sekunden zu mehr als 99 % von
Pestiziden befreit werden konnte (bei einem 100 μM-Pestizideintrag und
über einen Zeitraum von 60 Tagen).
Abb. 5:
Selbstreinigendes Filtersystem auf der Basis chemischer und enzymatischer
Katalyse (Quelle: Naval Research Laboratory)
•
An der Kansas State University sind in der Arbeitsgruppe um Prof.
K. J. Klabunde unterschiedliche Dekontaminationstechnologien auf
Nanopartikelbasis entwickelt worden. Durch den Einsatz ultrafeiner
Magnesiumoxidpulver können z. B. über die Luft übertragene Bakteriensporen wie Anthrax schon bei Raumtemperatur abgetötet werden.
Inzwischen wird über die Firma Nanoscale Materials Inc. auch ein
chemisches Reinigungssystem (www.fast-act.com) vertrieben, das
aus einem Gemisch aus Magnesiumoxid- und photokatalytisch aktiven Titandioxidnanopartikeln besteht und wirksam chemische Toxine
wie VX-Nervengas zersetzen kann. Dabei haben Tests auf verschiedenen Oberflächen am Battelle Memorial Institute in Columbus gezeigt, das die durch FAST-ACT katalysierte Zersetzung des VXToxins schon nach 10 Minuten zu 99,9 % abgeschlossen ist.
•
Am Argonne National Laboratory ist ein Sicherheitssystem auf der
Basis eines superabsorbierenden Gels entwickelt worden, mit dem
sich z. B. im Falle eines nuklearen Anschlages radioaktive Rückstände aus porösen Oberflächenstrukturen von Gebäuden oder Denkmälern neutralisieren und entfernen lassen. Im Ernstfall wird im ersten
Schritt des dreistufigen Dekontaminationsverfahrens das PolymerGel als wässrige Suspension über eine Sprühvorrichtung auf die kontaminierten Oberflächen aufgetragen. Im zweiten Schritt dringt der
Schaum in die poröse Oberflächenstruktur ein und die radioaktiven
Partikel werden in der polymeren Gerüststruktur absorbiert und durch
maßgeschneiderte, in dem Gel enthaltene Nanopartikel gebunden.
Abschließend wird das kontaminierte Gel durch eine Vakuumvorrichtung entfernt und recycelt, so dass letztendlich nur ein geringer Pro-
Chemisches
Dekontaminationssystem auf
Nanopartikelbasis
Superabsorbierendes Gel zur
Neutralisation
radioaktiver
Rückstände aus
porösen Oberflächenstrukturen
25
zentsatz des Dekontaminationsmaterialsystems als radioaktiver
Abfall entsorgt werden muss. Über Wirksamkeitsstudien mit verschiedenen radioaktiven Elementen an Gebäudestrukturen aus
Zement und Stein konnte belegt werden, dass durch das superabsorbierende Polymer-Gel über 98 % der radioaktiven Elemente
aus den Zementkomponenten und über 80 % von der gesamten
Gebäudeoberfläche entfernt werden konnten. Weitere Forschungsanstrengungen konzentrieren sich derzeit unter anderem
auf die Verbesserung des superabsorbierenden Effektes (z. B.
Veränderung der Polymerzusammensetzung oder der Nanopartikeleigenschaften und auf die Optimierung der technischen Parameter der Sprühvorrichtung sowie der beim Waschvorgang involvierten Vakuumtechnologie).
• Forscher von der Universität Erlangen-Nürnberg haben einen
Halbleiter-Photokatalysator auf Titandioxid-Basis entwickelt, der
einen breiteren Anteil des Sonnenlichts nutzen kann und damit effizienter arbeitet als bisherige Photokatalysatoren. Bei der Halbleiter-Photokatalyse werden durch die absorbierte Lichtenergie an
der Oberfläche der Titandioxid-Kristalle Elektronen freigesetzt
und es entstehen positiv geladene "Löcher", d. h. Stellen, an denen ein Elektron fehlt und die als positive Ladungsträger betrachtet werden können. Die freien elektrischen Ladungen besitzen die
Fähigkeit Sauerstoffradikale - so genannter „aktivierter Sauerstoff“ - zu bilden, die in der Lage sind, organische Moleküle, aber
auch Bakterien und Schimmelpilze abzubauen. TitandioxidPartikel können jedoch normalerweise nur den UV-Anteil des
Lichts nutzen, der bei Sonnenlicht bei zwei bis drei Prozent liegt
und bei künstlichem Licht in Innenräumen noch geringer ausfällt.
Um das Titandioxid auch für den weitaus größeren, sichtbaren
Lichtanteil zu sensibilisieren wurde in der Arbeitsgruppe von
Prof. Kisch das photokatalytische Material zuerst mit Stickstoff
und dann mit Kohlenstoffatomen dotiert. Dabei wurde eine optimale katalytische Wirkung bei einer 2-3 prozentigen Kohlenstoffdotierung des Titandioxid-Kristallgitters erreicht. Studien
haben gezeigt, dass die Kohlenstoff-dotierten Katalysatoren unter
künstlichem sichtbarem Licht beispielsweise Chlorphenol fünfmal effektiver abbauen als die entsprechenden Stickstoff-dotierten
Präparate. Die von den Forschern entwickelte neue Herstellungsmethode für Kohlenstoff-dotierte Titandioxide ist einfach, ausgezeichnet reproduzierbar und breiter anwendbar als das klassische
Titandioxid-Herstellungsverfahren der Oxidation von Titanblech
in einer Naturgasflamme. Gegenüber der herkömmlichen Titandioxidstruktur weist die modifizierte Kristallstruktur ein verändertes Eigenschaftsspektrum auf und ermöglicht so die Herstellung
neuer Photokatalysatoren mit einem höheren Abbaupotenzial
chemischer Toxine. Beschichtungen mit dem neuen Photokataly-
HalbleiterPhotokatalysator
auf TitandioxidBasis, der einen
breiteren Anteil
des Sonnenlichts
nutzen kann
26
sator sind schon im diffusen Tageslicht von Innenräumen in der
Lage, gelöste Schadstoffe wie Chlorphenol und Azofarbstoffe
sowie gasförmige Schadstoffe wie Acetaldehyd, Benzol und Kohlenmonoxid problemlos vollständig abzubauen.
Mechanische Schutzbeschichtungen oder konstruktionsverstärkende
Materialsysteme
Langfristiges Ziel
ist die Einbettung
sicherheitsrelevanter Funktionen
wie mechanischen
Schutz, Sensorik
und Reaktionsmaßnahmen in
aktiven Systemen
CNT-Dämpfungselement und
Nanokompositbeschichtung
Mechanische Schutzbeschichtungen bzw. konstruktionsverstärkende Materialsysteme stellen einen wichtigen sicherheitstechnischen Innovationsfaktor dar und sind als „passives“ Strukturlement wichtiger Bestandteil
einer sicherheitstechnischen Funktionalisierung infrastruktureller Oberflächen oder Konstruktionen. Langfristiges Ziel ist es, auf der Basis passiver Schutzsysteme und intelligenter Materialien sicherheitsrelevante
Funktionen wie mechanischen Schutz, Sensorik und Reaktionsmaßnahmen in aktive Systeme einbetten zu können. Bereits entwickelte nanotechnologische Verfahren und Materialien z. B. aus der Oberflächentechnologie bilden hier eine geeignete technologische Grundlage, um sowohl
dem material- als auch integrationsspezifischen Anforderungen dieses
sicherheitstechnischen Anwendungsprofils gerecht zu werden. Beispielhafte technologische Entwicklungen sind unter anderem superharte Nanocoatings (z. B. auf Bornitrid- oder Diamantbasis), polymere Nanokomposite, kohlenstoffbasierte Nanomaterialien (z. B. Aerogele) oder
nanokristalline Legierungen. Bei der Modifizierung dieser Oberflächentechnologien für sicherheitstechnische Applikationen sind - bezogen auf
den Einsatzort und dem Schutzgrad kritischer Infrastrukturen - spezifische sicherheitstechnische Anforderungen einzubeziehen. Dabei sind
sowohl erhöhte physikalische bzw. statische Funktionsanforderungen
(z. B. bei der Stoß- und Schlagfestigkeit, der Abriebfestigkeit, der Korrosionsbeständigkeit oder dem Dehnungs- und Schwingungsverhalten) zu
berücksichtigen als auch veränderte weichere Faktoren wie Verarbeitungs- und Integrationsfähigkeit oder Handhabungs- und Umweltfreundlichkeit. Neben der Entwicklung neuer passiver Schutzsysteme stellt sich
darüber hinaus auch die Frage, in welchem Umfang durch den Einsatz
von Nanomaterialien etablierte sicherheitstechnische Produkte, wie z. B.
Sicherheitsgläser oder Panzerungsmaterialien, mit zusätzlichen selbstheilenden Materialfunktionen modifiziert werden können. Gleiches gilt für
das mögliche Substitutionspotenzial auf nanotechnologischer Basis hergestellter metallischer oder keramischer Leichtbauwerkstoffe (z. B. Metallschäume) für sicherheitstechnisch relevante Konstruktionsmaterialien
wie z. B. Stahl.
Ein Beispiel für das enorme Zukunftspotenzial nanoskaliger Werkstoffe
in sicherheitstechnischen Anwendungen stellen die außergewöhnlichen
Materialeigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren bzw. CNTs (CNT =
Carbon NanoTube) dar. Das gilt sowohl für den Einsatz einzelner CNTNanopartikel zur Verstärkung keramischer oder polymerer Komposite als
auch für den selbstorganisierten Aufbau von CNT-Konstruktionselementen. Stellvertretend für die Vielzahl bestehender Ansätze sind im
folgenden zwei Material- bzw. Verfahrensentwicklungen unter Mitwir-
kung des Rensselaer Polytechnic Institute dargestellt, die in direkter Beziehung zu möglichen sicherheitstechnischen Anwendungen von Beschichtungen und Werkstoffen auf CNT-Basis stehen.
Zusammen mit dem Rensselaer Polytechnic Institute hat die University
of Hawai eine Technologie entwickelt, mit der sich auf der Basis eines
CVD-Verfahrens1 ca. 1 Millimeter dünne Dämpfungsschichten aus Tausenden senkrecht nebeneinander angeordneten mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren bzw. MWCNTs (MWCNT = Multi-Walled Carbon
NanoTube) herstellen lassen. Die etwa 20 Nanometer dicken Röhrchen
nahmen dabei etwa 13 Prozent des Raumes zwischen den glatten Flächen
ein, zwischen denen sie aus einer heißen Kohlenstoff-Atmosphäre gezüchtet wurden. Bei Pressversuchen mit Drücken von 15 Megapascal
konnten die Forscher belegen, dass sich die Nanoröhren innerhalb der
Dämpfungsschicht in einem Zick-Zack-Muster eng zusammenfalten ohne
dabei zerstört zu werden (Abb. 6). Erst nach mehreren Tausend Pressversuchen erreichen sie nicht mehr ihre ursprüngliche Ausdehnung, sondern
entspannen sich auf eine etwa um 7,5 Prozent reduzierte Länge. Das
Dämpfungsmaterial weist damit eine Kompressibilität und Druckfestigkeit auf, die die von Schäumen aus Kunststoffmaterialien wie Latex oder
Polyurethan um ein Vielfaches (15 MPa gegnüber 30 kPa) übersteigt.
Zudem konnte in den Versuchen ebenfalls gezeigt werden, dass die
Dämpfungsschicht eine mit Metallschäumen vergleichbare große Widerstandsfähigkeit gegenüber Chemikalien und anderen äußeren Einflüssen
aufweist. Diese einzigartige Kombination soll in der Zukunft die Entwicklung sehr leichter und gleichzeitig stabiler Schichten erlauben, die
auch in sicherheitstechnischen Anwendungen wie z. B. erdbeben- oder
explosionssicheren Gebäudekonstruktionen oder zum Schutz empfindlicher Elektronik eingesetzt werden können. Bisher existieren nur einzelne
Labormuster in der Größenordnung zwischen einem halben und zwei
Quadratzentimeter, jedoch ist prinzipiell die Herstellung größerer Fließstoffflächen denkbar. Durch ihr verhältnismäßig einfaches Herstellungsverfahren könnten die nanoskaligen Dämpfungselemente deshalb zu einer Alternative für teure Metallschäume werden.
Abb. 6: Unter einem Druck von 15 Megapascal stehendes, gefaltetes MWCNT Dämpfungselement (Quelle: Cao/Rensselaer Polytechnic Institute)
1
CVD-Verfahren (Chemical Vapor Deposition): Beschichtung durch chem. Reaktion
eines metallhaltigen Gases auf Werkstückoberfläche. Es werden plasmaaktivierte
(PECVD: Plasma Enhanced CVD) und thermisch aktivierte Verfahren unterschieden.
27
28
Ebenfalls am Rensselaer Polytechnic Institute ist eine neue nanotechnologische Methode entwickelt worden, auf der Basis mehrwandiger Kohlenstoffnanoröhren gezielt die mechanischen Eigenschaften polymerer
Kompositoberflächen zu verbessern, um so antistatische und verschleißfeste Beschichtungen zu ermöglichen. Dazu wurden auf einem Quarzsubstrat per CVD-Verfahren eine ausgerichtete MWCNT-Matrix abgeschieden (Länge der Nanoröhren ca. 30 μm), die anschließend (siehe Abb. 7)
in eine überschüssige Monomerlösung aus Polymethylmethacrylat
(PMMA) bzw. Polydimethylsiloxan (PDMS) getaucht werden. Nach dem
Polymerisationsschritt erhält man Nanokompositschichtproben ohne
Fehlstellen und Brüche, die sich gegenüber dem reinen polymeren Material durch eine wesentlich gößere Oberflächensteifigkeit (bei PDMS eine
Steigerung um den Faktor 140 %) auszeichnen.
Abb. 7:
Verfahren zur gezielten Herstellung polymerer Nanokompositschichten mit
MWNTs (Quelle: Raravikar/Rensselaer Polytechnic Institute)
•
Thermal-SprayVerfahren für
hochtemperaturstabile und korrosionsbeständige
Nanokompositbeschichtungen
Das Labor für Pulvertechnologie am EPFL in Lausanne hat zusammen mit Industriepartnern auf der Basis eines HochdruckHochgeschwindigkeitsflammspritzverfahrens (HT-HVOF = High Velocity Oxy-Fuel Flame Spraying) eine neue Methode für Nanokompositbeschichtungen entwickelt. Dazu werden z. B. hochtemperaturstabile Polymerpulver aus Polyetheretherketon (PEEK) oder
Polyphenylensulfid (PPS) zusammen mit nanokristallinem Aluminiumoxid in mehreren Schritten zu einer homogenen Mischung vermahlen und über das Spritzverfahren auf polymere Oberflächen aufgetragen. Auf diese Weise können sehr dünne und glatte
Nanokompositschichten erzeugt werden, die hochtemperaturstabil
und korrosionsbeständig sind und gleichzeitig eine hohe Abrasionsfestigkeit besitzen. Das angewandte modifizierte Thermal-SprayVerfahren wird inzwischen auch auf der Basis keramischer Material-
29
systeme oder Carbide für die ultradünne korrosionsbeständige Beschichtung metallischer Bauteile (wie z. B. Turbinen- oder Rotorblätter) untersucht.
Abb. 8: Lichtmikroskopische Aufnahme eines metallographischen Querschnitts
durch eine über HT-HVOF erzeugte Wolframcarbidschicht (Quelle: Fi
scher 2001)
•
Am Weizman Institute of Science ist eine neue Klasse anorganischer
fullerenartiger Nanopartikel auf der Basis von WS2, MoS2, TiS2 oder
NbS2 entwickelt worden, die aufgrund ihrer geschlossenen käfigartigen Struktur eine besonders hohe mechanische Stabilität und Stoßfestigkeit besitzen. Das Nanomaterial ist im Vergleich zu den organischen Fullerenen einfacher und preisgünstiger herzustellen und weist
eine höhere chemische Stabilität auf. In Studien widerstanden Materialproben auf WS2-Basis Schockwellendrücken von 300t/cm² und
wiesen damit eine doppelt so große Festigkeit auf als die derzeit stoßfestesten Materialien SiC und BC sowie einen fünfmal höheren Stoßfestigkeitswert als Stahl. Durch die Kombination der Fullerenpartikel
mit Polymeren, Metallen oder Legierungen lassen sich superharte oder elastische Beschichtungen mit hoher Abrieb- und Stoßfestigkeit
herstellen, die insbesondere für den Einsatz in Armierungen und sicherheitstechnischen Beschichtungen für den Schutz vor Explosionen
oder Schusswaffen geeignet sind. Die anorganischen Fullerene werden als Nanopulver von der israelischen Firma ApNano materials bereits unter dem Produktnamen NanoLubTM auf dem Markt angeboten
und derzeit insbesondere als Antireibungsmittel für Schmierstoffe
eingesetzt.
Abb. 9:
Quer- und Längsschnittbild eines anorganischen fullerenartigen Nanopartikels mit Zwiebelschalen-Strukturmuster (Quelle: Tenne/Weizman Institute
of Science)
Entwicklung einer
neuen Klasse
anorganischer
fullerenartiger
Nanopartikel auf
der Basis von
WS2, MoS2, TiS2
oder NbS2, mit
besonders hoher
mechanischer
Stabilität und
Stoßfestigkeit
30
krit. Infrastrukturen
technische Anlagen
Nanotechnologie
Nanosec
Sicherheitstechnologisches Anforderungsprofil
Technologischer
Bedarf:
- selektive und
integrationsfähige
CBRNE-Sensoren
- autonome Stand-OffDetektorplattformen
- unbemannte Trägersysteme
- drahtlose Datenübertragungsschnittstellen
- selbstreinigende
Filtersysteme
- intelligente Dekontaminationssysteme
- passive Schutzsysteme
Technologische
Schlüsselanforderungen:
- Standoff-DetektorReichweite (> 10 km)
- Signal-RauschVerhältnis (< 10:1)
- LIDAR-Detektor-Genauigkeit ( ± 10 cm)
- Probenahmezeit
(< 1 min)
- Fehlalarmraten
(< 0,1 % )
- CB-Dekontaminationseffektivität
( > 99,9 % pro Std.)
- Schlagfestigkeit
(> 1000 kJ/m²)
- chemische Resistenz
Nanosec-Innovationsziele:
- chemische oder
biologische Sensorchips bzw. -arrays für
Echtzeit-CBRNEDetektion auf
molekularem Niveau
- ultraschnelle und
punktgenaue LIDARSysteme mit höherer
Reichweite
- dünne und superharte Beschichtungen mit hoher
Schlag- und Korrosionsbeständigkeit
- Dekontaminationssysteme mit breiterem Zielspektrum
und höherem
Zersetzungspotenzial
- selbstreinigende und
leistungsfähigere
Filtersysteme mit
hohem Durchsatzvolumen
Nanosec-Profil kritische Infrastrukturen/technische Anlagen
Nanotechnologischer
Beitrag
- nanopartikel- bzw.
nanokristallbasierte
Sensoren
- nanostrukturierte
Metall/PolymerKomposite
- durchstimmbare
nanophotonische
oder polymeroptische
Laserquellen
- photokatalytisch
aktive Nanopartikel
oder chemo-biokatalytische
Nanocoatings
- nanostrukturierte
Konstruktionselemente
- nanopartikel- bzw.
nanofaserverstärkte
Kompositmaterialien
3.2
31
Umwelt
Die Behandlung des Umweltsektors als eigenständiges sicherheitstechnisches Anwendungsfeld begründet sich vorrangig durch die Überschneidungsfläche umwelttechnischer Applikationsforschung und Technologieentwicklungen mit dem Einsatzspektrum und der Zieldefinition
sicherheitstechnischer Produkte und Anwendungen. Im Zuge der internationalen Formulierung umwelt- bzw. klimapolitischer Ziele, z. B. im
Rahmen des Kyoto-Protokolls, sind in den letzten Jahren zahlreiche
technologische Entwicklungen angestoßen worden, die in direkter oder
modifizierter Form sicherheitstechnische Anforderungsprofile erfüllen
oder explizit beinhalten. Hier sind insbesondere neuartige UmweltMonitoring-Technologien und Analysesysteme (z. B. Sensor-Arrays zur
Detektion gasförmiger Gemische), die Entwicklung leistungsfähiger Filter- und Desinfektionstechnologien für die Reinhaltung von Luft und
Wasser sowie Fortschritte im Bereich der Entsorgungs- und Bodensanierungs- bzw. Remedeationstechnologien zu nennen. Auf europäischem
Niveau fördern zahlreiche neue Grenzwertfestlegungen z. B. im Rahmen
der Feinstaubpartikelrichtlinie oder der Novellierung des Chemikalienrechts die kontinuierliche Entwicklung verbesserter Umwelttechnologien,
die in der Lage sind, Umweltschadstoffe im ppb- oder ppt-Bereich zu
detektieren oder unschädlich zu machen. Hieraus ergeben sich zwangsläufig technologische Anforderungen, die bezüglich der Komplexität des
Analyseumfeldes sowie der notwendigen Detektor-Ansprechzeiten mit
sicherheitstechnischen Szenarien identisch oder vergleichbar sind. Die
Entwicklung aktiver Membran- und Filtertechnologien, automatischer
in situ-Umweltsensoren sowie optischer Technologien zur Bestimmung
ultrafeiner Partikel in Aerosolen sind Beispiele wichtiger F&E-Linien in
der Umwelttechnik, die auch für die zeitnahe Detektion und Bekämpfung
chemischer und biologischer Toxine wesentliche technologische Konzepte oder Beiträge beisteuern können. Darüber hinaus stellt das Anwendungsfeld Umwelt ein umsatzstarkes Markteintrittsfenster für sicherheitstechnisch relevante Produkte und Technologien dar, dessen Bedeutung
sich z. B. im Hinblick auf den sich in den Schwellenländern China und
Indien abzeichnenden steigenden Bedarf nach nachhaltigen Umwelttechnologien (Stichwort: „Clean Technologies“) in Zukunft noch vergrößern
wird. Umgekehrt eröffnen sich durch die Adaption sicherheitstechnischer
Konzepte und Technologien neue anwendungs- und markttechnische
Optionen für den Umweltsektor.
Der Fokus nanotechnologischer Beiträge in der Schnittmenge umweltund sicherheitstechnischer Anwendungsentwicklungen wird aus zwei
thematisch unterschiedlichen Richtungen gespeist. Zum einen sind in den
letzten Jahren mit der zunehmenden Bedeutung nanotechnologischer
Verfahren und Produkte immer stärker Themenstellungen in den Vordergrund gerückt, die sich mit dem Risikopotenzial natürlicher und synthetischer Nanopartikel auseinandersetzen. Forschungsprojekte wie das EUfinanzierte NanoSafe-Projekt befassen sich dabei nicht nur mit der Gefährdungsabschätzung einer zunehmenden Nanopartikelexposition für
Mensch, Umwelt und Industrie sondern auch mit der Entwicklung technologischer Lösungen zu einer verbesserten Detektion und Kontrolle von
Überschneidungsfläche umwelttechnischer
Applikationsforschung mit
dem Einsatzspektrum sicherheitstechnischer
Produkte und
Anwendungen
UmweltMonitoringTechnologien
Filter- und
Desinfektionstechnologien
Remedeationstechnologien
Nanotechnologische Beiträge
in der Schnittmenge umweltund sicherheitstechnischer
Anwendungsentwicklungen
NanoSafe-Projekt
32
Lab-on-ChipTechnologie
Nanoporöse
Membranen
Anti-Foulingbeschichtungen
Nanopartikeln von der industriellen Herstellung bis zur Freisetzung in die
Umwelt. Die Untersuchung toxikologischer Zusammenhänge und die
Verfolgung und Identifikation von Nanopartikeln im menschlichen Organismus oder in Produktionsprozessen erfordert dabei die Entwicklung
einer verbesserten onlinetauglichen Mess- und Analysetechnik mit einer
Auflösung bzw. Empfindlichkeit im nanoskaligen Bereich. Dabei wird
insbesondere bei der Verwirklichung schnellerer und empfindlicherer
Spektroskopiemethoden (Stichwort: Raman- oder FT-IR-AerosolLIDAR) dem Einsatz neuer nanooptischer Materialien bzw. nanostrukturierter Optiken eine entscheidende Entwicklungsrolle zufallen. Neben
dieser eher indirekten Befruchtung einer innovativen Umweltanalytik,
durch die Suche nach geeigneten Monitoringtechnologien zur Verfolgung
von Nanopartikel-Expositionswegen, profitiert die Entwicklung moderner Umwelttechnik auch in direkter Form von der Integration nanotechnologischer Materialien und Komponenten. Wichtige Beiträge liegen im
Bereich der Realisierung multianalytischer Sensorsysteme z. B. auf der
Basis der Lab-on-Chip-Technologie, beim Einsatz nanoporöser Materialien zur Reinigung von partikel- oder schadstoffbelasteter Luft oder
Trinkwasserressourcen sowie bei der Entwicklung von umweltschonenden Anti-Foulingbeschichtungen. Unter Einbeziehung der sicherheitstechnischen Relevanz und Adaptierbarkeit umwelttechnischer Anwendungen fokussiert sich die Auswahl der Anwendungs- und
Technologiebeispiele auf zwei technologische Schwerpunkte:
1. Umwelt-Monitoringsysteme/Umweltsensoren und Ultrafeinpartikelmesstechnik
z. B. Analysesysteme bzw. Sensor-Arrays zur Multikomponentenbestimmung (eNose, eTongue, CNT-basierte Gassensoren)
2. Reinigungs- und Aufbereitungstechnologien
z. B. Membrantechnologie (auf der Basis nanoporöser Materialien)
und Remediationsverfahren (auf der Basis katalytischer Nanopartikel)
Umwelt-Monitoringsysteme/Umweltsensoren und Ultrafeinpartikelmesstechnik
Einsatz autonomer oder integrierter Monitoringsysteme zum
Schutz der
Umwelt vor toxischen Kontaminaten, pathogenen
Substanzen oder
Feinpartikeln
Der Einsatz autonomer oder integrierter Monitoringsysteme zum Schutz
der Umwelt vor toxischen Kontaminaten, pathogenen Substanzen oder
Feinpartikeln ist durch die weiter zunehmende Verbreitung und Einbringung chemischer und biologischer Substanzen in Luft, Wasser und Boden mit neuen technologischen Herausforderungen verbunden. Für die
Detektion umweltschädlicher Verbindungen sind unter Berücksichtigung
der diversifizierten Entwicklung chemischer wie biologischer Sensorplattformen zwei Schadstoffklassen maßgebend. Zum einen Luftschadstoffe, wie z. B. SO2 oder flüchtige organische Verbindungen, die vorwiegend aus Industrie- und Fahrzeugemissionen stammen, und zum
anderen Boden- und Wasserschadstoffe, wie z. B. Schwermetalle, Pestizide, mikrobiologische Organismen oder radioaktive Substanzen, die in
Abwässern, industriellen Abfällen oder über landwirtschaftliche Nutzung
freigesetzt worden sind. Dabei wird der Bedarf nach fehlerfreien, preiswerten Langzeit-Monitoringsystemen zur Regulierung und Kontrolle des
Ausstoßes von Schadstoffen nicht nur von umweltpolitischen Zielvorgaben bestimmt, sondern auch zunehmend aus Aufgabenstellungen gespeist, die der öffentlichen Sicherheit zugeordnet werden können und vor
allem Fragen der Trinkwasser- und Lebensmittelsicherheit sowie die Sicherheit industrieller Anlagen und Prozesse betreffen. Die Entwicklung
von vernetzbaren Vorort- oder In-Situ-Umweltsensoren bildet deshalb
auch die Grundlage für die zukünftige Realisierung effektiver Frühwarnsysteme, die mit ihrer zeitnahen Bereitstellung quantitativer und qualitativer Informationen zu Art, Verteilung und Konzentration unterschiedlicher Kontaminate die Zeitspanne festlegen, die für die Einleitung von
Schutz- und Reaktionsmaßnahmen zur Verfügung steht. Mit der sich
stetig vergrößernden Anzahl neuer Chemikalien und Produkte müssen
zukünftige Umwelt-Monitoringsysteme nicht nur einen hohen Vernetzungsgrad aufweisen, sondern vor allem online mit hoher Genauigkeit
Multikomponentengemische in unterschiedlichen Medien (wie z. B. in
Aerosolen) und unter schwierigen Mess- und Analysebedingungen analysieren können. Als mögliche technologische Plattform kommen hierfür
unter anderem mikroanalytische Sensorsysteme (Stichwort: μTAS) wie
z. B. die elektronische Nase in Betracht, bei der ein elektro-chemisches
Sensor-Array - aufgebaut aus Einzelsensoren mit überlappender Spezifität - mit einem geeigneten elektronischen Muster-Erkennungs- bzw.
Auswertungssystem verbunden ist. Grundsätzlich eignen sich elektrochemische Sensoren aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit, der vergleichsweise einfachen Konstruktion und der niedrigen Herstellungskosten am besten für den Einsatz in Monitoringsystemen. Das gilt
insbesondere dann, wenn Langlebigkeit und Robustheit des Gesamtsystems als prioritäre Kriterien im Vordergrund stehen. Jedoch haben Labon-Chip-Systeme bzw. die Biosensortechnologie in den letzten Jahren
durch die Fortschritte in der Mikrosystemtechnik bzw. der Nanobiotechnologie an Bedeutung gewonnen. Biosensoren, in denen biologische Rezeptoren wie Antikörper, Oligonukleotide, Peptide oder Enzyme zum
Einsatz kommen, zeichnen sich unter Laborbedingungen durch eine hohe
Selektivität gegenüber spezifischen Analytmolekülen aus und eignen
sich, wenn sie zu Arrays kombiniert werden, auch für komplexe Mehrkomponentenanalysen von chemischen oder biologischen Toxinen. Um
die Biosensortechnologie oder Lab-on-Chip-Systeme in sicherheitstechnischen In-Situ-Anwendungen z. B. bei der Trinkwasserkontrolle in sicherheitskritischen Gebäudekomplexen einsetzen zu können, richtet sich
das Hauptaugenmerk internationaler Forschungsbemühungen sowohl auf
die Verbesserung und Integration biosensorischer Schichten als auch auf
die Heranführung der Sensorprototypen an umweltnahe Probenahme-,
Aufbereitungs- und Messbedingungen.
Neben Forschungsbeiträgen aus der Materialtechnik, wie z. B. der Entwicklung leitfähiger Polymere oder Festkörper-Ionenleiter, werden weitere Fortschritte in der Sensortechnologie insbesondere durch den verstärkten Einsatz von Nanomaterialien (Nanopartikel, -röhren, -drähte)
und Nanostrukturierungsverfahren (Stichwort: Nanokantilevertechnologie) erwartet. Hauptziel hierbei ist die Optimierung der Material- und
33
Bedarf nach
fehlerfreien,
preiswerten
LangzeitMonitoringsystemen
Entwicklung von
vernetzbaren
Vorort- oder InSitu-Umweltsensoren
Elektronische
Nase
Biosensortechnologie
Fortschritte in
der Sensortechnologie werden
insbesondere
durch den verstärkten Einsatz
von Nanomaterialien und Nanostrukturierungsverfahren
erwartet
34
Vision ist die
Entwicklung von
so genannten
„Detect-toRespond“Systemen
Weiterentwicklung
von LIDARFernerkundungssystemen und
Partikelzählern
notwendig
Elektronische
Nase
Nanomechanische
Kantilevertechnologie
Messparameter von Chemo- und Biosensoren, wie z. B. Selektivität und
Sensitivität, Reversibilität und Reproduzierbarkeit der Messeffekte sowie
Ansprechverhalten und Langzeitstabilität. Darüber hinaus werden durch
die fortschreitende Miniaturisierung und mikrosystemtechnische Integration der zentralen Sensorschichten mit den peripheren Probenahme- oder
Detektorkomponenten wesentliche Grundlagen für die Einbeziehung
sicherheitstechnischer Anforderungsprofile geschaffen, die über eine
mögliche Frühwarnfunktion zukünftiger Umwelt-Monitoringsysteme
hinausreichen. Eine vorstellbare Vision ist die Entwicklung von so genannten „Detect-to-Respond“-Systemen, die nicht nur dazu imstande
sind, die Umgebung kontinuierlich auf schädliche, chemische Toxine
oder Mikroorganismen zu screenen sondern auch, z. B. durch Verbindung sensorischer und aktorischer Komponenten, entsprechende Reaktions- oder Abwehrmaßnahmen einleiten können. Neben der Realisierung
eines leistungsfähigen Vorort-Sensornetzwerkes ist für eine zeitnahe und
intelligente Identifikation und Klassifizierung von Toxinen aber auch die
Weiterentwicklung von LIDAR-Fernerkundungssystemen und Partikelzählern notwendig, um z. B. in Aerosolwolken oder Wasserleitungen
schon im Vorfeld mit hoher Genauigkeit harmlose Mikroorganismen von
schädlichen Toxinen unterscheiden zu können.
Ein Anwendungsbeispiel für die Integration nanotechnologischen Knowhows bei der Entwicklung chemischer Sensor-Arrays ist die am National
Competence Center for Research (NCCR) in Basel in Kooperation mit
dem IBM Zurich Research Laboratory in Rüschlikon zur Produktreife
geführte Entwicklung einer elektronischen Nase zur Analyse und Charakterisierung gasförmiger Komponenten und Gemische auf der Basis
der nanomechanischen Kantilevertechnologie. Kernstück der Sensoranordnung sind modulare, siliziumtechnologisch hergestellte SensorArrays, an der jeweils acht Silzium-Kantilever unterschiedlicher Länge
und mit jeweils unterschiedlichen sensoraktiven Polymerschichtüberzügen integriert sind. Je nach Eintrag von gasförmigen Analysemolekülen
kommt es zu einer selektiven Absorption des Analytes in der KantileverOberfläche, was zu einem Anschwellen der Polymerschicht und zur Verbiegung des sprungbrettartigen Kantilevers führt. Das aus der Wechselwirkung zwischen Gasmolekülen und Polymerschicht resultierende Biegemuster ist für jedes Analyt charakteristisch, so dass die Aufnahme des
Analysesignals über die unterschiedliche Auslenkung aller Kantilever an
definierten Zeitpunkten bestimmt werden kann. Die aufgenommenen
Daten werden über gängige Rechnerkomponenten evaluiert und das System speichert in einem „Selbstlernprozess“ über neuronale Netzwerke die
erhaltenen charakteristischen Muster. Auf diese Weise können in kompakter miniaturisierter Form komplexe Schadstoff- bzw. Gasgemische
analysiert und quantitativ bestimmt werden. Die Vermarktung und weitere Applikationsforschung der Nanokantilever-Technologie z. B. im Hinblick auf sicherheitstechnischen Anwendungen im Bereich der Detektion
chemischer Kampfstoffe oder Sprengstoffe erfolgt in der im Jahr 2000
gegründeten Firma Concentris in Basel.
35
Abb. 10: Elektronische Nase auf der Basis der Nanokantilever-Technologie (Quelle:
Lang 2005)
•
Am Georgia Institute of Technology ist auf der Basis der besonderen
elektrostatischen und mechanischen Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren eine „Nanowaage“ entwickelt worden, mit der prinzipiell
einzelne Biomoleküle oder Nanopartikel gewogen bzw. selektiv bestimmt werden können. Dazu wurde am Ende einer Nanoröhre ein
Partikel befestigt und durch Anlegen einer Spannung elektrostatisch
aufgeladen. Ähnlich wie eine starke und flexible Feder beginnt die
Nanoröhre mit einer bestimmten, von der Masse des anhaftenden Partikels und den physikalischen Eigenschaften des CNT (Länge,
Durchmesser, Elastizität) abhängigen Resonanzfrequenz zu schwingen. Aus den Unterschieden der Eigenschwingungsfrequenzen der
CNTs mit und ohne Partikel bzw. organischem Molekül lässt sich
dann exakt die Masse des Analytes bestimmen. Auf diese Weise waren die Forscher im Labormaßstab in der Lage, Graphitpartikel mit
einer Masse von 22 Femtogramm zu wiegen. Die Anhaftung der zu
messenden Nanopartikel oder Moleküle kann sowohl durch Kondensation als auch durch Auftragung einer Partikelsuspension erfolgen.
Abb. 11:
Änderung der Eigenfrequenz einer Kohlenstoffnanoröhre durch
ein anhaftendes Graphitpartikel (Quelle: Georgia Institute of
Technology)
„Nanowaage“ zur
selektiven Bestimmung
einzelner Biomoleküle oder
Nanopartikel
36
•
Im Rahmen des EU-IST-Projektes INTAIRNET ist unter der Beteiligung der TU Clausthal eine neue Halbleiter-Gassensortechnologie
auf der Basis von Metalloxid-Nanopartikeln (SnO2, In2O3 und WO3)
entwickelt worden, die ein Beispiel einer ersten Entwicklungsstufe
auf dem Weg zu kosteneffektiveren mobilen Mikrostationen für die
Realisierung flächendeckender Luftqualitätsmessungen darstellt. Da
die eingesetzten Metalloxid-Nanopartikel gegenüber den wichtigsten
Luftschadstoffen (CO, NO, NO2, O3) bzw. der Luftfeuchtigkeit abweichende Empfindlichkeiten bzw. Kreuzempfindlichkeiten aufweisen, wurde ein besonderes Augenmerk auf die Entwicklung verfahrenstechnischer Werkzeuge zur Modifizierung und Integration der
sensorischen Nanopartikel gelegt. Dem Konsortium gelang es durch
sinnvolle Kombination der Nanopartikeleigenschaften und einem entsprechenden Design der Größe und Oberflächenchemie der Partikel
eine sensorische Schicht herzustellen, die eine hohe Sensitivität mit
einer hohen Selektivität bei der Gasanalyse verbindet. Die Fertigung
der Halbleiter-Gassensoren erfolgte dabei über einen einfachen Siebdruckprozess. Mit dem Sensorsystem durchgeführte Studien belegen,
dass die so hergestellten Nanopartikel-Sensoren einen 3-5 mal niedrigeren Detektionsgrenzwert für NO, NO2, O3 aufwiesen als kommerziell erhältliche Sensoren. Die niedrigste detektierbare Konzentration
für CO konnte ohne Selektivitätsverlust von 5 auf 3 ppm reduziert
werden. Im Gegensatz zu kommerziellen halbleiterbasierten bzw. elektrochemischen Sensoren erfüllt die Sensortechnologie damit wesentliche Kriterien für die Realisierung mikroskaliger mobiler Luftqualitätsmessplattformen. Weitere Forschungsanstrengungen gelten
deshalb unter anderem der Implementierung und kontinuierlichen
Weiterentwicklung eines flächendeckenden Sensornetzwerkes.
•
An der Pennsylvania State University ist ein drahtloses Sensornetzwerk entwickelt worden, das als In-Situ-Monitoringsystem für die
Detektion atmosphärischen Wasserstoffs eingesetzt werden soll. Das
Wasserstoff-Sensornetzwerk besteht aus multiplen Sensorknoten, die
jeweils mit einem Titandioxid-Nanoröhren-Sensor-Array für die
Wasserstoffdetektion und einer drahtlosen Datenübertragungseinheit
ausgestattet sind. Mit der Titandioxidnanoröhrenmatrix, die über einen Selbstorganisationsprozess durch Anodisierung einer Titanschicht entsteht, lassen sich Wasserstoffkonzentrationen zwischen einem ppm und vier Prozent (Explosionsgemischgrenze) nachweisen,
wobei die Nanoröhren bei der Messung nicht aufgebraucht werden.
Beim Messvorgang treffen die Wasserstoffmoleküle auf die Titandioxid-Nanoröhren-Matrix und werden teilweise in Wasserstoffionen
aufgespalten bzw. durchdringen die Oberfläche der Röhren. Durch
die Wasserstoffionenbildung und die verursachte Änderung der Leitfähigkeit wird so ein Signal induziert, dass die Wasserstoffkonzentration im Gasgemisch anzeigt. Bei Messversuchen mit unterschiedlichen drahtlosen Sensortypen wurden Nanoröhren mit einem
Durchmesser von 22 bzw. 76 Nanometern eingesetzt, wobei die Sensorschicht aus den kleineren Röhren diejenige aus den dicken Röhr-
HalbleiterGassensortechnologie auf
der Basis von
MetalloxidNanopartikeln
In-SituMonitoringsystem
auf der Basis
eines TitandioxidNanoröhrenSensor-Arrays
37
chen an Empfindlichkeit um das 200fache übertrifft. Ebenfalls getestet wurden die umweltnahen Auswirkungen von Verunreinigungen
auf den Gassensor. Dabei stellten die Forscher geringe Interferenzen
bei der Anwesenheit von Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Ammoniak
und Sauerstoff fest. Bei der Vernetzung der einzelnen Wasserstoffsensoren konnten die Forscher zudem nachweisen, dass das drahtlose
Sensornetzwerk auch dann noch seine volle Funktionalität behält,
wenn einer oder mehrere der Datenrelais-Knotenpunkte ausfallen.
Das derzeitig erprobte Monitoringsystem wird noch über sekundäre
Batterien versorgt, jedoch arbeitet man auch an der Verwirklichung
semiaktiver oder autarker Sensoren, um so die Lebensdauer der Sensorknotenpunkte auf mehrere Monate oder Jahre auszuweiten.
Abb. 12:
SEM-Abbildung der Draufsicht einer Titandioxid-NanoröhrenMatrix mit einem durchschnittlichen Röhrendurchmesser von
76 nm (Quelle: Grimes/Pennsylvania State University)
Reinigungs- und Aufbereitungstechnologien
Neben dem Einsatz präventiver In-Situ-Sensortechnologien zur Kontrolle
und Analyse von Umweltschadstoffen, ist die Entwicklung geeigneter
Umwelttechnologien zur Reinigung und Aufbereitung belasteter Luft-,
Wasser- oder Bodenressourcen ein wichtiger Impulsgeber und Zielmarkt
für die Realisierung sicherheitstechnischer Anwendungen. So liefern
beispielsweise die Fortschritte im Bereich der Filter- und Membrantechnologie - nicht zuletzt durch den Einsatz nanoporöser Materialien - und
der steigende Anteil bio- bzw. enzymkatalysierter Aufbereitungsverfahren die technologischen Voraussetzungen dafür, effektivere Feinstauboder Biotoxin-Filter für die Luftreinigung oder Trinkwasserversorgung in
kritischen Infrastrukturen entwickeln zu können. Mit der Berücksichtung
bioterroristischer Bedrohungspotenziale wird der Schutz öffentlicher
Versorgungsstrukturen sowie die Sicherheit in der Lebensmittelproduktion nicht nur von der Einhaltung ökologischer Standards und Grenzwerte
bestimmt, sondern erfordert im Ernstfall eine engere Verzahnung zeitnah
reagierender Monitoringsysteme mit entsprechenden Maßnahmen zur
Reinigung oder Aufbereitung kontaminierter Ressourcen. Durch die Ergänzung um eine zusätzliche sicherheitstechnische Komponente wird die
Reinigung und
Aufbereitung
belasteter Luft-,
Wasser- oder
Bodenressourcen
ist ein wichtiger
Impulsgeber und
Zielmarkt für die
Realisierung
Anwendungen
38
Chemo- oder biokatalytisch aktive
Filter- oder
Reinigungssysteme
In-SituSanierungstechnologien
Nanoporöse
Metall-Membran
aus hochtemperaturstabilen
Nickel-BasisSuperlegierungen
Auslegung zukünftiger Reinigungs- und Aufbereitungsverfahren, z. B. in
Klär- oder Wasserwerken, sowohl durch ein verbreitertes Zielspektrum
relevanter Schadstoffe als auch durch deutlich kleinere Reaktionszeiten
zur Einleitung entsprechender Schutzmaßnahmen erschwert. Der Einsatz
chemo- oder bio-katalytisch aktiver Filter- oder Reinigungssysteme, bei
der die Filterung von Partikeln oder Schwebstoffen durch selektive katalytische Eigenschaften des Filtermaterials gegenüber Mikroorganismen
unterstützt wird, sowie der Einsatz toxinspezifischer Bioindikatoren oder
die Entwicklung von In-Situ-Sanierungstechnologien für Remediation
verseuchter Böden sind Teilaspekte einer notwendigen sicherheitstechnischen Erweiterung des umwelttechnologischen Instrumentariums. Neben
der offensichtlichen Gefährdung durch eine terroristisch oder kriminell
motivierte Verseuchung lebenswichtiger Ressourcen besitzen die zunehmende Verbreitung gentechnischer veränderter Organismen sowie das
noch weitgehend unbekannte toxische Potenzial nanoskaliger Partikel
eine hohe sicherheitstechnische Relevanz, die bei der Entwicklung zukünftiger Reinigungs- bzw. Aufbereitungstechnologien berücksichtigt
werden muss. Vor dem Hintergrund des dargestellten Anforderungsprofils ist gerade die Entwicklung hochwirksamer nanokatalytischer Materialien und maßgeschneiderter Nanofiltersysteme ein wesentlicher Innovationsfaktor für die zukünftige Weiterentwicklung effektiver Reinigungsund Aufbereitungstechnologien, bei der die Breite des sicherheitstechnischen Bedarfsspektrums abgedeckt wird, ohne gleichzeitig einen Verlust
an Selektivität und Leistungsfähigkeit in Kauf nehmen zu müssen.
Ein Beispiel für die umwelt- wie sicherheitstechnische Anwendungsrelevanz von Nanomaterialien im Bereich der Aufbereitungs- und Reinigungstechnologien ist ein am Institut für Werkstoffe der TU Braunschweig durchgeführtes Forschungsprojekt, das sich mit der Entwicklung
und Herstellung nanoporöser Membranen auf hochtemperaturstabiler
Nickel-Basis-Superlegierungen beschäftigt. Die Herstellung der nanoporösen Metallmembranen erfolgt dabei über ein neu entwickeltes Verfahren, bei der durch eine thermomechanische Vorbehandlung des Ausgangsmaterials und einer so genannten selektiven Phasenextraktion2 eine
äußerst regelmäßige, homogene Porenstruktur mit Porenbreiten zwischen
300-500 nm erzeugt wird. Als Ausgangsmaterial dienen konventionelle
Nickelbasis-Superlegierungseinkristalle, die herkömmlicherweise im
Hochtemperaturanwendung eingesetzt werden und einen hohen Anteil
einer als γ’ bezeichneten Ausscheidungsphase aufweisen. Je nach Wahl
der Ausgangslegierung und somit des Ausscheidungsanteils sowie der
Wahl der zu extrahierenden Phase können die Parameter der resultierenden porösen Struktur in einem weiten Bereich gezielt eingestellt werden,
wobei die Porosität der Nanomembran zwischen 30 und 70 Volumenprozent liegt. Neben der Integrität der Struktur, der Größe der Poren und
deren gleichmäßiges Auftreten weisen die so hergestellten metallischen
Membranen in Abgrenzung zu porösen nanokeramischen Materialien
2
Meistens ein elektrochemischer Ätzprozess, bei der je nach Elektrolyt und anliegendem Potenzial die eine oder andere Phase einer Legierung galvanostatisch oder potentiostatisch aufgelöst werden kann.
39
charakteristische Merkmale wie thermische und elektrische Leitfähigkeit
oder Schweißbarkeit auf. Weiterhin sind die Membranen verhältnismäßig
riss- und bruchunempfindlich und plastisch verformbar. Aus diesen Eigenschaften ergibt sich eine Reihe von möglichen Anwendungen für nanoporöse Superlegierungen. Potenzielle umwelt- bzw. sicherheitstechnische Anwendungsfelder sind die Filtration kleinster Partikel wie
Bakteriensporen und Stäube oder der Bereich der Gastrennung. Auf
Grund der Herkunft des Materials aus dem Hochtemperaturwerkstoffbereich ist bei Bedarf zudem eine thermische Sterilisation bzw. Reinigung
der Struktur möglich. Weitere Zielsetzungen zukünftiger Forschung liegen im Bereich der Entwicklung und Optimierung industrieller Prozessschritte zur kostengünstigen Herstellung großflächiger Membranen in
hoher und reproduzierbarer Qualität.
Abb. 13: Nanomembran aus Nickel-Basis-Superlegierung mit einem E.-ColiBakterium (Quelle: TU Braunschweig)
•
•
Am Georgia Institute of Technology in Atlanta ist bei der Untersuchung der Löslichkeit von Nanopartikeln in Wasser entdeckt worden,
dass C-60-Nanoaggregate sehr wirksame antibakterielle Materialien
sind. Während in reiner Form die Löslichkeit der Nanopartikel minimale 10 Milligramm pro Liter beträgt, wird durch die Bildung von
Kolloid-Aggregaten mit Durchmessern von bis zu einem halben Mikrometer die Löslichkeit um das Zehnfache gesteigert. In einem Folgeversuch zur Untersuchung des Löslichkeitsverhaltens konnte gezeigt werden, dass schon geringe C-60-Kolloid-Konzentrationen
ausreichen, um das Wachstum von typischen Bodenbakterien - einigen Escherichia Coli- und Bacillus Subtilis-Stämmen - zu unterbinden.
Am Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) sind auf der Basis der so genannten SAMMS-Technologie (die Abkürzung steht für
Self-Assembled Monolayers on Mesoporous Supports) chemisch
modifizierte Nanokeramiken mit einer mesoporösen Schwammstruktur entwickelt worden, die Schadstoffe in Abwässern wesentlich
schneller entfernen können als konventionelle Aufbereitungstechno-
C-60-Nanoaggregate als
wirksame
antibakterielle
Materialien
SAMMSTechnologie
40
Nanoschwamm auf
der Basis mesoporöser Siliziumdioxid-Keramiken
logien wie z. B. Aktivkohlefilter. Grundlage zur Herstellung des Nanoschwamms sind mesoporöse Siliziumdioxid-Keramiken, deren
durchschnittliche 6 nm große Poren je nach Zielschadstoff mit einer
selbstorganisierten „Fängerschicht“ ausgefüllt werden (siehe Abb.
14). So erfolgt die Entfernung von Quecksilber z. B. über modifizierte Thiol-Moleküle, während zum Abbau von anionischen Schwermetallverbindungen, wie z. B. Chromat, chelatisierende Liganden verwendet werden. Bei Versuchen am PNNL mit Thiol-SAMMS
wurden nach drei Behandlungen innerhalb von 5 Minuten 99,9 % des
Quecksilbers aus dem Abwasser gefiltert, wodurch der Quecksilberanteil von 145,8 ppm auf 0,04 ppm sank. Dieser Wert liegt weit unter
dem von der amerikanischen Umweltbehörde EPA geforderten 0,2
ppm. Darüber hinaus ist die Technologie auch auf Radionuklide anwendbar und funktioniert ebenfalls in nichtflüssigen Medien. Die
PNNL-Forscher arbeiten im Moment daran, das Filtersystem in
Membran- und Fasermaterialien zu integrieren und für umweltund
sicherheitstechnische Anwendungen zu vermarkten.
Abb. 14:SAMMS-Filtertechnologie (Quelle: Pacific Northwest National Laboratory)
Umwelt
Nanotechnologie
Nanosec
Technologischer
Bedarf:
- spezifische in situUmwelt-sensoren für
Luft- und Wasserschadstoffanalytik
- Multianalysesysteme
zur Erstellung standortspezifischer
Schadstoffprofile
- desinfizierende und
umweltschonende
Reinigungszusätze für
die Trinkwasseraufbereitung
- intelligente Membrantechnologie zur keimfreien Aufbereitung
von Abwässern
- Ultrafeinstaubpartikelfilter
- umweltschonende
Anti-FoulingBeschichtungen
- langreichweitige Aerosolpartikelmesstechnik
- In situ-Remediationstechnologien für
die Bodensanierung
Technologische
- Filterleistung (Partikel
< 0,1 µm)
- bioazide Wirksamkeit
(> 5 Jahre)
- Sensorarraygröße (>
30 Einzelsensoren)
- Nachweisgrenze
(µg/m³ oder ppb)
Nanosec-Profil Umwelt
Nanosec-Innovationsziele
- temperatur- bzw.
korrosionsresistente
Umwelt-Monitoringsysteme
- kompatible Multiarraysensorsysteme
für Luft- und
Wasseranalytik
(eNose/eTongue)
- umweltstabile
Sensorsysteme mit
Anti-Foulingbeschichtung oder
Selbstreinigungsfunktion
- satellitengestützte
AerosolwolkenFernerkundung und
Ultrafeinstaubpartikelmesstechnik
- selbstreinigende
und wartungsfreie
Metall- oder
Keramikmembranen
zur Filterung
pathogener Mikroorganismen aus
Trinkwasser oder
Atemluft
- leistungsstarke
Ultrafeinstaubatemluftfilter
Nanotechnologischer
Beitrag
- massensensitive
Nanowaagen
- siliziumbasierte
NanokantileverTechnologie
- über Selbstorganisations-Prozesse
hergestellte nanokeramische Filtermaterialien
- nanoporöse Metallmembranen
- nanostrukturierte
nicht-linear optische
Materialien bzw.
nanophotonische
Systeme
- oxidierende oder
bioazide Nanopartikel
oder Nanocoatings
41
42
3.3
Aufbau leistungsfähiger Datenschutzstrukturen
ist Grundvoraussetzung für die
Realisierung einer
Vielzahl sicherheitstechnischer
Anwendungen
Gefährdungspotenziale durch
cyberterroristische oder
cyberkriminelle
Attacken
Ausweitung und
Diversifizierung
des Bedarfes an
sicherheitstechnischen Anwendungen u.a.
durch Vernetzung
internationaler
Informationsnetzwerke und Ausbau
des E-CommerceSektors
Technologische
Schwerpunkte mit
wesentlichen Entwicklungsimpulsen
aus der Nanotechnologie
Daten
Der Aufbau leistungsfähiger Datenschutzstrukturen zur Sicherstellung
abhörsicherer Kommunikationswege bzw. eines manipulationsfreien
Transfers sensibler oder geheimer Informationen ist Grundvoraussetzung
für die Realisierung einer Vielzahl sicherheitstechnischer Anwendungen.
Vor dem Hintergrund der zunehmenden weltweiten Vernetzung von
Computern und Netzwerken geht es vorrangig darum, intelligente Hardware- und Softwaretechnologien zu entwickeln, um auf unbefugte
Zugriffe in kritischen Dateninfrastrukturen reagieren und diese zeitnah
unterbinden zu können. Zudem haben der wachsende Einsatz drahtloser
Kommunikationstechnologien wie z. B. WLAN oder UMTS und die Zusammenführung und Verschmelzung unterschiedlicher I&K-Applikationsstandards bzw. Infrastrukturen die Gefährdungspotenziale cyberterroristischer oder cyberkrimineller Attacken zusätzlich erhöht. Auf
staatlicher und ziviler Ebene wird deshalb verstärkt an tragfähigen sicherheitstechnischen Konzepten und Netzwerkarchitekturen gearbeitet,
die insbesondere in kritischen Infrastrukturen die unterbrechungsfreie
Funktionalität von Computer-Netzwerken zu jedem Zeitpunkt gewährleisten und terroristisch oder wirtschaftskriminell motivierte Hackerangriffe von vorne herein ausschließen sollen. Zentrale sicherheitstechnisch relevante Ansätze sind die Entwicklung moderner
Kryptographielösungen, stabile und effektive Datensicherungs- bzw.
Datentransfertechnologien sowie verbesserte Authentifizierungsverfahren
(siehe auch Abschnitt 3.4 Biometrische Systeme). Die internationale Bereitstellung und Vernetzung staatlicher, wirtschaftlicher oder wissenschaftlicher Informationsnetzwerke durch die Schaffung zentraler Datenbankstrukturen, den stetigen Ausbau des E-Commerce-Sektors oder die
rasante Entwicklung von Online-Veröffentlichungsplattformen (z. B.
durch die zunehmende Verbreitung von Blogs) haben zu einer deutlichen
Ausweitung und Diversifizierung des Bedarfes an sicherheitstechnischen
Anwendungen geführt. Deshalb werden vor dem Hintergrund der zunehmenden Marktbedeutung sicherheitstechnischer Hard- und Softwarekomponenten deutliche Entwicklungsimpulse aus dem Spannungsfeld
der Informationstechnik, der Mikrosystemtechnik und der Nanotechnologie erwartet. Über die technologischen Beitragsfaktoren hinausweisend,
ist die Weiterenwicklung von Informationssicherheitsstandards eine wesentliche Voraussetzung dafür, zukünftige Visionen sich selbstorganisierender Sensor-Netzwerke bzw. die alle Lebensbereiche durchdringende
Vernetzung intelligenter Objekte oder computergestützter Systeme
(Stichwort: Pervasive Computing) zu verwirklichen.
Der technologische Anforderungskatalog zum Schutz kritischer Dateninfrastrukturen und Kommunikationswege wird somit von einem wissenschaftlichen und gesellschaftlichen Umfeld bestimmt, in dem sowohl der
wissenschaftliche Querschnittscharakter als auch die sicherheits- und
gesellschaftspolitische Relevanz der Informationstechnologie Berücksichtigung finden müssen. Ausgehend von diesem spezifischen Umfeld
und den sicherheitstechnischen Aufgabenstellungen sind unter Beachtung
des Suchfeldrasters drei technologische Schwerpunkte ausgewählt worden, bei denen wesentliche Entwicklungsimpulse aus der Nanotechnolo-
43
gie erwartet werden können. Neben Entwicklungsansätzen die eine verbesserte Leistungs- und Integrationsfähigkeit sicherheitstechnischer Systeme ermöglichen sollen, gilt dabei ein weiteres Augenmerk der Einbeziehung materialtechnischer Lösungen, die z. B. auf der Basis
antistatischer Beschichtungen, neuartiger photochromer Speichermaterialien oder robuster Verkapselungen die Ausfallsicherheit kritischer Dateninfrastrukturen gewährleisten können:
1. Kryptographietechnologien
z. B. Quantenkryptographietechnologie
2. EM-Abschirmungstechnologien
z. B. antistatische oder Stealth-Beschichtungen
3. Datensicherungstechnologien
z. B. optische Speichertechnologie (holographischer Speicher)
Kryptographietechnologien
Die Entwicklung abhörsicherer Techniken zur Nachrichtenübermittlung
stellt sowohl im Kontext des privaten und wirtschaftlichen Datenschutzes
als auch auf der staatlich-militärischen Ebene eine sicherheitstechnische
Herausforderung dar, die durch die fortschreitende Etablierung von ECommerce-Anwendungen und die zunehmende Abhängigkeit von computergestützten Steuerungsstrukturen in sensiblen öffentlichen oder militärischen Einrichtungen bestimmt wird. Die in den letzten Jahren exponentiell ansteigende Zahl durch das Internet verbreiteter Viren und die
latente Gefahr cyberterroristischer Hackerangriffe hat den Bedarf nach
einfach handhabbaren und kostengünstigen Systemen zur sicheren Datenübertragung dramatisch steigen lassen. Deshalb gilt ein Hauptaugenmerk in der Informations- und Kommunikationstechnik der Verbesserung
bestehender Kryptographietechnologien mit dem Ziel, z. B. nicht reproduzierbare digitale Signaturen, abhörsichere virtuelle Netzwerke oder
verbesserte Verschlüsselungschiparchitekturen zu realisieren. Die sicherheitstechnische Aufgabenstellung kryptographischer Hardware- und
Softwarelösungen reicht von der Sicherstellung der Vertraulichkeit während der Informationsübertragung, dem Schutz von Dateninhalten vor
Manipulation bis zur eindeutigen Authentifizierung von Dokumenten
oder Personen. Entscheidende Parameter sicherer Verschlüsselungsverfahren sind dabei die Geschwindigkeit der Datenübertragung und die
Unmanipulierbarkeit des Codierungsschlüssels.
Die wachsende Bedeutung der Nanoelektronik hat in den letzten Jahren
eine wichtige Voraussetzung für die Realisierung technologischer Plattformen geschaffen, auf der nicht nur die weitere Miniaturisierung und
Konvergenz der Informations- und Kommunikationssysteme der nächsten Generation vorangetrieben wird, sondern durch den Einsatz nanoelektronischer Bausteine auch neue kryptographische Lösungen ermöglicht werden. Darüber hinaus werden durch die Verwirklichung höherer
Speicherkapazitäten und verringerter Zugriffszeiten in Speicherbausteinen oder die stetige Erhöhung der Prozessorleistungen wesentliche
Ziel:
Nicht reproduzierbare digitale
Signaturen,
abhörsichere
virtuelle Netzwerke oder
verbesserte
Verschlüsselungschiparchitekturen
Einsatz nanoelektronischer
Bausteine ermöglicht auch neue
kryptographische
Lösungen
44
Verbesserung von
Langzeitarchivierungssystemen
und abhörsicheren
Datenübertragungswege
Quantenkryptographie
Ein-PhotonenLichtquellen
und -Detektoren
Ein-PhotonenDetektoren mit
InGaAs/InP
AvalanchePhotodiode
Grundlagen für die Verbesserung von Langzeitarchivierungssystemen
und abhörsicherer Datenübertragungswege gelegt. Langfristiges Ziel der
Entwicklung ist die Realisierung leistungsfähigerer nanostrukturierter
Rechnerkonzepte und Kryptographietechnologien z. B. auf der Basis von
Quanten- oder DNA-Computern.
Vor dem Hintergrund des sicherheitstechnischen Anforderungskatalogs
ist insbesondere die Quantenkryptographie ein viel versprechender Kandidat einer alternativen Kryptographietechnologie. Gegenüber den herkömmlichen mathematischen Verfahren besitzt das physikalische, auf
Quantenphänomene beruhende Verschlüsselungsverfahren dabei einen
entscheidenden Vorteil für den Fall, dass eine verschlüsselte Nachricht
abgefangen und gespeichert wird. Während eine mathematisch verschlüsselte Nachricht durch Fortschritte in der Mathematik oder verbesserter Computerleistungen auch zu einem späteren Zeitpunkt entschlüsselt werden kann, ist dies bei der Quantenkryptographie ausgeschlossen.
Ermöglicht wird das durch die einmalige Verwendung eines völlig zufälligen Schlüssels (eines so genannten One-Time-Pads), so dass eine Dekodierung des Schlüssels nahezu ausgeschlossen werden kann.
Der bisher viel versprechendste Ansatz zur technischen Realisierung
quantenkryptographischer Systeme basiert auf einer der besonderen Eigenschaften von Photonenpaaren, der so genannten Verschränkung. Dafür benötigte Ein-Photonen-Lichtquellen und -Detektoren werden bereits
auf nanotechnologischer Grundlage entwickelt. Allerdings begrenzen die
heute verfügbaren Photonenerzeugungs- und -nachweistechniken die
Leistung bisheriger Versuchssysteme. Deshalb richten sich die Forschungsanstrengungen in diesem Sektor auf die Entwicklung neuartiger
Modelle von Ein-Photonen-Detektoren auf der Basis von Quantenpunkten, mit der die Übertragungsraten auf verschlüsselten Verbindungen
drastisch erhöht und somit neue sicherheitstechnische Anwendungsgebiete z. B. im Bereich kommerzieller oder privater Internetnutzung eröffnet
werden könnten. Der Entwicklung einer glasfaserkompatiblen EinPhotonen-Quelle wird sowohl für die systemtechnische Integration als
auch für die Übertragungsreichweite und -geschwindigkeit von Quantenverschlüsselungsverfahren besondere Bedeutung beigemessen.
Ein Beispiel aus der Vielzahl internationaler Forschungsprojekte zur
Entwicklung effizienterer Ein-Photonen-Detektoren für quantenkryptographische Anwendungen ist ein britisches Projekt, dessen Ziel die
Prototypenentwicklung und fertigungstechnische Umsetzung einer InGaAs/InP Avalanche Photodiode (APD) zur Realisierung einer neuartigen Detektorarchitektur ist. Das Design und die Verfahrensentwicklung
wurden an der University of Sheffield zusammen mit der Heriot-Watt
University in Edinburgh realisiert und vom Electro-Magnetic Remote
Sensing (EMRS) Defence Technology Centre des britischen Verteidigungsministeriums finanziert. Der schrittweise Aufbau der einzelnen
Waferschichten in der planaren Photodiode erfolgte auf halbleitertechnologischer Basis wobei die p+-und n+-Regionen und den entsprechenden
Metallkontaktstrukturen über CVD- bzw. photolithographische Methoden aufgetragen wurden. In dem letztendlich entstehenden DetektorDesign des so genannten Single-Photon-Avalanche-Detector (SPAD)
45
absorbiert die zentrale InGaAs-Schicht das Licht in dem insbesondere für
Telekommunikations- bzw. Verschlüsselungsanwendungen interessanten
Frequenzbereich von 1,55 μm. Im Labormaßstab zeigte die SPADetektoranordnung eine viel versprechende Detektoreffizienz mit einer
niedrigen Dunkelladungsrate und ohne den Einsatz einer normalerweise
notwendigen zusätzlichen Antireflektionsbeschichtung. Die Gesamtleistungsfähigkeit des Detektorsystems spiegelt sich in hohen, als zentrale
Detektor-Leistungskennziffer angesehenen Rauschleistungswerten wider,
die deutlich über den für die derzeit kommerziell erhältlichen AvalanchePhoto-Detektoren liegen.
Abb. 15: Design und Aufbau InGaAs/InP Avalanche Photodiode (Quelle:
Tan/University of Sheffield)
•
An der Ludwig-Maximilians-Universität München ist als Vorstufe
zur Realisierung einer abhörsicheren Kommunikationsplattform die
Entwicklung eines quantenkryptographischen Systems gelungen, mit
dem bei Tests ein Quantenschlüssel über eine Distanz von über 23
Kilometer und einer Übertragungsrate von 1,5-2 kb/s abhörsicher gesendet worden ist. Technologische Grundlage ist die Entwicklung einer Sende- und Empfangseinheit, bei der die gesamte Optik des Empfängermoduls kompakt auf einer Fläche von 5 cm x 5 cm montiert
werden kann. Das von den Forschern entwickelte und patentierte
Sendegerät polarisiert entsprechend dem vorliegenden und zu übertragenden Schlüssel einzelne Photonen, bevor diese ausgesandt werden. Das Modul besteht aus vier gepulsten Laserdioden, die teleskopartig auf einem Ring montiert sind, mit denen am Ausgang schwache
Laserpulse (im Mittel 0,1 Photonen pro Puls) mit einer von vier verschiedenen Polarisationsrichtungen erzeugt werden können. Je nachdem welche der vier Dioden durch einen kurzen Strompuls eingeschaltet wird, wird also ein Schritt des erforderlichen
Codierungsvorganges ausgeführt. Der Empfänger wiederum kann
diese Schritte umkehren und so die gesamte Schlüsselsequenz zusammensetzen. Dabei werden die schwachen Pulse mittels Strahlteiler auf 4 Detektoren verteilt, die in den vier möglichen Polarisationsrichtungen messen. Werden jedoch die Photonen auf dem Weg zum
Empfänger abgefangen und gemessen, verändert sich ihre Polarisie-
Laserbasiertes
Sende- und
Empfängermodul
für ein
quantenkryptographisches
System
46
rung und der Empfänger registriert sofort diese Manipulation. Zur
Überprüfung der Schlüsselsequenz wird einfach über eine herkömmliche Telefonleitung ermittelt, für welche Messungen die gleiche Polarisationsbasis gewählt wurde.
Abb. 16:
Sender- und Empfängermodule zur Quantenkryptographie über
Teleskopverbindungen (Quelle: Weinfurter/Ludwig-MaximiliansUniversität München)
Für das vergleichsweise kostengünstig herstellbare System sind langfristig zwei Einsatzgebiete denkbar: So können zum einen Verbindungen zwischen Gebäuden innerhalb einer Stadt aufgebaut werden.
Zum Beispiel ließe sich auf diese Weise eine abhörsichere Kommunikation zwischen den Gebäuden einer Firma bzw. einer Bank oder
zwischen unterschiedlichen Anwendern auf einem begrenzten Areal
bis zum nächstgelegenen Glasfaserverteiler realisieren. Andererseits
ermöglicht die direkte Kopplung der teleskopartigen Module aber
theoretisch auch einen Schlüsselaustausch über Satelliten. Hierzu
müsste man die Sendeeinheit in den Satelliten integrieren. In der
Praxis würde dann das Senderteleskop aus ca. 500--1000 km Höhe
im Überflug eine Bodenstation anvisieren und polarisierte Lichtpulse
aussenden. Da die gesamte Luftschicht bei klarer Sicht nur etwa die
Hälfte aller Photonen streut, würde in der Theorie die Übertragungsrate nur in geringem Maße reduziert werden. Dabei ist jedoch ein
wolkenloser Himmel eine wesentliche Voraussetzung dafür, dass die
Photonen auch tatsächlich zur Bodenstation gelangen können. Überfliegt der Satellit später eine zweite Bodenstation, kann auch mit dieser ein Schlüssel ausgetauscht werden. Letztendlich kann aus den
beiden so erhaltenen Einzelschlüsseln ein geheimer Schlüssel zwischen den beiden Bodenstationen ermittelt werden, so dass praktisch
alle Entfernungsschranken für die Übertragung verschlüsselter Nachrichten entfallen würden.
•
Ein-PhotonenQuelle auf der
Basis von
InAs/GaAsQuantenpunkten
Ein britisches Forscherteam von der Toshiba-Forschungseinrichtung
in Cambridge hat eine Ein-Photonen-Quelle auf Halbleiterbasis entwickelt, die aus InAs/GaAs-Quantenpunkten besteht, die in eine Matrix aus undotiertem GaAs gesetzt wurden. Um sicherzustellen das für
die quantenkryptographische Nutzung des Photonengenerators einzelne Photonen isoliert und z. B. in Glasfasern eingespeist werden
können, wurden die Quantenpunkte (Höhe 10 nm, Durchmesser 45
nm) über Molekularstrahlepitaxie (MBE) bei 500 °C kontrolliert auf
das GaAs-Substrat aufgedampft. Durch weitere sich anschließende
Modifikationen wurden die Quantenpunkte zusätzlich so weit verändert, dass sie in einem Wellenlängenbereich bis zu 1,3 Mikrometern
47
Photonen aussenden können. Diese Wellenlängen werden in der Telekommunikation bevorzugt für die optische Datenleitung durch
Glasfasern genutzt. Aufgrund der so realisierbaren schmalen Emissionslinienbreite des Quantenpunkt-Ensembles, können die Einzelphotonen über 100 km weit durch ein Glasfaserkabel gesendet werden,
ohne das ein substanzieller Signalverlust registriert werden kann. Die
britischen Forscher hoffen, die Ein-Photonen-Quelle innerhalb der
nächsten drei Jahre in ein Quantenverschlüsselungssystem integrieren
zu können und damit die größeren und komplexeren Lasersysteme
aus quantenkrypthographischen Anwendungen verdrängen zu können.
Abb. 17:
AFM-Aufnahme eines InAs/GaAs-Quantenpunkt-Ensembles
(Quelle: Ward/Toshiba Reseacrh Europe Ltd.)
EM-Abschirmungstechnologien
Der Schutz internationaler Informations- und Kommunikationsnetzwerke
vor der Manipulation von Daten oder Übertragungswegen wird zukünftig
nicht nur von der Entwicklung kryptographischer Verschlüsselungskomponenten bestimmt, sondern geht auch verstärkt mit der Realisierung
verbesserter elektromagnetischer Abschirmungsmaßnahmen einher.
Zentrale Aufgabenfelder bei der Entwicklung elektromagnetischer Abschirmungstechnologien liegen in der Blockierung externer Abhörversuche in drahtlosen bzw. satellitengestützten Kommunikationsnetzwerken
und im Schutz sicherheitstechnisch sensibler Hardwarekomponenten
oder Serverknotenpunkte vor elektromagnetischen Feldern oder Pulsen.
Die bewusste Erzeugung elektromagnetischer Impulse (EMPs), z. B. über
eine thermonukleare Explosion oder durch den Einsatz einer E-Bombe,
stellt dabei für die Sicherheit öffentlicher und militärischer Informationsinfrastrukturen das mit Abstand größte Bedrohungspotenzial dar. Während bei der Verwirklichung geeigneter Abhörschutzmaßnahmen der
Schwerpunkt auf der Entwicklung aktiver Systeme (z. B. intelligente
Störelektronik) liegt, konzentrieren sich die Forschungsanstrengungen
bei der Abschirmung elektronischer Komponenten unter anderem auf die
Realisierung passiver Materialsysteme zur Neutralisation der elektromagnetischen Strahlung.
Im Zuge des Einsatzes nanotechnologischer Verfahren zur Herstellung
von Antireflexionsbeschichtungen bzw. interferenzoptischen Beschichtungen in Strahlungsschutzanwendungen im sichtbaren und ultravioletten
Der Schutz internationaler Informations- und
Kommunikationsnetzwerke geht
verstärkt mit der
Realisierung
verbesserter
elektromagnetischer Abschirmungsmaßnahmen
einher
48
Einsatzmöglichkeiten nanostrukturierter
Materialien zur
elektrostatischen
Abschirmung und
für die
Absorption von
Mikrowellen
CNT-basierte
Nanokompositbeschichtung
als EMIAbschirmungssystem
Spektralbereich, werden derzeit auch die Einsatzmöglichkeiten nanostrukturierter Materialien zur elektrostatischen Abschirmung und für
die Absorption von Mikrowellen untersucht. Maßgebliche Impulse gehen
hierbei unter anderem von der Entwicklung neuartiger Radar-StealthBeschichtungen aus. Die wichtigsten Verfahren zur Realisierung antistatischer oder absorbierender Beschichtungen basieren auf CNTPolymerkompositen, Nanokompositen aus Übergangsmetallmischoxiden
in einer Polymermatrix sowie so genannten Cenosphären, bei denen es
sich um poröse keramische Hohlkugeln handelt, die von einer nanoskaligen Metallschicht bedeckt sind. Darüber hinaus wird auch die Entwicklung maßgeschneiderter dynamischer Abschirmungstechnologien diskutiert, bei der z. B. innerhalb einer Absorptionsbeschichtung durch die
Gesamtheit miteinander wechselwirkender Nanopartikel selektiv elektromagnetische Absorptionsbänder erzeugt und unter bestimmten Umständen moduliert werden können.
Ein Beispiel für die zahlreichen internationalen Forschungsprojekte zur
Modifizierung CNT-basierter Materialien für sicherheitstechnisch relevante Anwendungen ist ein an der Korea University in Seoul entwickeltes polymeres Dünnschichtsystem, das sich unter anderem für den Einsatz als EMI (Electro-Magnetic Interference)-Abschirmungssystem für
elektronische Komponenten eignet. Für die Entwicklung der flexiblen
Nanokompositbeschichtung wurden Proben des isolierenden Kunstoffs
Polymethylmethacrylat (PMMA) mit unterschiedlichen Massenanteilen
(zwischen 0,1 und 40 wt %) mehrwandiger Kohlenstoffnanoröhren
(MWCNTs) durchsetzt. Die Forscher konnten über SEM-Aufnahmen die
Bildung eines leitfähigen MWCNT-Netzwerkes in der Polymermatrix
belegen und über Leitfähigkeitsmessungen ein Anstieg der Gleichstromleitfähigkeit mit zunehmenden Nanoröhren-Massenanteilen beobachten.
Parallele Messungen zur elektromagnetischen Abschirmungseffizienz
ergaben, das der SE (Shielding Efficiency)-Wert bei einem 40prozentigem MWCNT-Anteil mit 27 dB am höchsten ausfällt, was gerade für Anwendungen im Fernfeldbereich (oberhalb 10 MHz) interessant
ist. Aufgrund der moderaten Leitfähigkeit des Nanokomposits ist darüber
hinaus der Absorptionsbeitrag am SE-Gesamtwert größer als der Reflexionsbeitrag, so dass sich für das Abschirmungssystem insbesondere viel
versprechende Anwendungsoptionen im militärisch und telekommunikationstechnisch wichtigen Frequenzbereich der Mikro- bzw. Radiowellen
ergeben. Die von den koreanischen Forschern durchgeführten Messungen
belegen zudem, dass die Leitfähigkeit der polymeren Dünnschichten
nicht durch die in geringer Konzentration in den Nanoröhren eingeschlossenen Eisenkatalysatorpartikel, sondern hauptsächlich durch das
MWCNT-Netzwerk bestimmt wird. Erste Einsatzgebiete des flexiblen,
kostengünstigen und massenproduktionstauglichen Abschirmungsmaterials werden vor allem bei mobilen elektrischen Geräten und Ausrüstungen
gesehen, bei denen zugunsten eines kompakten Designs häufig auf einen
höheren, sicherheitstechnischen Standards genügenden elektromagnetischen Schutz verzichtet wird.
49
Abb. 18: SEM-Querschnittsaufnahme einer PMMA-Kompositschicht mit 12 % wt
MWCNT (Quelle: Joo 2004)
•
Eine spanische Forschergruppe vom materialwissenschaftlichen Institut des CSIC in Madrid stellte eine Technik zur kontrollierten Einbettung ferromagnetischer Nanopartikel in eine diamagnetische PVCMatrix vor, durch die die Herstellung von magnetopolymeren Nanokompositen erleichtert werden soll, die unter anderem für den Einsatz
in Mikrowellen-Schutzbeschichtungen geeignet sind. Der Zuschnitt
der magnetischen Antwort und damit der Absorptionseigenschaften
in den Nanokompositen lässt sich durch die strukturelle Kontrolle der
eingesetzten sphärischen Nanopartikel Co80Ni20 in einem Größenbereich zwischen 5 und 500 nm bzw. deren Konzentration in der Polymermatrix einstellen. Die Herstellung der Polymerkomposite erfolgte
über einen Sol-Gel-Prozess, wobei Nanokomposit-Dünnschichten mit
kontrollierten Dicken zwischen 2 und 122 μm und einer Partikelkonzentration zwischen 0,4 und 50 wt % erzeugt wurden. Über Magnetometer-Messungen wurden von den spanischen Forschern die magnetischen Eigenschaften der Nanokompositbeschichtungen bei
unterschiedlichen Partikelbelegungen und Temperaturen überprüft,
wobei mit steigenden Temperaturen und Massenprozentanteilen der
Nanopartikel eine Abnahme der Magnetfeldstärke zu verzeichnen
war. Die Flexibilität, die einfache Herstellung sowie die chemische
und thermische Resistenz des magnetopolymeren Materialsystems
eröffnen eine Vielfalt sicherheitstechnologischer Anwendungen, wobei im Vorfeld in weiteren Studien insbesondere der Einfluss magnetostatischer Kopplungen und Packungseffekte im magnetopolymeren
Kompositverbund untersucht werden muss.
Magnetopolymere
Nanokomposite
für den Einsatz in
MikrowellenSchutzbeschichtungen
50
Abb. 19:
•
Nutzung von
BariumHexaferritnanokristallen in
Absorptionsbeschichtungen
als EMV-Schutz
Co80Ni20 -PVC Nanokomposit mit einer Partikelkonzentration von
50 wt % (Quelle: Sanz 2005)
Brasilianische Forscher haben die Eignung Kobalt- bzw. Zink dotierter Barium-Hexaferritnanokristalle des so genannten Z-Typs für den
Einsatz in magnetopolymeren Absorptionsbeschichtungen untersucht,
die sowohl in zivilen als auch militärischen Applikationen wie z. B.
als EMV-Schutz für Computerchip bzw. als Radar Stealth-Material
genutzt werden können. Für die Herstellung des üblicherweise über
keramische Sintermethoden hergestellten Hexaferitnanopulvers entwickelten die Forscher ein einfaches und kostengünstiges Alternativverfahren auf der Basis eines niedertemperaturigen Sol-GelProzesses. Für die anschließenden Messungen zur Überprüfung der
Mikrowellen-Absorptionseigenschaften im polymeren Matrixverbund
wurde Neopren (Polychloropren Gummi (CR)) mit einem 20 wt %Anteil Ferritnanokristalle (Zusammensetzung Ba3Co1,6Zn0,4Fe24O41)
vermahlen und anschließend vulkanisiert. Das so erhaltene flexible
und leichte Nanokompositmaterial wies für alle untersuchten Beschichtungsdicken (zwischen 2 und 5 mm) gute Absorptionseigenschaften in den für Telekommunikationsanwendungen interessanten
X- und K-Übertragungsfreqenzbändern (zwischen 8 und 16 GHz)
auf.
Datensicherungstechnologien
Einsatz nichtflüchtiger
Speicher eröffnet
die Möglichkeit,
dass gespeicherte
Informationen
selbst nach einer
Stromunterbrechung erhalten
bleiben.
Die Realisierung nichtflüchtiger und manipulationssicherer Speichertechnologien wird derzeit von einer Vielzahl unterschiedlicher Entwicklungsrichtungen bestimmt, die von der Verbesserung interner Speicherund Festplattentechnologien bis zur Entwicklung von Langzeitspeichermedien zur externen Sicherung sensibler Daten oder Dokumente reicht.
Gegenüber konventionellen flüchtigen Speichern (wie z. B. SRAMs oder
DRAMs) eröffnet beispielsweise der Einsatz nichtflüchtiger Speicher
(wie z. B. MRAM, FRAM, PC-RAM oder CB-RAM) nicht nur die Möglichkeit, auf das derzeit notwendige zeitaufwändige Booten zu verzichten, sondern garantiert auch, dass gespeicherte Informationen selbst nach
einer Stromunterbrechung erhalten bleiben. Das kann insbesondere für
sicherheitskritische Vorgänge von hoher Bedeutung sein, wenn z. B. katastrophenbedingt oder aufgrund terroristischer Anschläge die Stromversorgung unterbrochen wird.
Die Steigerung der Datendichte zur weiteren Erhöhung von Festplattenkapazitäten wird ebenso wie die Realisierung manipulations- und zerfallssicherer Langzeitspeichermedien maßgeblich vom Einsatz nanotechnologischer Effekte und Verfahren bestimmt werden. Schon heutige
Festplattengenerationen besitzen z. B. Schreibleseköpfe, die auf den
GMR-Effekt beruhen und zu einer enormen Steigerung der Datendichte
bei gleichzeitiger Miniaturisierung der Festplatten beigetragen haben.
Die sicherheitstechnische Herausforderung bei der Entwicklung einer
verbesserten Langzeitspeicherung von Informationen und Dokumenten
wird von zwei Hauptproblemen bestimmt. Zum einen die geringe materialtechnische Haltbarkeit und der damit verbundene Datenverlust derzeitiger Speichermedien - die Haltbarkeit einer CD-ROM liegt bei 10-15 Jahren - sowie die fehlende Vorhaltung von Lesetechnologien, die das
Auslesen von Daten über einen langen Zeitraum hinweg erschwert oder
sogar unmöglich macht. Mögliche Substitutionslösungen für herkömmliche Archivierungstechnologien, wie z. B. die in Datenzentren häufig eingesetzten Magnetbänder, bieten vor allem optische Speichersysteme auf
der Basis photonischer Kristalle oder holographischer Speicher. Bei dieser Langzeitspeicherform werden die Daten im Gegensatz zu der herkömmlichen zweidimensionalen Oberflächenspeicherung auf CDs oder
DVDs dreidimensional in polymeren Materialsystemen gespeichert.
Durch die Speicherung der Informationen im Volumen wird nicht nur
eine deutliche Steigerung der Speicherkapazität und des Datenzugriffs
erzielt sondern auch die Haltbarkeit des Speichermediums auf weit über
50 Jahre ausgedehnt.
Eines der zukunftsträchtigsten Anwendungs- und Entwicklungsbeispiele
holographischer Speichermedien wird von der Firma InPhase Technologies3 derzeit auf der Basis einer optischen Polymertechnologie zur Produktreife geführt, die Bayer Material Science als Entwicklungspartner
beisteuert. Die Konkurrenzfähigkeit des neuen holographischen Speichers basiert dabei zu wesentlichen Teilen auf der Realisierung eines
neuartigen Datenträgers, der mit sehr guten optischen Eigenschaften und
einer extrem glatten Oberfläche zu vertretbaren Kosten hergestellt werden kann. Die physische und thermische Stabilität des eingesetzten polymeren Materials über lange Zeiträume hinweg und eine von Verformungen freie Oberfläche garantieren dabei die Haltbarkeit bzw.
Lesbarkeit des dreidimensionalen Datenspeichers für mindestens 50 Jahre. Beim Speichern wird das Datenvolumen dabei jeweils in Blöcke von
1,3 Megabyte eingeteilt. Rund 20 der als „Seiten“ bezeichneten Datenblöcke werden schichtweise übereinander geschrieben und bilden ein so
genanntes „Buch“. Die binäre Strukturierung und Einordnung der Datenblöcke in dem Speichermedium wird letztendlich durch einen so genannten räumlichen Lichtmodulator (Spatial Light Modulator SLM) realisiert,
in dem die einzelnen Seiten als schwarze und weiße Quadrate dargestellt
sind. Beim eigentlichen Schreibvorgang wird nun der verwendete blaue
Laserstrahl in zwei Strahlen gespalten. Davon richtet sich einer, der Referenzstrahl, direkt auf das Medium, während der zweite, ein Signal-
3
Ende 2000 von Lucent Technologies und den Bell Labs gegründeter Spin-Off
51
Realisierung manipulations- und
zerfallssicherer
Langzeitspeichermedien wird maßgeblich vom Einsatz nanotechnologischer Effekte
und Verfahren
bestimmt werden
Optische Speichersysteme auf
der Basis
photonischer
Kristalle oder
holographischer
Speicher
Holographischer
Speicher auf der
Basis optischer
Polymertechnologie
52
strahl, zunächst auf den Lichtmodulator fällt und durch das Bitmuster
verändert wird. An den Punkten, an dem der Signalstrahl auf den Referenzstrahl trifft, entsteht ein signifikantes Interferenzmuster, das den Zustand des im Medium enthaltenen Polymers verändert, so dass das erzeugte Hologramm dauerhaft gespeichert ist. Durch die Rotation des
scheibenartigen Speichers wird der nächste Datenblock dann an einer
anderen Stelle holographiert. Zum Auslesen der Daten rotiert ein erstellter digitaler Index die Scheibe an die richtige Position. Dort wird der Referenzstrahl reflektiert und das entstehende charakteristische Lichtmuster
kann von Fotozellen gelesen und entsprechend wieder in Bits umgewandelt werden.
Laut Inphase sollen die holographischen Medien etwa so viel kosten wie
ein DVD-Rohling. Jedoch betragen die derzeitigen Speicherkosten für
die Realisierung von Hologrammarchiven aufgrund des vergleichsweise
aufwendigen Lese- und Schreibsystems noch zirka 40 Cents pro MByte.
Bis Ende 2006 soll ein 300-Gigabyte-Laufwerk mit Übertragungsraten
von 160 MByte/s vermarktet und in zwei weiteren Produktgenerationen
sollen 1,6 TByte Kapazität und 960 MByte/s erreicht werden. Neben dem
Einsatz in speicheraufwendigen Archivierungssystemen, wie z. B. Videooder Bilderarchiven bietet das Speicherverfahren auch Anwendungsoptionen auf der sicherheitstechnischen und militärischen Ebene, so z. B. in
der Kartografie oder zur Simulation und Auswertung militärischer Szenarien.
Abb. 20: Prototyp eines holographischen Datenträgers (5,25 Zoll) (Quelle: Bayer)
•
"Millipede"Speicher
Im IBM Zurich Research Laboratory ist im Rahmen des Projekts
"Millipede" die Entwicklung eines nanomechanischen Speichers gelungen, mit dem eine Datenspeicherung von einem TBit pro Quadratzoll erreicht werden kann, was etwa einem Datenvolumen von 25
DVDs auf der Fläche einer Briefmarke entspricht. Der Lese- und
Schreibmechanismus der Millipede-Technologie ist vergleichsweise
simpel und basiert technologisch auf dem Rasterkraftmikroskop.
Herzstück des Speichersystems sind mikroskalige Kantilever, an deren Ende sich feine beheizbare Siliziumnanospitzen befinden. Beim
Schreibvorgang schmelzen die nanoskaligen Spitzen innerhalb weni-
ger Mikrosekunden winzige Löcher in einen Polymerfilm, die jeweils
einem Bit entsprechen. Jeder der V-förmigen Hebel ist 70 Mikrometer lang und einen halben Mikrometer dünn, während die SiliziumSpitzen jeweils 700 Nanometer lang und im Radius nur 20 Nanometer dünn sind. Dieselben Spitzen werden auch dazu verwendet, die so
erzeugten Löcher wieder nachzuweisen bzw. das Bitmuster wieder
auszulesen. Dazu wird die Spitze in die Nähe des Polymerfilms gebracht und erwärmt. Taucht die Spitze beim Scanvorgang in einen
Bit-Krater, erhöht sich der Wärmeaustausch zwischen ihr und dem
Speichermedium, wodurch der elektrische Widerstand des Kantilevers abnimmt. Um ein Bit wieder zu überschreiben, werden mit der
Spitze auf dem Kraterrand einfach neue Vertiefungen erzeugt, deren
Ränder die alte Vertiefung überlappen und so das Polymer-Material
in Richtung des Kraters drängen. Um die Datenrate, also die Schreibund Lesegeschwindigkeit, zu erhöhen, verwenden die Wissenschaftler nicht einzelne Spitzen, sondern eine ganze parallel arbeitende
Kantilever-Matrix. In den derzeit von IBM getesteten Prototypen
wird eine Matrix aus 64 x 64 Spitzen eingesetzt, wobei jede Spitze in
einer ihm zugeordneten rund 100 mal 100 Mikrometer kleinen Zelle
schreibt und liest.
Neben der hohen Speicherdichte besteht ein weiterer Vorteil der Milllipede-Technologie in der begrenzten Zahl beweglicher Komponenten. Während sich beispielsweise bei Festplatten der Schreib- und Lesekopf sowie das Speichermedium bewegen und damit eine
vergleichsweise hohe Empfindlichkeit gegenüber Schlag- und Stoßbelastungen aufweisen, wird beim Millipede-Speicher nur das Medium bewegt. Die Bestimmung und Ausrichtung der Kantilervermatrix
erfolgt dabei über einen Mikroscanner, der mit einer Genauigkeit von
bis zu zwei Nanometern positioniert werden kann. Im Zuge der Realisierung eines serienreifen Systems arbeiten die Forscher von IBM
zurzeit verstärkt an der Integration der nanomechanischen Elemente
und der Elektronik auf einem Chip. Dabei soll der Millipede-Speicher
preisgünstig über etablierte mikrotechnische Methoden gefertigt werden. Das Hauptanwendungsfeld des robusten thermomechanischen
Speichers wird in der mobilen Elektronik gesehen, wobei der Millipede-Speicher sich mit seiner spezifischen Kosten-pro-Speichereinheit-Struktur genau in der Lücke zwischen Flash-Speicher- und
(Micro-)Festplatten-Technologie positionieren könnte.
53
54
Abb. 21:
•
Optischer
Modulator für den
Datentransfer
auf der Basis von
Halbleiterquantenstrukturen
Nanomechanischer Millipede-Speicher (Quelle: IBM Zurich Research Laboratory)
Amerikanische Forscher haben auf der Basis von Halbleiterquantenstrukturen optische Modulatoren entwickelt, die die Datenleitung durch Glasfaserkabel um ein Vielfaches beschleunigen könnte.
Dazu wird das Reflexionsverhalten von nahem Infrarotlicht bei einer
nanometerkleinen Halbleiterstruktur mit Strahlung im Terahertzbereich gezielt verändert. Herzstück des optischen Schalters, der in Zusammenarbeit mit dem Center for Nanotechnology am NASA Ames
Research Center entstand, ist eine Quantenstruktur aus zehn Lagen
des Verbindungshalbleiters Indiumgalliumarsenid. Jede einzelne dieser Schichten ist nur rund ein Zehntel Nanometer dick. Für das Schalten von Informationen wird die veränderliche Reflektivität dieses
Moduls bei nahem Infrarotlicht (850 nm Wellenlänge) einer Laserdiode genutzt. Während diese Lichtmodulation bisher mit elektrooptischen Methoden mit einer Geschwindigkeit von weniger als 100 Gigahertz verlaufen ist, erreichten die Forscher bei ihrem Experiment
Raten von einigen Terahertz.
Der wesentliche Schlüssel zur Beschleunigung des Transfers ist die
von einem Freien-Elektronen-Laser erzeugte Terahertz-Strahlung.
Durch die elektromagnetischen Wellen (1,5 und 3,9 THz), die auf die
Halbleiterstruktur geleitet werden, wird das Reflexionsverhalten des
optischen Moduls für nahe Infrarotstrahlung verändert. Auf diese
Weise wird eine neue Art der Kreuzmodulation ermöglicht, bei der
die Absorption eines Lichtstrahls durch eine zweite elektromagnetische Strahlung an- bzw. ausgeschaltet werden kann. Der optische
Schalter reagiert weitaus schneller als heutige Modulatoren, die noch
durch kurze zusätzliche Spannungspulse kontrolliert werden müssen.
Bis wann dieser Ansatz jedoch in die Entwicklung eines optischen
Modulators für den Datentransfer in Glasfaserkabeln einfließen kann,
ist derzeit noch unklar, da neben dem eigentlichen Modul auch eine
günstige Quelle für die Terahertz-Strahlung benötigt wird. Neben der
auch für sicherheitstechnische Anwendungen relevanten Beschleunigung des Datentransfers eröffnen sich durch die Steuerbarkeit des
Absorptionsverhaltens auch neue Optionen für die Entwicklung von
Quanteninformationssystemen.
Daten
Nanotechnologie
Nanosec
Technologischer
Bedarf:
- abhörsichere und
schnelle Datentransfertechnologien auf
optischer oder
drahtloser Basis
- EMI/EMP-Abschirmung von IuK-Elektronik in sicherheitskritischen Systemen
- einfach handhabbare
Ver- und Entschlüsselungssysteme für
Hochsicherheitskryptographieanwendungen
- verbesserte elektronische Authentifizierungskonzepte und
Verschlüsselungschips
- Langzeitspeichertechnologie mit
energiesparendem
Schreib-/ Lesemechanismus zur Daten- und
Dokumentensicherung
Technologische
- Datenübertragungsrate
(> 2,5 GBit/s (optisch)
bzw. > 10 MBit/s)
- Speicherkapazität
(1 Tbit/in²)
- Verschlüsselungsrate
(> 1 MBit/s)
- Abschirmungseffizienz
(> 50 dB)
- Reichweite quantenkryptographischer
Schlüsselsysteme (>
100 km)
Nanosec-Profil Daten
- kompakte und
preisgünstige EinPhotonen-Detektoren und integrationsfähige EinPhotonen-Lasersysteme für quantenkryptographische
Anwendungen
- optoelektronische
Systeme (Modulatoren bzw. Router)
zur Beschleunigung
optischer Datenleitungen
- optische bzw. ferroelektrische 3D-Langzeitspeichersysteme
oder thermomechanischer Nanospeicher mit hoher Speicherdichte
- flexible, korrosionsund temperaturbeständige EMI/EMPSchutzschichtsysteme
Nanotechnologischer
Beitrag
- Ein-PhotonenQuellen auf Quantenpunktbasis
- Photodioden auf der
Basis halbleitertechnischer Waferschichten
- nanostrukturierte
interferenzoptische
Beschichtungen
- antistatische CNTPolymerkomposite
- Magnetopolymere
Kompositmaterialien
mit ferromagnetischen Nanopartikeln
- photochrome
Nanokomposite
- photonische Kristalle
mit nicht-linearen
ferroelektrischen
Eigenschaften
- AFM-basierte
Millipede-Technologie auf der Basis
beheizbarer SiliziumNanospitzen
55
56
3.4
F&E-Schwerpunkte einer auf
den Schutz von
Personen ausgerichteten Sicherheitsforschung
sind auf dem
Gebiet des Zivilund Katastrophenschutzes
sowie der Grenzund Transportsicherheit zu
finden
Metall- und Spurendetektoren
Zugangs- und
Identifikationssysteme
Zielrichtung:
Schutz vor biologischen, chemischen sowie anderen gefährlichen
Stoffen und verbesserte Detektion von CBRNEWaffen durch den
Einsatz neuartiger Sensoriken
Personen
Der Schutz der zivilen Bevölkerung vor terroristischen Anschlägen, den
unterschiedlichen Formen organisierter Kriminalität sowie den Auswirkungen naturbedingter Katastrophen ist ein Leitthema internationaler
Sicherheitsforschungsprogramme und stellt eine zentrale Motivation sicherheitspolitischer Initiativen dar. Seitens der EU und der USA werden
zwischenzeitlich große Anstrengungen unternommen, das verbreiterte
Spektrum sicherheitstechnischer Aufgabenstellungen mit den individuellen Sicherheitsbedürfnissen der Bevölkerung in Deckung zu bringen. Die
F&E-Schwerpunkte einer auf den Schutz bzw. die Kontrolle von Personen ausgerichteten Sicherheitsforschung sind auf dem Gebiet des Zivilund Katastrophenschutzes sowie der Grenz- und Transportsicherheit zu
finden, wobei z. B. im Bereich autarker, personengebundener Schutzsysteme auch technologische Beiträge aus der militärischen Forschung einfließen (Stichwort: „Soldat der Zukunft“). Die Forschungsaktivitäten
lassen sich im Wesentlichen den Bereichen materialbasierter Schutzsysteme, der Überwachung (Sensorik), der Informationsgewinnung sowie
der interoperablen Datenweitergabe und -fusion zuordnen. Dabei gilt es
durch den Einsatz modernster Technologien auf die in allen zivilen und
staatlichen Sektoren wachsenden Sicherheitsherausforderungen zu reagieren, ohne gleichzeitig elementare Bürgerrechte zu beschneiden bzw.
zusätzliche Ängste vor einer unbegrenzten staatlichen Überwachung zu
schüren. Ein wichtiges Vorhaben in diesem Zusammenhang ist die Vereinfachung und Effizienzsteigerung von Sicherheitschecks bei Personen
oder Transportgütern, z. B. über verbesserte Wärmebildkameras, integrierten Sensorsystemen oder neuartigen Metall- und Spurendetektoren.
Gerade der gestiegene Bedarf nach schnellen und leistungsfähigen Zugangs- und Identifikationssystemen (Stichwort:e: biometrische Datenerfassung, Embedded Intelligent Systems) bietet hier die Möglichkeit, vielfältige technologische Ansätze aufzugreifen und in unterschiedliche
sicherheitstechnische Anwendungsbereiche zu führen. Das Spektrum der
Anwendungsoptionen reicht dabei von elektronischen Sicherheitskontrollen von Personen und Gütern im Flug- wie im Schienenverkehr (Stichwort: biometrisches Ticket), der Realisierung automatischer Zutrittskontrollen in öffentlichen Gebäuden oder in Unternehmen bis hin zum
personalisierten Schutz von wertvollen Konsumgütern, Computern oder
Privatgebäuden auf der Basis biometrischer Systeme.
Neben der Schaffung effizienter und lückenloser Kontroll- und Überwachungsstrukturen verfolgen zahlreiche internationale Forschungsvorhaben die Zielrichtung, den Schutz vor biologischen, chemischen sowie
anderen gefährlichen Stoffen zu erhöhen und die Detektion von CBRNWaffen, Sprengstoffen, Minen und Kampfmitteln durch den Einsatz neuartiger Sensoriken zu verbessern. Beim Übergang von dem in Kapitel 2
definierten Homeland Security-Kernfeld Schutz zum Kernfeld Reaktion
ist die Abwehr von bioterroristischen Gefahren von herausragender Bedeutung. Wesentliche Beiträge für die Detektion und Bekämpfung biologischer Waffen leistet hierbei die Infektionsforschung, vor allem durch
die Analyse von Pathomechanismen von Erregern und Erregermechanismen im Immunsystem sowie durch die Entwicklung neuer verbesser-
ter Impfstoffe und Therapeutika bzw. schneller und verlässlicher Überwachungssysteme (Biosensoren) zur Detektion biologischer Agenzien.
Darüber hinaus hat der immunmedizinische Forschungsbereich in Verbindung mit der Erforschung des gezielten Transports pharmazeutischer
Wirkstoffe (Drug-Delivery-Systeme) einen wichtigen Anteil an der Weiterentwicklung therapeutischer Maßnahmen nach einer erfolgten chemischen oder radioaktiven Kontamination.
Auf der Grundlage der beschriebenen technologischen Schwerpunkte und
der Breite sicherheitstechnischer Fragestellungen definiert sich das Anwendungsfeld über einen spezifischen Anforderungskatalog, in dem sowohl die „harten“ technologischen Parameter und Rahmenbedingungen
bei der Entwicklung material- oder sensorbasierter Schutzsysteme als
auch sozio-ökonomische oder sicherheitspolitische Faktoren Berücksichtigung finden. Das Anforderungsprofil von Personenkontroll- und Überwachungstechnologien beinhaltet zudem - in Abgrenzung zum Anwendungsfeld technische Anlagen und kritische Infrastrukturen - nicht nur
erhöhte technische Anforderungen an die Fehlerausfallsicherheit, Detektionsempfindlichkeit oder die Reichweite von Kontrollystemen, sondern
schließt auch „weiche“ Faktoren wie die Handhabbarkeit oder elektromagnetische Verträglichkeit entwickelter Sicherheitssysteme mit ein.
Insgesamt fokussieren sich die im folgenden Abschnitt ausgewählten
Anwendungs- und Technologiebeispiele auf drei technologische Schwerpunkte, die unter Einbeziehung der wesentlichen internationalen Sicherheitsforschungstrends im orts- bzw. anwendungsbezogenen Kontext des
Zivil- und Katastrophenschutzes bzw. personengebundener Schutzsysteme stehen. Die Schwerpunktsetzung ist dabei nicht nur von dem nanotechnologischen Suchfeldraster beeinflusst, sondern orientiert sich auch
nach dem Bedarf und den zukünftigen Massenmarktpotenzialen der ausgewählten Technologien in der Sicherheitstechnik:
57
Drug-DeliverySysteme
Anforderungsprofil von Personenkontroll- und
Überwachungstechnologien
1. Biometrische Systeme
z. B. optische Identifizierungssysteme (Fingerabdruck-, Iris- oder
Venenscanner)
2. Personenbezogene Kontroll- und Detektortechnologien
z. B. Metalldetektor-Gates, Sprengstoffdetektorsysteme oder
CBRNE-Sensoren
3. Technische oder intelligente Textilien oder personengebundene
Schutzsysteme
z. B. nanomaterialbasierte Schutzkleidung oder textilbasierte Temperatursensoren
Biometrische Systeme
Die Entwicklung biometrischer Verfahren und Systeme zur positiven
Identifizierung und Authentifizierung von Personen anhand ihrer individuellen körperlichen Merkmale, ist ein wesentlicher Innovationstreiber
und Schlüsselmarkt sicherheitstechnischer Anwendungen. Der Einsatzbereich ist dabei weit gefächert und reicht von der Strafverfolgung, über
Entwicklung biometrischer Verfahren und Systeme ist ein
wesentlicher Innovationstreiber
und Schlüsselmarkt sicherheitstechnischer
Anwendungen
58
Schema
biometrischer
Verfahren
Biometrische
Identifikatoren
in Reisedokumenten
RFID-Chip
Verbesserung der
Techniken zur
Entdeckung
biometrischer
Artefakte
Senkung hoher
Rückweisungsund Falschakzeptanzraten auf
unter einem Prozent notwendig
Grenzkontrollen und Terrorismusfahndung bis hin zu Zutrittskontrollen
zu Hochsicherheitsbereichen oder sicherer Einloggungsmechanismen und
Datenzugriffsregelungen in IT-Systemen. Das Schema biometrischer
Verfahren besteht prinzipiell darin, dass körperspezifische typische Eigenschaften von Personen automatisiert von Sensoren gemessen und
ausgelesen werden, um dann anschließend mit vorhandenen Referenzwerten von gespeicherten Personen auf Übereinstimmung verglichen zu
werden. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen statischen Verfahren,
die sich mit der Auswertung physiologischer Merkmale beschäftigt (z. B.
Gesicht, Fingerabdruck, Handgeometrie, Venen-Scan oder Iriserkennung) und dynamischen Verfahren, die sich mit verhaltenstypischen
Merkmalen bzw. Mustern auseinandersetzen (z. B. Spracherkennung,
Unterschriftenerkennung oder Lippenbewegung). Im Gegensatz zu herkömmlichen problematischen Sicherheitstechnologien wie z. B. magnetischer ID-Karten, elektronischer PINs oder Passworte kann so eine Personenidentifizierung anhand eindeutiger körperlicher Sicherheitsmerkmale
mit einer gleichzeitigen Authentifizierung verbunden werden.
Internationaler Schwerpunkt sicherheitstechnischer Anwendungsoptionen
von biometrischen Verfahren ist die Einführung sicherer biometrischer
Reisedokumente, die als ein Schlüssel zur wirksameren Bekämpfung von
organisiertem Verbrechen und illegaler Einwanderung angesehen wird.
So haben die USA direkt nach den Terroranschlägen vom 11. September
2001 damit begonnen, auf die Aufnahme biometrischer Identifikatoren in
Reisedokumenten zu drängen und auf EU-Ebene werden ab 2005 in den
EU-Mitgliedstaaten schrittweise neue biometrische Pässe ausgestellt - in
Deutschland ist November 2005 der so genannte ePass eingeführt worden. Des Weiteren wird die Einbindung biometrischer Daten in Visa und
Aufenthaltstitel für Drittstaatenangehörige diskutiert. Zur Identifizierung
des Passinhabers wird in dem biometrischen Reisepass in einem ersten
Schritt das digitale Gesichtsbild auf einem RFID-Chip gespeichert werden, dem in einer späteren Phase zusätzlich zwei Fingerabdrücke und ein
Iris-Scan des Passbesitzers folgen sollen.
Obwohl die Biometrik auch auf dem privaten Sektor seit Ende der neunziger Jahre zunehmend wirksame Lösungen zur Sicherung des Zugangs
zu Gebäuden und Wohnungen, Computern und Netzwerken anbietet,
müssen jedoch noch erhebliche Anstrengungen unternommen werden,
um die Leistungsfähigkeit, Handhabungsfreundlichkeit und Konfigurationsbreite biometrischer Anwendungen zu steigern. Optimierungsmöglichkeiten sind beispielsweise durch eine Verbesserung der Techniken
zur Entdeckung biometrischer Artefakte (wie falsche Finger, falsche Iris
usw.) oder einen Ausbau der Überwachung durch Fernidentifikationstechnologien gegeben. Insbesondere bei den komplexeren Systemen zur
Gesichts- oder Iriserkennung sind noch wesentliche Fortschritte bei der
Robustheit des Gesamtsystems und der Erkennungsleistung notwendig,
um die juristischen und datenschutztechnischen Vorgaben zu erfüllen
und die noch hohen Rückweisungs- und Falschakzeptanzraten auf unter
einem Prozent zu senken. Als eine mögliche systemtechnische Lösung
wird dabei unter anderem der Verschmelzung unterschiedlicher biometrischer Verfahren zu einem multimodalen Verfahren angesehen, bei der
durch die kombinierte parallele Auswertung einzelner biometrischer
Merkmale die Gesamtleistungsfähigkeit des Systems gesteigert wird.
Im Hinblick auf die kontinuierliche Weiterentwicklung, Interoperabilität
und Integration einzelner biometrischer Sensortypen werden nanotechnologische Beiträge sowohl bei der Verbesserung von Sensormaterialien
und der Realisierung preisgünstiger Massenherstellungsverfahren als
auch bei der Suche nach neuen biometrischen Sensortechnologien, wie
z. B. automatisierter DNA-Analyse-Chips, eine maßgebliche Rolle spielen. Dazu zählt die Entwicklung neuer optischer Fingerabdrucksensoren
auf der Basis polymerer Dünnschichttransistoren, die Entwicklung miniaturisierter IR-Quellen (z. B. für den Einsatz in Venen-Scannern oder die
materialtechnische Realisierung robuster Sensoroberflächen, integrationsfähiger LEDs oder optoelektronischer Bauelemente als Bestandteil
der Registrierung und biometrischen Mustererkennung über CCDKameras oder CMOS-Bildsensoren). Die Fortschritte bei der Entwicklung nanostrukturierter Materialsysteme zur Herstellung aktorischer und
sensorischer Komponenten schaffen zudem die Grundlage für eine zukünftig vorstellbare Zusammenführung informationstechnischer Schnittstellenkomponenten, autarker Energieversorgung und biometrischer Sensorik in mobile oder tragbare Biometriesysteme, die z. B. in WearableElectronic-Produkten zur Verifizierung individueller biometrischer Daten
oder als Authentifizierungselemente in alltäglichen Consumerprodukten
implementiert werden können.
Ein Beispiel für den möglichen Einfluss nanotechnologischer Ansätze bei
der Entwicklung biometrischer DNA-Profiling-Systeme ist eine am Institut für Physikalische Hochtechnologie in Jena vorgestellte Methode zur
optischen Detektion molekularer Interaktionen auf DNA-Chips. Zu diesem Zweck wurden aus mikroskopischen Anwendungen bereits bekannte
Nanopartikel-Markierungstechnologien für die DNA-Chip-Detektion
adaptiert. Dabei wurden DNA-Moleküle mit kolloidalen bzw. silberbeschichteten Goldnanopartikeln markiert und anschließend mit Hilfe reflektiver bzw. transmissiver Methoden deren spezifische Bindung an einem komplementären, auf einer mikrostrukturierten Glassubstratoberfläche immobilisierten DNA-Array detektiert. Über entsprechende
Reihenversuche mit beschichteten und unbeschichteten Goldnanopartikeln und dem Einsatz unterschiedlicher Technologien zum Auslesen der
markierten Nanopartikel konnten die Forscher prinzipiell belegen, dass
bereits ein kostengünstiger Flachbett-Scanner mit einer Auflösung von
20-70 μm pro Pixel ausreicht um die Bindung der markierten Zielmoleküle auf dem mikrostrukturierten Array nachzuweisen. Darüber hinaus
erwies sich die Modifizierung der Goldnanopartikel mit einer zusätzlichen Silberschicht als eine einfache und sinnvolle Möglichkeit, die dynamische Reichweite der optischen Detektionsmethode auszuweiten. In
weiteren Versuchen und Entwicklungsschritten gilt es nun das Detektionsverfahren in DNA-Chip-Architekturen einzubinden sowie empfindlichere und integrationsfähige Komponenten zum Auslesen der spezifischen DNA-Markierungsmuster zu entwickeln.
59
Multimodale
biometrische
Verfahren
Im Hinblick auf
die kontinuierliche Weiterentwicklung, Interoperabilität und
Integration einzelner biometrischer Sensortypen werden
nanotechnologische Beiträge
eine maßgebliche
Rolle spielen.
Optische
Detektion
molekularer
Interaktionen auf
einem DNA-Chip
60
Abb. 22:
Schema einer nanopartikel-basierten Markierung zur Detektion
molekularer Interaktionen a) Markierung der Zielmoleküle mit
kolloidalen Goldpartikeln und Array mit zu den Zielmolekülen
komplementären Fängermolekülen auf einem Glassubstrat b) Bindung der Zielmoleküle an die komplementären Fängermoleküle
der Substratschicht nach der Inkubation kolloidaler Goldnanopartikel c) Modifizierung der Partikel durch selektives Aufwachsen
einer Silberschicht d) Perspektivisches Schema der Substratschicht
und optische Detektion im reflektiven oder transmissiven Modus
zur Lokalisierung der Nanopartikel-Bindung (Quelle: Fritzsche
2002)
•
Biometriesensor
auf der Basis
druckbarer
organischer
Halbleitersensortechnologie
Jüngstes Anwendungsbeispiel nanotechnologischer Beiträge bei der
Entwicklung biometrischer Sensoren der nächsten Generation, ist die
von der österreichischen Firma Nanoident Technologies vorgestellte
organische Halbleitersensortechnologie, mit der Mitte 2005 erstmals
die Herstellung eines photonischen Sensors auf der Basis eines polymerelektronischen Systems gelang. Gegenüber den siliziumbasierten
Sensortechnologie fallen dabei zwei entscheidende Vorteile der organischen Halbleiter ins Auge: drastisch vereinfachte, auf Drucktechnologie basierende Herstellungsprozesse mit entsprechend günstigeren
Stückkosten und verbesserte Leistungsmerkmale, die neue Maßstäbe
in Bezug auf Flexibilität, Leistung und Kombinierbarkeit unterschiedlicher materieller und optischer Eigenschaften setzen. Der
prinzipielle Aufbau der so herstellbaren organischen Photodiodenarrays bzw. OLEDs besteht aus einer flexiblen PET-Substratfolie, die
mit ultradünnen Lagen mikrostrukturierter Elektroden und dem photoaktiven Halbleiter beschichtet wird, wobei die spektrale Empfindlichkeit der organischen Photodioden durch die Modifizierung des
konjugierten photoaktiven Polymers eingestellt werden kann.
Auf der Basis der photonischen Sensorplattform lassen sich zukünftig
multimodale Biometriesensoren realisieren, die eine simultane und
sichere Erfassung von Fingerabdrücken, personenspezifischer Hauteigenschaften sowie individueller Venenparameter für eine automatische Verifizierung von Personenidentitäten ermöglichen (Abb. 23).
Derzeitige Standardversionen des Sensors für biometrische Zugangssysteme basieren auf dünnen Glassubstraten, jedoch liegen aufgrund
61
der niedrigen Produktions- und Integrationskosten weitere Einsatzbereiche der flexiblen Fingerprintsensoren in Smart CardAnwendungen, USB-Sticks oder Telekommunikationsprodukten wie
Handys oder PDAs.
Abb. 23:
•
Architektur des Biometriesensors von Nanoident (Quelle: Nanoident Technologies AG)
Vor dem Hintergrund der Realisierung einer schnellen und hochempfindlichen DNA-Sensorik, die in der medizinischen Diagnostik aber
auch beim biometrischen Profiling eingesetzt werden kann, hat vor
kurzem eine amerikanische Forschungsgruppe der John Hopkins
University ein neues DNA-Detektionssystem auf der Basis eines ultrasensitiven FRET(Fluoreszenz Resonanz Energie Transfer)Nanosensors vorgestellt (Abb.24). Der von den Forschern entwickelte
und für die Detektion kleinster DNA-Mengen geeignete Nanosensor
setzt sich aus einzelnen, mit dem DNA-Linker Streptavidin markierten Quantenpunkten (CdSe–ZnS Nanokristallen) und farbstoffmarkierten DNA-Sondenmolekülen zusammen, die als Fänger für die
DNA-Zielmoleküle und FRET-aktives Donor-Akzeptor-Ensemble
fungieren. Beim Detektionsvorgang werden die DNA-Zielmoleküle
an ein markiertes DNA-Reporter-Sondenmolekül gebunden, die
durch die Verbindung mit einem als Fängersonde eingesetzten ebenfalls farbstoffmarkierten DNA-Abschnitt den angesprochenen DonorAkzeptor-Hybridkomplex bildet. Durch die Bindung des zu detektierenden Zielkomplexes an einen streptavidinbeschichteten Quantenpunkt wird nicht nur die Fluoreszenzaktivität erhöht, sondern es wird
zusätzlich durch die Zusammenführung mehrerer Zielkomplexe in einem nanoskaligen Konzentrationspunkt auch das Detektionssignal
verstärkt. Während die ungebundenen Nanosensoren nahezu keine
Fluoreszenzaktivität aufweisen, reicht schon die Anwesenheit weniger DNA-Hybridkomplexe aus, um ein sehr eindeutiges FRET-Signal
zu erzeugen. Die Methode weist gegenüber konventionellen so genannten FRET-Zielsonden Assays, die durch den zusätzlichen Einsatz konfokaler Fluoreszenzspektrospie detektiert werden müssen, eine 100 Mal höhere Detektionsempfindlichkeit auf, so dass der
Nanosensor eine Detektion einzelner molekularer Bindungen und intermolekularer Wechselwirkungen in Echtzeit erlaubt. Zusätzlich ist
es durch entsprechende Veränderung der Sondenmoleküle und der
DNADetektionssystem
auf der Basis
eines ultrasensitiven FRETNanosensors
62
Modulierung der Quantenpunktemission auch möglich, den Nanosensor für die Detektion anderer Biomoleküle wie Proteine oder Peptide
zu modifizieren. Langfristig hoffen die Forscher Sensor-Arrays mit
hoher Detektionskapazität entwickeln zu können, auf dem durch die
Zusammenführung selektiver Nanosensoren eine Multiplex-Analyse
unterschiedlicher Biomoleküle in Echtzeit realisiert werden kann.
Abb. 24:
a) Konzeptionelles Schema der Nanosensor-Anordnung bei Anwe
senheit von Zielmolekülen b) Fluoreszenz Emission des Carbocyanin-Markers Cy5 nach Belichtung des Quantenpunkts verursacht
durch einen FRET zwischen Cy5-Akzeptoren und dem Quantenpunkt-Donor innerhalb der Nanosensor-Anordnung c) Experimenteller Aufbau zur Überprüfung der Nanosensor-Funktionalität und
Detektionsempfindlichkeit (Quelle: Zhang 2005)
Personenbezogene Kontroll- und Detektortechnologien
Der Schutz der Bevölkerung vor terroristischen Bedrohungsszenarien,
einer zunehmenden organisierten Kriminalität und den flächendeckenden
Auswirkungen naturbedingter Katastrophen, ist angesichts des weltweit
hohen Stellenwerts sicherheitsstrategischer Fragen und gestiegener individueller Sicherheitsbedürfnisse als zentrale Herausforderung in das
Blickfeld nationaler Regierungen und transnationaler Einrichtungen
(z. B. EU-Kommission, NATO oder OECD) gerückt. Dabei weist der
personenbezogene Schutz einzelner Bevölkerungsteile oder Individuen
spezifische sicherheitstechnische Facetten auf, die in den Übergängen der
Homeland Security-Kernfelder Detektion, Prävention, Schutz und Reaktion zu unterschiedlichen Aufgabenstellungen und zu einer fortschreitenden Diversifizierung technologischer Lösungen in den Bereichen Sensorik und Überwachung geführt haben. Das wird am deutlichsten sichtbar
auf dem wichtigen Innovationsfeld sicherheitstechnischer Sensorik für
die Detektion chemischer, biologischer und nuklearer Waffen oder Explosivstoffe. Das Einsatzgebiet von CBRNE-Sensoren zum Schutz der
Zivilbevölkerung oder militärischen Personals wird je nach Art des zu
detektierenden Kampf- oder Explosivstoffes und den örtlichen Gegebenheiten eines Angriffes in einem Sicherheitssystem von drei grundlegenden und komplementären Aufgaben bestimmt:
•
Detektion der Anwesenheit von Kampfstoffen vor einem bevorstehenden Angriff
•
Detektion der Kampfstoffe während eines Angriffes oder bevor physiologische Symptome erkennbar werden
•
Analyse und Abschätzung der Ausmaße eines Angriffes oder epidemischen Ausbruches, so dass zuständige Behörden oder Organisationen reagieren und entsprechende Gegenmaßnahmen einleiten können.
Die aus dem Aufgabenprofil resultierenden orts- und anwendungsbezogenen Einsatzparameter spiegeln die Bandbreite sicherheitstechnischer
Anforderungen wider, die die eingesetzten Sensortechnologien auf diesem Anwendungsfeld abdecken müssen. Die Entwicklung sowie der
notwendige Integrations- und Autonomiegrad der Sensoren hängt dabei
wesentlich vom Gefahrenpotenzial und Expositionsfaktor des zu detektierenden Kampfstoffes ab. Der Einsatz von Echtzeit-Monitoringsystemen mit einer zeitnahen Identifikation hoher Toxingehalte ist immer
dann zwingend erforderlich, wenn sich hohe Verbreitungsgeschwindigkeiten der eingesetzten Kampfstoffe mit einer hohen letalen Wirkung
verbinden. Hingegen kann bei einer langsameren Ausbreitung von
Kampfstoffen oder anderen Auswirkungen von Massenvernichtungswaffen häufig auf langsamere und zumeist preiswertere Detektorsysteme
zurückgegriffen werden. Somit lässt sich für jede Waffe bzw. jeden
Kampfstoff ein „kritisches Fenster“ definieren, in der das zur Detektion
notwendige Sensorprofil in direkter Korrelation zu seiner Beitragsleistung für die Ergreifung entsprechender Präventions- und Abwehrmaßnahmen gesetzt wird. Die folgende Abbildung illustriert die unterschiedlichen kritischen Zeitfenster für Sensoren anhand einiger gängiger
CBRNE-Waffen (biologische Waffen in Grün, chemische Waffen in
Blau, Explosivstoffe in Rot, radiologische Waffen in Gelb und nukleare
Waffen in Orange):
63
Aufgabenprofil
von CBRNESensoren zum
Schutz der Zivilbevölkerung oder
militärischen Personals
EchtzeitMonitoringsysteme
Definition
„kritisches Fenster“
64
Abb. 25: Kritische Fenster für CBRNE-Sensoren im Verhältnis zum waffentechnischen Gefahrenpotenzial (Civitas Group Llc.)
Kritisches Fenster
Explosivstoffe
Kritisches Fenster
chemische und
biologische
Kampfstoffe
Unterscheidung
„Detect-toProtect“- und
„Detect-toTreat“-Systeme
Die Architektur eines Sensorsystems, das als Frühwarn- bzw. Überwachungsnetz für den Schutz der zivilen Bevölkerung eingesetzt werden
soll, ist in der Entwicklung also maßgeblich von den kritischen Zeitfenstern abhängig. Wie in Abbildung 25 zu sehen ist, liegt für alle Explosivstoffe das kritische Fenster vor dem Angriff, da zum Zeitpunkt der Explosion das Schadensereignis bereits eingetreten ist. Gleiches gilt für
Waffen, bei denen keine geeigneten Schutzmaßnahmen getroffen werden
können, wie z. B. bei radiologischen oder nuklearen Waffen. Jedoch
kann hier der Sensoreinsatz dazu beitragen, dass z. B. betroffene Wohngebiete schneller identifiziert und evakuiert werden können. Bei anderen
Gattungen mit bekannten oder verfügbaren Schutz- und Gegenmaßnahmen hingegen existiert ein begrenztes Zeitfenster, in der eine zeitnahe
Detektion hilfreich sein kann, nach einem Angriff. Im Falle des Einsatzes
chemischer Kampfstoffe ist das kritische Fenster zwar variabel, aber generell von schmaler Größe, während das Zeitfenster für biologische Waffen normalerweise wesentlich größer ist. Jedoch ist bei der Freisetzung
äußerst ansteckender Pathogene zu berücksichtigen, dass sich bei einer
verzögerten Detektion die Toxine exponentiell verbreiten können, so dass
die frühzeitige Detektion und Identifizierung des angegriffenen Ziels
sowie die Ausmaße des Angriffs über eine rechzeitige Ergreifung von
Evakuierungs- und Schutzmaßnahmen entscheiden kann. Auf der Grundlage dieser Terminologie unterscheidet das Department of Homeland
Security deshalb bei ihren sensorbezogenen Forschungsinitiativen zwischen „Detect-to-Protect“- und „Detect-to-Treat“-Systemen. Erstere Systeme fokussieren sich auf Waffen (chemische Kampfstoffe, Explosivmaterialien), bei der eine Echtzeitdetektion notwendig ist, während letztere
sich auf Biowaffen fokussieren, die zwar in Konzentration und Ausbreitung zumeist schwieriger zu detektieren sind, jedoch aufgrund des verzögerten Auftretens potenzieller Auswirkungen keine Echtzeitdetektion
gewährleistet werden muss.
Als Ergebnis der Diversität technischer und anwendungsspezifischer Anforderungen, wird bei der Realisierung entsprechender Überwachungsplattformen ein großes Spektrum unterschiedlichster Detektortechnologien eingesetzt. Herkömmliche Technologien für die Detektion
chemischer Waffen basieren z. B. auf Ionen-Mobilitäts-Spektrometrie
oder SAW(Surface Acoustical Wave)-Sensoren, während für die Detektion biologischer Kampfstoffe vor allem DNA- bzw. RNA-basierte Sensoren, Immunoassays (z. B. ELISAs - Enzyme-Linked Immunosorbent
Assays) oder LIDAR-Systeme zum Einsatz kommen können. Bei der
Detektion von Explosivstoffen werden hingegen vorwiegend massenspektrometrische, optische oder biologische Spurendetektoren oder
Spürhunde verwendet. Weitere wichtige verwendete Detektortypen basieren auf IR- bzw. Ramanspektroskopische oder elektrochemische Sensorplattformen oder - z. B. für die Detektion radioisotopischer Spuren auf röntgentechnologischen Systemen.
Die heutige Forschung auf dem Sektor sensortechnologischer Lösungen
hat das Potenzial, diesem sicherheitstechnischen Anforderungsprofil gerecht zu werden und CBRNE-Sensoren zu entwickeln, die eine hohe
Langlebigkeit und Robustheit mit einem breiten Einsatzspektrum in unterschiedlichen Umgebungen verbinden. Wesentliche operative Herausforderungen sind die Entwicklung remotefähiger Stand-Off-Detektoren
sowie mobiler oder tragbarer Detektorsysteme, z. B. für den Einsatz in
Warnsystemen gegen Selbstmordattentate oder als Teil eines BioMonitoringsystems. Ein weiterer zentraler Punkt bei der Entwicklung
und Realisierung personenbezogener Überwachungs- und Detektortechnologien ist die gefahrlose Anwendbarkeit leistungsfähigerer Detektorund Überwachungstechnologien beim Einsatz in bewohnten Gebieten
oder bei direkten Personenüberprüfungen zu gewährleisten. Das gilt sowohl für mögliche gesundheitsschädliche Auswirkungen, z. B. bei mikrowellen- oder röntgenbasierten Durchleuchtungssystemen, als auch bezüglich datenschutzrechtlicher Implikationen.
Vor dem Hintergrund der beschriebenen technologischen und anwendungsspezifischen Diversität personenbezogener Kontroll- und Detektorsysteme sind wichtige nanotechnologische Beiträge bei der Entwicklung
sensorischer Schichten oder neuartiger Marker zur selektiven Detektion
von Toxinen oder Pathogenen sowie bei der Zusammenführung von Sensormodulen mit Energieversorgungskomponenten bzw. Kommunikationsschnittstellen in mobilen Detektorsystemen zu erwarten. Bereits heute
wird die Entwicklung autonomer Sensorkonzepte wie der Smart Dustoder eGrain-Technologie sowie multimodaler Analysesysteme maßgeblich von der Nanotechnologie beeinflusst und markiert erste Schritte auf
dem Weg zur Realisierung preisgünstig herstellbarer Nanosensoren auf
Sensor- bzw. Lab-on-Chip-Basis.
Ein Beispiel für die Bandbreite sicherheitstechnisch relevanter Bio- bzw.
Immunosensorentwicklung ist die am Fraunhofer ISIT zusammen mit
dem FHG-Spin-Off eBiochip Systems und der Firma Diehl zur Produktreife geführte elektrische Biochip-Technologie, die sich unter anderem
für die automatisierte und schnelle Detektion proteinartiger Toxine und
pathogener Bakterien eignet. Der elektrochemische Biochip besteht aus
einzelnen Siliziumsensoren, die an 16 Positionen mit interdigital verbundenen Goldelektrodenstrukturen angeordnet sind. Die pathogenen Toxine
werden dabei mittels der so genannten Sandwich-ELISA-Methode (Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay) und einem anschließend folgenden
elektrochemischen Detektionsschritt nachgewiesen. Dazu werden bei der
65
Spektrum
eingesetzter
Detektortechnologien
Wesentliche operative Herausforderungen sind die
Entwicklung remotefähiger StandOff-Detektoren
sowie mobiler
oder tragbarer
Detektorsysteme
bei der Entwicklung sensorischer
Schichten oder
Sensormodule
Elektrische Biochip-Technologie,
für die automatisierte Detektion
proteinartiger
Toxine und
pathogener
Bakterien
66
Fertigung des elektrischen Biochips die für die Detektion zuständigen
Fängerantikörper durch einen so genannten piezoelektrischen Nanospotter über eine Thiolfunktion mit der Goldelektrodenoberfläche verbunden.
Bei der eigentlichen Bestimmung des Analytes durch das SandwichELISA werden die Zielmoleküle letztendlich in detektierbare elektroaktive Produkte umgewandelt. Durch die ausgelöste elektrochemische Redoxreaktion wird anschließend ein verstärkter elektrischer Strom generiert, der direkt mit der Konzentration des Zielanalytes in der Probe
korreliert. Bei Versuchsreihen mit dem B-waffentauglichen Toxin SEB
(Staphylokokken Enterotoxin B) wurden bei einem kompletten Messzyklus von unter 30 Minuten inklusive aller Wasch- und Konditionierungsschritte Nachweisgrenzen von 0,3 ng/ml erreicht. Die Vorteile des Systems liegen in der parallelen Multianalyt-Detektion und der
Integrationsfähigkeit in CMOS-Systemen. Mit der dargestellten Multianalytfunktion und den Integrationsmöglichkeiten bietet die elektrische
Biochiptechnologie somit einen möglichen technologischen Plattformansatz für Sensornetzwerke zur zukünftigen Realisierung einer Echtzeitdetektion biologischer Kampfstoffe.
Abb. 26: Konstruktionsschema und 16-Positionen Sensorfeld-Chip (Quelle: eBiochip
Systems GmbH)
•
Kapazitiver
Gassensor auf der
Basis einwandiger
Kohlenstoffnanoröhren
Forscher vom Naval Research Laboratory haben einen kapazitiven
Gassensor auf der Basis einwandiger Kohlenstoffnanoröhren
(SWCNTs) entwickelt, mit dem unter anderem das Nervengas Sarin
mit hoher Sensitivität detektiert werden kann. Das zur Messung der
geringen kapazitiven Änderungen beim Andocken der Gasmoleküle
notwendige empfindliche Sensormodul wurde über ein CVDVerfahren realisiert, bei der ein zweidimensionales Netzwerk aus
SWCNTs auf einen 250 nm dicken, dotiertem und mit einer Oxidationsschicht versehenen Siliziumchip aufgebracht wurde. Um eine Selektivität des Sensors gegenüber bestimmten VOCs (Volatile Organic
Compounds) zu gewährleisten, wurden die Nanoröhren mit ultradünnen Lagen chemoselektiver Polymere beschichtet. Für die simultane
Messung der Kapazität (entlang der oxidierten Oberfläche des Siliziumsubstrats) und des Widerstandes der Nanoröhren wurde auf dem
SWCNT-Netzwerk ein kammartig vernetztes Elektrodenfeld aus Palladium aufgesetzt. Die Forscher überprüften mit über 20 verschiede-
67
nen VOCs die Empfindlichkeit des Sensors, wobei je nach Polarität
der Moleküle die Kapazitätsänderungen und somit die Sensitivität des
Moduls noch Messschwankungen aufwies. Für den überwiegenden
Teil der Komponenten sind jedoch Nachweisgrenzen bis in den ppmBereich registriert worden. Die Vorteile des Sensorchips liegen in der
Reversibilität der Sensorschicht und der kurzen Detektionsansprechzeit von 4 Sekunden vom Andockprozess des Gasmoleküls bis zum
Nachweissignal. Bei Tests mit Dimethylmethylphosphonat (DMMP),
einer mit dem Nervengas Sarin vergleichbaren Verbindung, zeigte
der Sensor gegenüber kommerziellen Chemosensoren eine viermal
höhere Empfindlichkeit und achtmal kürzere Regenerationszeit. In
der Folgezeit soll, auch im Hinblick auf die Einsatzfähigkeit des Nanosensors in „Detect-to-Protect“-Systemen, vor allem die multisensorische Kapazität und Empfindlichkeit des Sensorsystems um den Faktor 10 gesteigert werden.
•
An der Harvard University wird in der Arbeitsgruppe von Prof. C. M.
Lieber an der Entwicklung eines hochempfindlichen Echtzeitdetektionssystems für Einzelviruspartikel auf der Basis von SiliziumNanodraht-Feldeffekttransistoren gearbeitet. Dazu sind in einem ersten Schritt über ein CVD-Verfahren - mit 20 nm-Gold-Nanoclustern
als Katalysatoren, Silan als Reaktant und Diboran als p-Dotierungsmittel - Silizium-Nanodrähte erzeugt und anschließend photolithographisch mit Nickelmetallkontakten zu FET-Sensorfeldern verbunden worden, wobei die metallischen Kontakte der Nanodrähte
durch eine 50 nm dicke Si3N4 Schicht isoliert wurden. In einem weiteren Modifizierungsschritt sind die Nanodrähte mit Rezeptorschichten unterschiedlicher Antikörper versehen worden. Beim Detektionsvorgang kommt es bei der selektiven Bindung von Einzelviren (siehe
Abb.27) mit dem Antikörper-Rezeptor zu einer Änderung der Leitfähigkeit im Nanodraht und einer entsprechenden Signalauslösung. Dabei konnten noch bei einer Konzentration von 50 Viren/μl (Influenzavirus A) scharf aufgelöste Signale erhalten werden. Der Nachweis,
dass die diskrete Leitfähigkeitsänderung wirklich durch die Bindung
bzw. Bindungsauflösung des Einzelvirus verursacht wurde, erbrachte
eine von der Arbeitsgruppe durchgeführte Studie, bei der mit Hilfe
simultaner optischer und elektrischer Messungen die selektive Detektion der Influenzaviren über Fluoreszenzmarkierungen verfolgt werden konnte. Derzeit gelten die weiteren Entwicklungsanstrengungen
insbesondere der Ausweitung des Viren-Detektionsspektrums sowie
der Realisierung langzeitstabiler FET-Sensorprototypen.
Echtzeitdetektionssystem für
Einzelviruspartikel auf der
Basis von
Silizium-Nanodraht-Feldeffekttransistoren
68
Abb. 27:
•
Passiver drahtloser Sensor für
die Detektion
biogefährdender
Materialien und
Dämpfe auf
der Basis
chemoresistiver
Dünnschichten
Schema der Einzelvirusdetektion auf einem Si-Nanodraht-FETSensor und simultane Leitfähigkeits- und Fluoreszenzmessung
zweier Virusbindungs-/ Bindungsauflösungsprozesse (Einzelvirusbindung durch rote Markierungspunkte in der Abbildung gekennzeichnet) (Quelle: Patolsky 2005)
Forscher der Pennsylvania State University und des US Army Aviation and Missile Research, Development and Engineering Center haben kürzlich ein Design eines passiven drahtlosen Sensors für die Detektion biogefährdender Materialien und Dämpfe auf der Basis
chemoresistiver Dünnschichten vorgestellt. Das dazu verwendete Polymer-Kompositschichtsystem besteht aus Polymethylmethacrylat
(PMMA) und funktionalisierten Kohlenstoffnanoröhren (f-CNTs) als
sensorisches Material. Bei der Diffusion organischer Dämpfe konnte
eine konzentrationsbezogene Änderung des Widerstandes in der sensorischen Schicht festgestellt werden, die in direkter Abhängigkeit
von den zwischen den CNTs über Kontaktpunkte tunnelnden Elektronen steht (siehe Abb. 28). Die chemoresistive Sensorschicht ist in
ein passives drahtloses RFID-Detektorsystem integriert, das die durch
das Aufquellen der PMMA/f-CNT-Phase unterschiedlich reflektierten
RF-Signale detektiert. Anhand detaillierter Messungen mit Dichlormethan-Dämpfen konnten die Forscher belegen, dass die für unterschiedliche Gaskonzentrationen nachgewiesenen Phasen- und Widerstandsänderungen dazu geeignet sind, biogefährdende Dämpfe bzw.
chemische Kampfstoffe in Echtzeit zu detektieren. Die passive, batterielos zu betreibende Sensorplattform bietet somit breite sicherheitstechnische Anwendungsoptionen für die Realisierung fernüberwachter Monitoringsysteme für die Online-Analyse umweltgefährdender
Schadstoffe bzw. zur Detektion chemischer Kampfstoffe oder Pestizide.
Abb. 28:
69
Schematisches Diagramm zur Änderung des KontaktstellenWiderstandes zwischen funktionalisierten Kohlenstoff-Nanodrähten in Abhängigkeit von dem Quellgrad der Polymermatrix
(Quelle: Yoon 2006)
Technische oder intelligente Textilien und personengebundene
Schutzsysteme
Die Entwicklung textiler bzw. personengebundener Schutzsysteme zur
Gewährleistung eines besseren Schutzes von Polizei- und Rettungskräften, Feuerwehrleuten oder militärischen Personals vor Massenvernichtungswaffen, Minenexplosionen oder Schusswaffen ist nicht erst mit den
Erfahrungen des 11. September 2001 mit einer Vielzahl sicherheitstechnisch relevanter Herausforderungen verbunden. Neben der Verbesserung
ballistischer Schutzsysteme, Schutzwesten oder feuerfester Bekleidung
bei gleichzeitiger Verringerung des Gewichtes gilt dabei ein Hauptaugenmerk der Entwicklung technischer Textilien mit mikrobioaziden, antiviralen oder sporoziden Eigenschaften. Ein weiteres Ziel ist die Realisierung aktiver Schutzsysteme (z. B. auf der Basis intelligenter
Textilien), die nicht nur passive sicherheitstechnische Schutzfunktionen
wahrnehmen, sondern auch auf der Basis sensorischer oder aktorischer
Eigenschaften als textilintegriertes Monitoringsystem automatisch Reaktionsmaßnahmen (z. B. die Ausbildung einer hitzestabilen Schutzschicht
oder die Verabreichung von Vakzinen) einleiten können. Grundlage für
die Integration von Sensor-Arrays und entsprechender informations- oder
kommunikationstechnischer Funktionselemente ist dabei die Weiterentwicklung elektronischer Textilien („e-textiles“), bei der Schnittstellen,
Energieversorgung und elektronische Komponenten in die Kleidung eingewoben sind. Eine erste denkbare sicherheitstechnische Anwendungsoption dieser textilen Computer- und Sensorplattform, die unter anderem in
zukünftigen militärischen Konzepten im Zusammenhang mit dem „Soldat der Zukunft“ diskutiert werden, sind tragbare Biofeedback- bzw. Monitoringsysteme, die sowohl die Vitalfunktionen des Kleidungsträgers
überwachen als auch die direkte Umgebung nach Kampfstoffen oder radioaktiver Strahlung scannen.
Die Verwirklichung passiver Schutztextilien oder aktiver personengebundener Schutzsysteme erhält bereits heute wesentliche Innovationsim-
Hauptaugenmerk
gilt der Entwicklung technischer
Textilien mit
mikrobioaziden,
antiviralen oder
sporoziden Eigenschaften
Tragbare Biofeedback- bzw.
Monitoringsysteme,
70
zur Verwirklichung passiver
Schutztextilien
oder aktiver
personengebundener
Schutzsysteme
Ultradünnes und
selbstdekontaminierendes
Beschichtungsmaterial
pulse aus der weiter fortschreitenden material- und verfahrenstechnischen
Entwicklung bei der Herstellung von Nanofasern, funktionalen Nanocoatings oder pharmazeutischen Nanopartikeln. Sicherheitstechnische Entwicklungssprünge sind z. B. durch die Verwendung besonders zug- und
stoßfester CNT-Fasern in Schutzwesten oder durch den Einsatz polymerer optischer Nanofasern (POF) bzw. piezoelektrischer Keramikfasern als
textile Sensor- und/oder Aktorsysteme zu erwarten. Weitere nanotechnologische Beiträge mit hoher Relevanz in diesem Anwendungsfeld werden
in der Verwirklichung von Drug Delivery-Systemen auf der Basis von
Lipidnanopartikeln, Dendrimeren, Fullerenen oder anorganischen Nanopartikeln und der Entwicklung chemikalien- oder hitzeresistenter Kleidung mit selbstheilenden Eigenschaften gesehen.
Markantes Beispiel der Entwicklung passiver Schutztextilien mit einem
spezifischen sicherheitstechnischen Fokus ist ein am Naval Research
Laboratory’s (NRL) Center for Bio/Molecular Science and Engineering
in Washington entwickeltes ultradünnes und selbstdekontaminierendes
Beschichtungsmaterial, das aktiv Pestizide und vergleichbare chemikalische Substanzen, wie z. B. Nervengastoxine, zerstören kann. Die Beschichtung besteht aus einem mehrlagigen 500 nm dünnen Kompositfilm, in dem immobilisierte Enzyme in unterschiedlichen Lagen
polykationisch bzw. polyanionisch geladener Polymerschichten eingebettet sind. Die so erhaltenen reaktiven Schichten besitzen eine hohe Stabilität und sind in der Lage, chemische Schad- oder Kampfstoffe über einen
längeren Zeitraum hinweg zu zersetzen. Bei Beschichtungsversuchen mit
natürlichen und künstlichen Textilfasern konnte das enzymkatalysierte
System bei der Kontaminierung entsprechender Gewebeproben mit einer
Pestizidlösung seine große Zersetzungskraft und Robustheit im Vergleich
zu herkömmlichen chemischen Dekontaminierungssystemen unter Beweis stellen (siehe Abb. 29). Derzeit gelten die wesentlichen F&EAnstrengungen der weiteren Stabilitätserhöhung des enzymkatalytischen
Systems sowie der Realisierung geeigneter industrieller Verfahren zur
Beschichtung unterschiedlicher Fasermaterialien und der Massenherstellung entsprechender Schutzbekleidungen.
Abb. 29: von links nach rechts: Ein Baumwollfaden der mit dem enzymkatalytischen
NRL-System beschichtet (A) und in ein Textilgewebe (B) eingewoben worden ist. Nach Kontakt mit einer Pestizid-Lösung zeigt das Gewebe eine
Gelbfärbung (C), die für den vollständig vollzogenen Zersetzungsvorgang
charakteristisch ist (Quelle: Naval Reseach Laboratory)
71
•
Am Nanotech Institute der University of Texas in Dallas ist eine neue
Methode entwickelt worden, um aus MWCNTs ein mehrlagiges reißfestes Garn zu erzeugen, das Garnstärken von über 460 MPa aufweist
und energetische Dämpfungseigenschaften besitzt, die nahe dem für
schusssichere Westen eingesetzten Materialien wie Kevlar liegen.
Dazu werden die einzelnen, auf einem Substrat in einem so genannten „nanotube forest“ gewachsenen MWCNTs (siehe Abb. 30) mechanisch aus dem CNT-Verbund herausgezogen und gleichzeitig zu
einem Garn verdrillt. Gegenüber gewöhnlichen Faserarten und Garnen wird die Stärke der so gewonnenen Nanoröhrengarne nicht durch
Verknotungen geschwächt und ihre Flexibilität und Stärke bleibt
auch nach einstündiger Erhitzung auf 450 °C oder nach dem Eintauchen in flüssigem Stickstoff erhalten. Durch die Infiltration mit polymeren Fasern konnten die mechanischen Eigenschaften zusätzlich
noch verbessert werden, wobei die elektrische Leitfähigkeit der
MWCNT-Fasern vollständig erhalten blieb. Damit eröffnen sich ebenfalls verfahrenstechnische Optionen zur Herstellung elektronischer Textilgewebe, die eine wesentliche Grundlage für die zukünftige Realisierung textilintegrierter Sensorik darstellen. Ein
Hauptaugenmerk weiterer Entwicklungsanstrengungen gilt unter anderem der Realisierung höherer Garnlängen für die industrielle Garnherstellung. Bisher veröffentlichte Garnlängen liegen bei 50 m mit
einem Durchmesser von 2 μm bei einer Herstellungsgeschwindigkeit
von 80.000 Drehungen/m - zum Vergleich: konventionelle Textilfasern mit einem 80 Mal größeren Durchmesser haben eine Herstellungsgeschwindigkeit von 1000 Drehungen/m.
Abb. 30:
•
Methode zur
Erzeugung
mehrlagigen reißfesten Garns aus
MWCNTs
„Twisting“-spinning-Verfahren für MWCNT-Fasern (Quelle:
Zhang 2004)
Wissenschaftler des Hohensteiner Textil-Instituts, des Sächsischen
Textilforschungsinstituts in Chemnitz und des Deutschen Textilforschungszentrums Nord-West in Krefeld haben ein einfaches Verfah-
Strahlungsabsorbierende
Nanomaterialschutzschicht
72
ren entwickelt, mit der eine strahlungsabsorbierende Nanomaterialschutzschicht in Textilien eingearbeitet werden kann. Dazu haben die
Forscher 20 nm große Pigmentpartikel aus Titandioxid in UVabsorbierende Nanoschichten implementiert. Die geringe Größe der
Pigmentpartikel sorgt für ein großes Absorptionspotenzial bei gleichzeitig geringer Lichtstreuung, so dass die Partikelschicht transparent
und der UV-Schutz unsichtbar ist. Das System, bei dem das Titandioxid als stabilisierte wässrige Nanodispersion auf die Textilien aufgetragen wird, ist industriell einfach herstellbar und hat bereits die ersten Tests erfolgreich bestanden.
•
Produktionsmethode zur
Herstellung
magnetischer
Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) mit
Anwendungsoptionen im
Bereich Wearable
Electronis oder
Drug DeliverySysteme
Forscher der Drexel University in Philadelphia und vom Textile Research Institute in Princeton haben eine einfache und vielseitige Produktionsmethode zur Herstellung magnetischer Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) entwickelt, die unter anderem mögliche zukünftige
Anwendungsoptionen im Bereich der Wearable Electronis oder für
die Realisierung von Drug Delivery-Systemen aufweisen. Dazu wurden über zwei vergleichbare Methoden (Abb. 31) Nanoröhren
(Durchmesser 300 nm) mit paramagnetischen EisenoxidNanopartikeln (Durchmesser 10 nm) befüllt und anschließend isoliert. Zum Befüllen der einzelnen Nanoröhren bzw. einer entsprechenden CNT-Matrix wurde ein handelsübliches Ferrofluid eingesetzt. Aufgrund der Kapillarkraftwirkung und der automatisch
erfolgenden Benetzung der CNT-Innenwände konnte eine nahezu
hundertprozentige Inkorporation der Eisenpartikel beobachtet werden. Dabei variiert die Zahl der magnetischen Nanopartikel in den
Nanoröhren zwischen 104 und 105. Auf der Basis der so erzeugten
Nanomagnete konnten die Forscher anhand entsprechender Experimente den Aufbau und die Manipulation eindimensionaler magnetischer Nanostrukturen realisieren. Die Kontrolle der magnetischen
Nanoröhren bildet eine wesentliche Voraussetzung insbesondere für
den denkbaren Einsatz von CNTs als Drug Delivery-Trägersystem
(z. B. für die zeitnahe Verabreichung von Vakzinen oder Antitoxinen) oder in der medizinischen Diagnostik. In einer weiteren Studie
wollen die Forscher nun untersuchen, inwieweit Nanoröhren durch
die Einkapselung anderer Partikel- bzw. Emulsionssysteme, wie z. B.
Bio- oder Elektropolymerlösungen, zusätzlich funktionalisiert werden
können.
Abb. 31:
Befüllung von CNTs. 1. Methode: Alumina-Membran mit über ein
CVD-Verfahren hergestellten CNTs (a) wird mit Ferrofluid in
Kontakt gebracht (b). Das Ferrofluid dringt in die Poren ein (c).
Die Trägerflüssigkeit wird verdunstet um die magnetische Parti kelfüllung in den CNTs zu erhalten (d). Um die magnetischen
CNTs zu isolieren wird die Alumina-Membran mit Natriumhydro
xid aufgelöst. 2. Methode: Die Alumina-Membran mit den über
CVD-Verfahren hergestellten CNTs (f) wird zur Isolierung der
CNTs in Natriumhydroxid aufgelöst (g). Einzelne Ferrofluidtropfen werden auf der Nanoröhrenschicht abgeschieden (h). Die
Trägerflüssigkeit wird verdunstet um die magnetische Partikelfüllung in den CNTs zu erhalten (i) (Quelle: Korneva 2005)
73
74
Personen
Nanotechnologie
Nanosec
Technologischer
Bedarf:
- Integrierte biometrische Zutritts- und
Authentifizierungssensoren
- Echtzeit DNA-ProfilingSysteme
- multimodale biometrische Fernidentifikationssysteme
- multisensorbasierte
Minen- bzw. Sprengstoffspurendetektoren
- „Detect-to-Protect“bzw. „Detect-to-Treat“Systeme mit EchtzeitCBRN-Detektoren
- intelligente textilintegrierte Monitoringsysteme mit
Biofeedback- bzw.
Selbstmedikationsfunktion
- Sicherheitstextilien mit
verstärkter ballistischer
oder bioazider Schutzfunktion
Technologische
- Rückweisungs- bzw.
Falschakzeptanzrate
(<< 1%)
- Detektor-Empfindlichkeit (< 10 - 15 g/ml)
- Detektionszeit
(< 15 min)
- Reißfestigkeit
(> 3600 MPa)
- Temperaturbeständigkeit ( > 1000 °C)
Nanosec-Profil Personen
- Automatisierte DNAAnalyse-Chips
- Analytspezifische
Lab-on-ChipSysteme bzw.
CBRNE-Sensorchips
mit geringer
Fehlalarmrate
- Elektronische
Textilien mit
integrierten
Biofeedback- und
Drug-DeliverySystemen
Nanotechnologischer
Beitrag
- Quantenpunktbasierte DNA-Nanosensoren
- Silizium-NanodrahtFeldeffekttransistor
- CNT-Nanosensoren
auf der Basis funktionalisierter Nanoröhren oder CNTPolymerkompositschichten
- nanostrukturierte
SAW-Fluidikelemente
- Verbesserte optische
Fingerabdruck- oder
Venenscanner mit
hoher Auflösung
- LEDs oder Photodioden auf der Basis
organischer Halbleiter
- Flexible und leichte
Schutzkleidung mit
textilfaserintegriertem
Temperatur-,
Ballistik- oder
Strahlungsschutz
- magnetische CNTs
- nanostrukturierte
elektroaktive Polymere
- CNT-haltige Textilfasern und UV-absorbierende Nanocoatings
- reflexionsaktives
Metallnanopulver
bzw. Nanopartikel mit
hydrophober Beschichtung
3.5
75
Güter und Waren
Die stetige Zunahme globalisierter Waren- und Güterströme hat in den
letzten Jahren dazu geführt, dass der Stellenwert hochtechnologischer
Anwendungen im Bereich der Transport- und Produktsicherheit enorm
an Bedeutung gewonnen hat. Die Fähigkeit, Güter und Waren entlang
und durch die verschiedenen Stufen der Lieferkette zu verfolgen - zu
Lande, zu Wasser und in der Luft - ist nicht nur eine Stellschraube effizienter Produktionsplanung, sondern stellt gleichzeitig auch einen sicherheitstechnischen Mehrwert dar. Die kontinuierliche Verifizierung des
Transportweges von Konsum- und Investitionsgütern ist deshalb wesentliches Schlüsselelement präventiver Maßnahmen zum Schutz vor einem
weltweit vernetzten Terrorismus oder organisierter Kriminalität, z. B. im
Zusammenhang mit der Einfuhr von Massenvernichtungswaffen oder
radioaktiven Materialien über die internationalen Handelskanäle. Aus
diesem Grund ist in den USA nach dem 11. September 2001 unter anderem die Container Security Initiative (CSI) ins Leben gerufen worden.
Das Ziel der Initiative ist es, den Seefrachtverkehr sicherer zu machen,
ohne den legitimen Welthandel zu behindern. Entscheidende Komponente der Initiative, die gemäß eines Abkommens seit 2004 auch für den EURaum gilt, ist die frühzeitige Verfügbarkeit von Versendeinformationen,
um die Kontrollen schon am Verladepunkt auf verdächtige Containersendungen konzentrieren zu können. Aufgrund der gestiegenen sicherheitstechnischen Anforderungen sind für die unterschiedlichen Transport- und Produktionsbereiche deshalb maßgeschneiderte Technologien
und Anwendungslösungen gefragt, die sich sowohl in vorhandene Fertigungs- und Logistikprozesse einbinden lassen als auch eine hohe Ausfallsicherheit und Robustheit besitzen. Wichtige sicherheitstechnisch
relevante Technologien sind drahtlose Rückverfolgungs- bzw. Trackingtechnologien z. B. auf GPS- oder RFID-Basis, Sensor- und Screeningtechnologien zur Detektion radiologischen, nuklearen oder explosiven
Materials sowie automatische Überwachungstechnologien z. B. auf der
Basis bildgebender IR- oder Röntgen-Systeme.
Neben der Verifizierung und Kontrolle internationaler Güter- und Warenbewegungen stellt der Schutz von Produkten vor Diebstahl oder Fälschung eine weitere sicherheitstechnische Herausforderung innerhalb des
freien Welthandels dar. Durch die rasante Zunahme von Produktfälschungen bzw. Raubkopien sind z. B. Unternehmen in der Bekleidungsindustrie oder in der Film- und Musikbranche dazu gezwungen, den sicherheitstechnischen Kennzeichnungsstandard ihrer Produkte deutlich zu
erhöhen. Dabei gilt es durch den Einsatz verbesserter Identifizierungsund Authentifizierungsverfahren die Kennzeichnung oder Markierung
von Produkten soweit zu perfektionieren, dass entweder der Fälschungsbzw. Kopiervorgang an sich verhindert wird oder das Kennzeichnungsmerkmal weder kopiert noch ausgelesen werden kann. Die Bandbreite
eingesetzter Fälschungsschutztechnologien reicht von elektronischen
Authentifizierungsverfahren, wie sie z. B. bei Softwareprodukten verwendet werden, bis zu integrierten Fälschungsschutzsystemen in Konsumentenprodukten, Dokumenten oder Geldscheinen, die z. B. über optische bzw. holographische Merkmale realisiert werden können.
Die kontinuierliche Verifizierung
des Transportweges von Konsumund Investitionsgütern ist
wesentliches
Schlüsselelement
präventiver
Maßnahmen zum
Schutz vor einem
weltweit vernetzten Terrorismus
oder organisierter Kriminalität
Drahtlose Rückverfolgungs- bzw.
Trackingtechnologien
Automatische
Fälschungsschutztechnologien
76
Anwendungsfokus
Grenz- und
Transportsicherheit und der
Produktsicherheit
Ausgehend von der gezeigten Zweigleisigkeit der technologischen Entwicklung, mit dem Anwendungsfokus Grenz- und Transportsicherheit
auf der einen und der Produktsicherheit auf der anderen Seite, konzentrieren sich die im folgenden Abschnitt aufgeführten Technologie- bzw.
Anwendungsbeispiele auf drei Beitragsschwerpunkte, die sowohl dem
internationalen Stellenwert dieses Anwendungsfeld und dem Marktpotenzial Rechnung tragen als auch die identifizierbaren nanotechnologischen Entwicklungsbeiträge berücksichtigen:
1. Identifizierungs- bzw. Fälschungsschutztechnologien
z. B. nanomaterialbasierte Markierungstechnologie (über fluoreszierende Nanopartikel)
2. Tracking- und Überwachungstechnologien
z. B. RFID-Transponder (z. B. auf der Basis leitfähiger Polymere)
3. Screening- und Inspektionstechnologien
z. B. Röntgen-Scanner-Technologie
Identifizierungs- bzw. Fälschungsschutztechnologien
Schäden durch
Herstellung und
Verbreitung
von Produktfälschungen
belaufen sich auf
über 600 Mrd. USDollar pro Jahr
Wachsender Bedarf nach neuen
fälschungssicheren Identifizierungstechnologien und Markierungsmethoden
Angesichts der Globalisierung der Güter- und Warenströme stellt die
systematische Herstellung und Verbreitung von Produktfälschungen eine
internationale sicherheitstechnische Herausforderung dar, die durch die
Fortschritte beim Aufbau weltweiter E-Commerce-Strukturen verstärkt
wird. So belaufen sich inzwischen die durch diese Schattenwirtschaft im
weltweiten Handel verursachten Schäden auf über 600 Mrd. US-Dollar
pro Jahr mit jährlichen Wachstumsraten von 30 % und einem geschätzten
weltweiten Verlust von bis zu 200.000 Arbeitsplätzen. Das Spektrum
gefälschter Produkte reicht dabei von Markenprodukten, Sicherheitsdokumenten, Währungen bis hin zu pharmazeutischen Produkten oder Automobil- und Flugzeugersatzteilen. Durch die zunehmende Verfügbarkeit
und Verbreitung technologischen Know-hows zur schnellen und kostengünstigen Fälschung von Konsum- und Technologieprodukten ist sowohl
auf privatwirtschaftlicher als auch staatlicher Ebene ein wachsender Bedarf nach neuen fälschungssicheren Identifizierungstechnologien und
Markierungsmethoden zu verzeichnen. Ein wesentliches Augenmerk gilt
dabei der Verbesserung etablierter direkter Produktmarkierungstechnologien auf der Basis von Hologrammen oder Barcodeetikettierungen. Ziel
ist, eine nachträgliche Entfernung oder Nachahmung des Produktlabels
zu erschweren und durch den Einsatz neuer Materialien und Verfahren
die Grenzen chemischer, mechanischer und thermischer Belastbarkeit
herkömmlicher Identifizierungs- und Markierungssysteme auszuweiten.
Neben den traditionellen Markierungstechniken versprechen sich zahlreiche Unternehmen eine signifikante Erhöhung des Produktschutzes von
der Einführung neuer Technologien wie z. B. digitaler Wasserzeichen,
druckbarer RFID-Chips oder auch DNA-basierter Fälschungsschutztechnologien. Aufgrund der hohen Herstellungskosten ist jedoch der Einsatz
elektronischer oder produktintegrierter Hochsicherheitssysteme bislang
in erster Linie in hochpreisigen High-Tech-Produkten, wertvollen Kunst-
77
gegenständen oder bei der Fälschungssicherung offizieller staatlicher
Dokumente und Geldscheine realisierbar.
Sowohl in Verbindung mit etablierten als auch neuen produktintegrierten
Fälschungsschutztechnologien basieren eine Reihe bahnbrechender technologischer Entwicklungen in diesem Anwendungsfeld auf nanooder
nanobiotechnologischen Materialien wie z. B. Bakteriorhodopsin, DNA
oder fluoreszierende Nanopartikel. Beispiel hierfür ist die Nanobarcodetechnologie, bei der z. B. durch die gezielte Ausrichtung von Nanomagneten in keramischen Strukturen oder durch die Integration fluoreszierender Quantenpunkte nicht reproduzierbare Identifizierungsmerkmale
erzeugt werden. Darüber hinaus bieten sich durch die Einführung nanotechnologischer Verfahren wie die Nanopattern-Drucktechnologie oder
die DipPen Nanolithographie neue viel versprechende fertigungstechnische Ansätze für die Realisierung einer integrierten und fälschungssicheren Produktkennzeichnung. Durch die Kombination von Nanostrukturierungsverfahren, UV-codierter Nanopartikel oder reflektiver optischer
Schichten sind in naher Zukunft effektivere Antikopier- und Antiscantechnologien für die Sicherung sensibler gedruckter Informationen sowie
verbesserte Sicherheitsmerkmale in Reisedokumente oder auf Geldscheine realisierbar, die für das Auge unsichtbar sind und nur über spezifische
Schreib- und Lesetechnologien codiert bzw. ausgelesen werden können.
Ein Beispiel der besonderen Entwicklungsrelevanz nanotechnologischer
Beiträge in diesem sicherheitstechnischen Sektor ist eine vom Institute of
Materials Research and Engineering in Singapur entwickelte einzigartige
Kennzeichnungs- und Authentifizierungstechnologie auf der Basis
keramischer Nanostrukturen, die so genannte Singular ID-Technologie.
Die Forscher nutzen dabei die ungeordnete Porenstruktur
nanokeramischer Schichten, um nicht reproduzierbare Tags herzustellen.
Dazu werden in einem schmalen, einen Mikrometer breiten Bereich die
durch die Porenstruktur enstehenden Nanobalken-Magnete über ein
Magnetfeld codiert. Das so entstehende einzigartige „Fingerprint“Muster kann dann - vergleichbar zu der herkömmlichen Scantechnologie
in Festplatten - über einen Lesekopf wieder ausgelesen werden. Die
sicherheitstechnischen Vorteile dieser Codierungstechnologie liegen
neben dem vollständigen Schutz vor Manipulation in der preiswerten
Herstellung der keramischen Tags sowie in der thermischen,
mechanischen und chemischen Robustheit des Systems.
Nanobalken-Magnete
eines Nanokeramik-Tags
angelegtes Magnetfeld
Lesekopf
Wiederausrischtung
der Nano-Magnete
1μm breiter „Fingerprint“-Bereich mit
charakteristischer ungeordneter Porenstruktur
Auslesen des
„Fingerprint“-Bereiches
Abb. 32: Codierungs- und Ausleseprinzip der Singular ID-Technologie (Quelle: Institute of Materials Research and Engineering, Singapore)
Neue produktintegrierte Fälschungsschutztechnologien
basieren auf
nanooder
nanobiotechnologischen
Materialien
UV-codierte
Nanopartikel oder
reflektive
optische Schichten sind in naher
Zukunft effektivere Antikopierund Antiscantechnologien
realisierbar
Singular IDTechnologie auf
der Basis
keramischer
Nanostrukturen
78
•
Entwicklung
lumineszierender
Nanopartikel für
die Produktkennzeichnung
Dem Forschungszentrum Karlsruhe ist die Entwicklung
lumineszierender Nanopartikel für die Produktkennzeichnung auf der
Basis eines Mikrowellen-Plasmaverfahrens gelungen. Dabei werden
keramische Trägerpartikel (γ-Fe2O3) von 5 bis 7 nm Größe in einem
mehrstufigen Verfahren mit einer Schicht aus einem organischen
Farbstoff (Anthracen) sowie einer abschließenden polymeren
Schutzschicht (Polymethylmethacrylat (PMMA)) versehen. Das unter
sichtbarem Licht transparente bis farbige Pulver wird unter UV-Licht
zur Lumineszenz angeregt, wobei je nach Belegungsgrad des
Farbstoffes und dem Anteil des Nanokompositpulvers in der PMMAMatrix unterschiedliche Farbeffekte erzielt werden können. Eine
zusätzliche Identifizierungskomponente erhalten die Spektren durch
die unmittelbare Wechselwirkung des Keramikkerns mit dem
Polymer. Dadurch wird die Entwicklung lumineszierender
Nanopartikel ermöglicht, die ein materialspezifisches Lumineszenzspektrum aufweisen. Die Nanopartikel können in Wasser und
organischen Lösungsmitteln suspendiert und so in oder auf
verschiedenste Materialien eingebracht oder gedruckt werden.
Abb. 33:
•
3D-Barcodetechnologie mit
nanoskaliger
Codierung
Farbstoff- und polymerbeschichtete Eisenoxid-Nanopartikel im
UV-Licht (Quelle: Forschungszentrum Karlsruhe)
Am National Physics Laboratory (NPL) in der Nähe von London ist
eine mikroskopische 3D-Barcodetechnologie entwickelt worden, die
aus einem 30 μm breiten Silizium-Würfel besteht. Der Würfel ist mit
einer 100 nm dicken transparenten PMMA-Schicht versehen und
kann sowohl mit adhäsiven Materialien auf harte Oberflächen als
auch in textile Materialien eingewoben werden. Die Erzeugung des
dreidimensionalen Nanobarcodes erfolgt über einen Elektronenstrahllithographen, der in fünf unterschiedlichen Schritten auf jeder Seite
des Würfels 90.000 kleine Flächen in den PMMA-Überzug bohrt, die
zwischen 0 und 80 nm tief sein können. Die Position und Tiefe jedes
quadratischen Feldes ist einmalig, so dass Daten auf der Basis eines
schlüsselbasierten Codes chiffriert und digital gespeichert werden
können. Der Würfel wird dann Linie für Linie mit einem
Elektronenkraft-Mikroskop ausgelesen, wobei der Scanprozess ca. 1
79
Minute dauert. Geeignet ist die Codierung insbesondere für
hochwertige Produkte und Güter wie Diamanten, Wertpapiere oder
Gemälde.
100 nm dicke PMMABeschichtung auf einem
Siliziumwürfel mit einem
Durchmesser von 30 μm
Abb. 34:
•
Ansicht einer
Würfelseite, die in
90.000 quadratische
Flächen aufgeteilt ist,
auf der jeweils in fünf
Schritten zwischen 0 80 nm tiefe Stufen
eingeätzt sind
3D-Barcode mit nanoskaliger Codierung (Quelle: NewScien
tist.com)
An der Universität Marburg sind in der Arbeitsgruppe von Prof.
Hampp auf Basis des 5 nm großen Proteins Bakteriorhodopsin
photochrome Sicherheitspigmente entwickelt worden, die als
Grundlage für die Herstellung von Sicherheitstinten für den Kopierund Fälschungsschutz dienen können. Der Vorteil des Systems liegt
in dem mit bloßem Auge wahrnehmbaren Farbwechsel von lila zu
blaßgelb, so dass kein zusätzliches Gerät für dieDetektion
erforderlich ist. Um das optische Merkmal technisch besser nutzen zu
können, wurde das Bakteriorhodopsin-System gentechnisch so
modifiziert, dass inzwischen die Lebensdauer des Farbumschlags im
Millisekunden- bis Minutenbereich justierbar ist und das
Purpurprotein praktisch alle Farben des Spektrums wiedergeben
kann. Die fertigungsstechnische Weiterentwicklung der Pigmente für
Tinten und Druckfarben wird derzeit im Rahmen des BMBFVerbundprojekts "B-Safe" (zusammen mit der MIB - Munich
Innovative Biomaterials GmbH und der Agfa-Gevaert AG) durch den
Einsatz mikro- und nanotechnologischer Verfahren (Nanopartikelbildung, Mikroverkapselung, Elektro-Koagulation) vorangetrieben. Wird ein sicherheitsrelevantes Dokument (vertrauliche Akten,
Banknoten oder Reisedokumente) mit einer bakteriorhodopsinhaltigen Druckfarbe versehen, weist das Pigment im unbelichteten
Zustand eine violette Farbe auf während es z. B. unter dem Licht
einer Schreibtischlampe oder einer anderen intensiveren
Strahlungsquelle die Gelbfärbung annimmt (siehe Abb. 35). Auf
diese Weise lassen sich Merkmale oder Aufschriften herstellen, die
durch das Starklicht eines Scanners oder Fotokopierers schlagartig
die Farbe wechseln, so dass kein farbechtes Duplikat erzeugt werden
kann.
Photochrome
Sicherheitspigmente auf
Bakteriorhodopsin
-Basis
80
Abb. 35:
Sicherheitsmerkmal auf Bakteriorhodopsin-Basis vor (unten) und
nach (oben) Lichtbestrahlung. Zum Prüfen der Photochromie ist
keinerlei technische Ausrüstung notwendig. Der Farbwechsel erfolgt durch Licht im sichtbaren Spektralbereich. Der Farbwechsel
ist vollständig reversibel und innerhalb 1 - 2 Minuten kehrt das Sicherheitselement zu seiner ursprünglichen lila Farbe zurück (Quelle: Universität Marburg, AG Prof. Hampp)
Tracking- und Überwachungstechnologien
Durch die
Verschärfung
internationaler
Sicherheitsbestimmungen im
See- und Luftfrachtverkehr,
hat der Bedarf
nach autonomen
elektronischen
Tracking- oder
Überwachungstechnologien in
den letzten
Jahren deutlich
zugenommen
Die Entwicklung sicherheitstechnischer Lösungen für den Schutz weltweiter Transportinfrastrukturen und Handelswege wird stärker als in anderen Bereichen von dem Spannungsfeld ökonomischer und sicherheitspolitischer Interessen bestimmt. Dabei geht es auf internationaler Ebene
darum, die kosten- und zeitintensive Überwachung der weltweiten Waren- und Güterströme sicherzustellen, ohne betriebswirtschaftliche Zielvorgaben und die Optimierung von Wertschöpfungs- bzw. Lieferketten
aus dem Auge zu verlieren. Um die ökonomischen und sicherheitstechnischen Anforderungen und zu erwartende Synergieeffekte einer weltweiten Vernetzung des Güter- und Warentransportes nutzen zu können, müssen vor allem Tracking- und Überwachungsinstrumente entwickelt
werden, die auf der Basis vorhandener Technologie- und Softwareplattformen, wie z. B. der RFID- bzw. GPS-Technologie oder ERP-Systeme,
eine lückenlose Rückverfolgbarkeit von Gütern und Waren in der Lieferkette garantieren. Gleichzeitig gilt es durch die parallele Entwicklung
und Integration sicherheitssensorischer Systeme, eine zeitnahe Detektion
und Ortung chemischer, biologischer, radiologischer und nuklearer
Kampfstoffe vor oder während des Transportes zu gewährleisten. Hauptbedrohungsszenario ist die illegale Einfuhr von Massenvernichtungswaffen oder so genannter „schmutziger Bomben“ in Containern. Durch die
Verschärfung internationaler Sicherheitsbestimmungen im See- und Luftfrachtverkehr und die damit verbundene Ausweitung sicherheitstechnischer Prozeduren und Anforderungen, hat der Bedarf nach autonomen
elektronischen Tracking- oder Überwachungstechnologien in den letzten
Jahren deutlich zugenommen. Je nach gewünschtem Autonomie- und
Sicherheitsgrad wird die Entwicklung dabei sowohl von regional unterschiedlichen Systemanforderungen (z. B. bezgl. Deklarierung von DualUse-Produkten oder der Nutzung unterschiedlicher RFID-Standards) als
auch von dem Wert (z. B. bei Hightech- oder Luxus-Produkten) oder
dem Gefahrenpotenzial (z. B. bei Explosivstoffen) des transportierten
Frachtgutes bestimmt. Einen technologischen Lösungsansatz, der eine
Erfüllung höherer sicherheitstechnischer Standards bei minimaler Störung der Lieferkette gewährleistet, bietet unter anderem die Installation
eines elektronischen Siegels, bei dem über ein automatisches Signal die
Position des Frachtgutes oder Containers an festen Auslespunkten (z. B.
an Ladekränen) verifiziert und so Manipulations- oder Einbruchversuche
direkt registriert werden können. Einen Autonomieschritt weiter geht die
Realisierung so genannter „intelligenter“ Container. In diesem Containersicherheitssystem sind On-board-Sensoren eingebettet, die sowohl in
der Lage sind chemische oder radiologische Rückstände zu detektieren
als auch Änderungen von Licht- oder Luftdruckverhältnissen wahrzunehmen, so dass auch ein versuchtes Eindringen durch die Containerseitenwände registriert werden kann. Die so festgestellten Anomalien können entweder durch ein direktes Alarmsignal oder an mit entsprechenden
Lesegeräten ausgestatteten Kontrollpunkten an das zuständige Sicherheitspersonal übermittelt werden. Langfristiger Zielpunkt sicherheitstechnischer Visionen einer automatischen und lückenlosen Überwachung
von Transportinfrastrukturen und -systemen ist jedoch die Verwirklichung intelligenter Transportsysteme mit integrierten allgegenwärtigen
Kontroll- und Überwachungsstrukturen (Pervasive Intelligent Transportation System (ITS)). In entsprechenden Szenarien geht man davon aus,
dass auf der Basis bestehender Technologieplattformen, wie der Integration von RFID-Transpondern in Nummernschildern, der Nutzung von
Maut-Systemen oder dem Einsatz moderner Videoüberwachungssysteme, zukünftig nicht nur die Lokalisierung einzelner Frachtgüter und
Transportfahrzeuge ermöglicht wird, sondern über Sensor- und Kommunikationsschnittstellen auch eine Einbettung in existierende Notfallversorgungs- oder Katastrophenschutz-Infrastrukturen realisiert werden
kann.
Die Weiterentwicklung intelligenter elektronischer Tracking- und Überwachungstechnologien wird in der Zukunft von zwei Aufgabenstellungen
beherrscht werden. Zum einen gilt es zentrale Leistungsparameter autonomer funk- oder satellitengestützer Trackingsysteme wie Reichweite,
Zuverlässigkeit (Minimierung der Fehlalarm- oder Ausfallraten von
Funk- und Sensorelementen) und Energieverbrauch zu optimieren. Der
andere Schwerpunkt liegt auf der Fusion sensorischer bzw. optischer
Komponenten, z. B. zur Detektion von Radioisotopenspuren oder zur
Identifizierung verdächtiger Personen oder Fahrzeuge, mit den entsprechenden RFID- oder GPS-Schnittstellen. Für die weitere Verbreitung und
Optimierung autonomer Tracking- und Überwachungssysteme werden
nanotechnologische Beiträge sowohl bei der Realisierung eingebetteter
remotefähiger Detektor- und Sensorkomponenten als auch für die Weiterentwicklung preiswerter und energiesparender Mikroelektronik für
systemintegrierte Kameras, Prozessoren oder Energieversorgungselemente eine entscheidende Rolle spielen.
Ein Anwendungsbeispiel aus der großen Bandbreite verfahrenstechnischer Entwicklungen zur Herstellung polymerbasierter Low-Cost-RFIDKomponenten ist ein an der UC Berkeley entwickeltes TintenstrahlDruckverfahren, das einen ersten Schritt auf dem Weg zur Realisierung
81
Elektronisches
Siegel
„Intelligenter“
Container
Pervasive
Intelligent
Transportation
System
Zukünftige
Aufgabenstellungen bei der Weiterentwicklung
intelligenter
elektronischer
Tracking- und
Druckbare
Low-Cost-RFIDKomponenten
82
vollständig druckbarer RFID-Systeme darstellt. Durch entsprechende
Modifizierung und Weiterentwicklung des kostengünstigen Druckprozesses gelang es den Forschern über nasschemisch erzeugte GoldNanokristalle (Größe 2 nm) definierte Leiterbahnstrukturen auf einem
isolierenden dielektrischen Polyimidsubstrat herzustellen, die Flächenwiderstände unter 3 mΩ aufweisen. Auf der Basis experimenteller Studien
konnte der Aufbau von RFID-Komponentenstrukturen, wie spiralförmige
Induktoren, mehrschichtige elektrische Verbindungselemente oder Kondensatoren (siehe Abb. 36), demonstriert werden, wobei die günstigsten
Druckbedingungen auf Polyimid-Dünnschichtfilmen mit einer Schichtdicke von 340 nm erzielt werden konnten. Die so erzeugten passiven Strukturelemente werden in RFID-Tags für die Realisierung von Filtern und
Oszillatoren sowie für die induktive Energieversorgung benötigt. Die von
den Forschern nachgewiesene Reproduzierbarkeit des Gold-NanokristallProzesses und die Konsistenz der physikalischen Materialparameter in
dem für RFID-Systeme interessanten Frequenzbereich bilden eine entscheidende Grundlage für die Herstellung integrationsfähiger RFIDSysteme und stellen eine wesentliche Voraussetzung für die notwendige
Entwicklung eines preisgünstigen Rolle-zu-Rolle-Verfahren dar. Ein über
die Realisierung passiver RFID-Komponenten hinausweisendes Ziel der
amerikanischen Forschungsgruppe gilt nun der Entwicklung geeigneter
nanomaterialbasierter Verfahren zur Fertigung aktiver RFIDBauelemente und der weiteren Untersuchung von druckbaren Schaltkreisarchitekturen, die für den Einsatz in aktiven Low-PerformanceTrackingsystemen geeignet sind.
Abb. 36:
2004)
Vollständig gedrucktes RFID-Kondensatorelement (Quelle: Redinger
•
VOFETTechnologie Herstellung eines
organischen
Hochleistungstransistors
Eine Forschergruppe der University of California hat eine neuartige
Architektur und ein fertigungstechnisches Konzept zur Herstellung
eines organischen Hochleistungstransistors vorgestellt, mit der die
Leistungsfähigkeit und Einsatzparameter herkömmlicher organischer
Feldeffekttransistoren (OFETs) übertroffen werden und die einen
wichtigen Entwicklungsschritt auf dem Weg vollständig druckbarer
Elektroniksysteme darstellen. Die Verbesserung der Leistungsdaten
konnte durch einen durchgehend schichtweisen Aufbau des Transistors realisiert werden (siehe Abb. 37). Die vertikale Stapelstruktur des
83
so genannten VOFET (vertikaler organischer Feldeffekttransistor)
wird dabei über ein CVD-Verfahren und ohne die Zuhilfenahme zusätzlicher lithographischer Methoden ermöglicht. Durch den geringen
Abstand zwischen den Drain- und Source-Elektroden (unter 100 nm)
und der großen Querschnittsfläche lassen sich so preisgünstige organische Transistorelemente herstellen, die eine niedrige Arbeitsspannung (unter 5 V) und gleichzeitig hohe Stromabgabewerte (bis zu 10
mA oder 4 A/cm²) mit einem hohen Ein-Aus-Verhältnis (4 x 106)
verbinden. Der schichtartige Transistoraufbau und die vergleichsweise einfache verfahrenstechnische Umsetzung eröffnen viel versprechende Optionen für die Realisierung einer industriellen Low-CostFertigung druckbarer Elektronikprodukte sowie für die Integration
unterschiedlicher organischer Elektronikkomponenten. In dem aus
diesem neuartigen Konzept hervorgegangenen Start-Up-Unternehmen ORFID wird neben anderen elektronischen Anwendungen derzeit auch ein Forschungsprojekt realisiert, das sich mit Entwicklung
druckbarer organischer RFID-Tags auf der Basis der VOFETTechnologie auseinandersetzt. Zusammen mit der niedrigen Arbeitspannung und der zukünftig realisierbaren Integration sensorischer
oder optischer Funktionen bietet die Transistortechnologie speziell im
Hinblick auf sicherheitstechnische Anwendungen große Entwicklungspotenziale für die Realisierung RFID-basierter Tracking- und
Überwachungssysteme.
Abb. 37:
•
Struktureller Vergleich des Aufbaus eines herkömmlichen OFETs
(links) und eines VOFETs (Quelle: ORFID Corporation)
Wissenschaftler der Harvard University haben auf der Basis eines
niedertemperaturigen Prozesses eine Herstellungsmethode entwickelt,
mit der sich auf Glas- oder Kunststoffsubstraten hochleistungsfähige
Nanodrahttransistoren in Logikschaltungen bzw. logischen Invertern
oder schnellen Ringoszillatoren integrieren lassen. Die dazu verwendeten Transistorelemente bestehen aus einkristallinen Halbleiternanodrähten. Für die Generierung eines logischen Inverters wurden in
einem parallelen Prozess über ein photolithographisches Verfahren
zwei Nanodraht-Dünnschichttransistoren miteinander verknüpft. In
einem weiteren Schritt ist ein Nanodraht-Ringoszillator auf einem
Glassubstrat hergestellt worden, der aus drei in Serie geschalteten Invertern und einer Rückkopplungsschleife besteht. Die so erzeugte
Baueinheit weist eine maximale Oszillationsfrequenz von 11,7 MHz
mit einer Lebensdauer von 14 ns auf. Damit liegen die für die na-
Herstellungsmethode für hochleistungsfähige
Nanodrahttransistoren
84
nodrahtbasierten Einheiten registrierten stabilen Oszillationsfrequenzen um einige Größenordnungen über den bisher für einen CNTOszillator berichteten maximalen Frequenzwert von 220 Hz. Obwohl
der Nanodraht-Oszillator zur Erzeugung stabiler Oszillationen derzeit
noch Versorgungsspannungen über 35 V benötigt, eröffnen die Leistungsfähigkeit und die hohe Materialkompatibilität der integrierbaren
Nanotransistoren in der Zukunft eine Vielfalt elektronischer Anwendungsoptionen. Aufgrund der wesentlich höheren Geschwindigkeit
des Nanodraht-Oszillators im Vergleich zu organischen oder auf
amorphem Silizium basierenden Ringoszillatoren, stellt diese Herstellungsmethode eine kostengünstige Alternative für die zukünftige
Entwicklung von Low-Cost-RFID-Tags dar.
Abb. 38:
Schaltbild und schematischer Aufbau eines Multi-NanodrahtInverters (Quelle: Friedman 2005)
Screening- und Inspektionstechnologien
Aufgabenspektrum der
Screening- oder
Inspektionssysteme im
Bereich der Flugund Transportsicherheit
Die Entwicklung leistungsfähiger Screening- und Inspektionstechnologien nimmt innerhalb der weltweiten Bestrebungen zur Erhöhung der
Flug- und Transportsicherheit, aber auch auf dem Sektor der humanitären
Minenräumung einen hohen Stellenwert ein. So hat das Department of
Homeland Security allein 2005 in die landesweite Austattung aller Häfen
mit Containerscannern zur frühzeitigen Detektion radioaktiver Materialien 300 Mio. US-Dollar investiert, so dass inzwischen bereits über 80 %
der in die USA transportierten Container gescreent werden. Das Aufgabenspektrum der Screening- oder Inspektionssysteme erstreckt sich im
Bereich der Flug- und Transportsicherheit von der Durchleuchtung von
Kleidungsstücken bei der Personenkontrolle (z. B. mit Metalldetektoren)
über die Überprüfung von Postsendungen, Paketen oder Gepäckstücken
(nach Sprengstoff oder Waffen) bis hin zur Untersuchung von LKWLadungen oder Schiffscontainern (z. B. durch den Einsatz von GateScannern). In Abhängigkeit von der materiellen Struktur, Größe und Entfernung des zu scannenden Objektes kommen dabei unterschiedliche
mobile oder stationäre Screening- und Inspektionssysteme zum Einsatz,
die je nach sicherheitstechnischer Aufgabenstellung und Einsatzort die
mögliche Existenz von Schusswaffen, Plastiksprengstoff oder massenvernichtungswaffentaugliche Materialien anzeigen sollen. Neben der seit
geraumer Zeit in Gepäckscannern an Flughäfen eingesetzten Röntgen-
technologie kommen inzwischen auch Screeningsysteme auf der Basis
der Infrarot-, Terahertz-, Mikrowellen-, Neutronen- oder Gammastrahlentechnologie zum Einsatz oder werden zur Produktreife geführt. Sowohl bei den Screeningsystemen, die dem derzeitigen Stand der Technik
entsprechen, als auch bei alternativen neuentwickelten Systemen konzentrieren sich die Entwicklungsanstrengungen vorrangig auf die Verringerung der Screeningkosten durch eine Erhöhung des Durchsatzes sowie
der Verbesserung der Empfindlichkeit bzw. der Auflösung eingesetzter
Detektortechnologien. Weitere Ansätze sind die Weiterenticklung dreidimensionaler Bildgebungsverfahren sowie die Einführung einer automatischen Bilderkennung zur Unterstützung der Bildauswertungen, um vor
allem das durch Ermüdung der Bediener verursachte Fehlerrisiko zu minimieren. Mittelfristiges Ziel ist die Entwicklung „smarter“ Screeningund Inspektionstechnologien, bei der z. B. automatische videobasierte
Screeningsysteme über eine Bilderkennungssoftware verdächtige Anomalien oder Objekte unter Kleidungsstücken entdecken und das Bedienungspersonal zwecks Ergreifung weiterer Inspektions- oder Gegenmaßnahmen alarmieren können.
Die Substitution herkömmlicher bei der Personen- oder Gepäckkontrolle
eingesetzter Technologien stellt in der Zukunft zusammen mit der Ausweitung des Screeningzielspektrums die größte Entwicklungsherausforderung dar. Gerade vor dem Hintergrund variierender Detektionsziele
und zu durchleuchtender Materialien, wie Kleidung, Metall oder Kunststoff, wird die Kopplung und Integration unterschiedlicher Screeningtechnologien eine innovationsbestimmende Schlüsselstellung einnehmen.
So wird z. B. auf dem Feld der Gepäck- oder Personenkontrolle der Einsatz von Terahertz-Systemen diskutiert. Im Vergleich zu den alternativen
Röntgen- bzw. Röntgenrückstreugeräten bieten diese Systeme den Vorteil einer hohen Spezifität des THz-Spektrums gegenüber Sprengstoffen
oder illegalen Drogen bei gleichzeitigem Fehlen gesundheitsschädlicher
Auswirkung der verwendeten Strahlung. Jedoch wird durch die vollständige Absorption der THz-Strahlung durch Metallgegenstände oder -oberflächen der Anwendungsbereich der Terahertz-Screening-Systeme deutlich eingeschränkt, weshalb gerade bei der Durchleuchtung von
Gepäckstücken nur eine Anwendung in Kombination mit einem Röntgengerät sinnvoll erscheint. Weitere wichtige Problemfelder bei der Weiterentwicklung heutiger Screeningsysteme sind die frühzeitige Detektion
von Selbstmordattentätern bzw. Fahrzeugbomben sowie von nuklearem
Material. Lösungsansätze für diese sicherheitstechnologischen Herausforderungen werden vor allem in der Entwicklung leistungsfähigerer und
robusterer Systeme gesehen, die eine höhere Reichweite, ein besseres
Auflösungsvermögen oder geringere Bilderfassungszeiten aufweisen.
Zusätzlich gilt es aber, das Einsatzspektrum durch die synergetische
Kombination unterschiedlicher Screeningtechnologien oder die Einbindung zusätzlicher CBRNE-Sensorfunktionen auszuweiten. Vorrangiges
Ziel ist hier die Entwicklung mobiler oder stationärer Screening- und
Inspektionssysteme, die beispielsweise in der Lage sind, mit hundertprozentiger Genauigkeit angereichertes Uran oder Plutonium von natürlichen radioaktiven Materialien zu unterscheiden oder selbst hergestellte
85
Konzentration der
Entwicklungsanstrengungen konzentrieren auf
die Verringerung
Kosten sowie
Verbesserung der
Empfindlichkeit
bzw. der
Auflösung
Ziel:
Entwicklung
„smarter“ Screening- und Inspektionstechnologien
Die Kopplung und
Integration
unterschiedlicher
Screeningtechnologien wird eine
innovationsbestimmende Schlüsselstellung einnehmen
TerahertzScreeningSysteme
Ausweitung des
Einsatzspektrums
durch die Einbindung zusätzlicher
CBRNESensorfunktionen
86
Sprengstoffe, wie das bei den Londoner Anschlägen im Juli 2005 verwendete Acetonperoxid, aufzuspüren.
Nanotechnologische Anteile bei
der Weiterentwicklung konventioneller oder
neuartiger
Screening- oder
Inspektionssysteme
TerahertzKamerasystem auf
der Basis eines
photonischen
Kristallgitters
Wesentliche nanotechnologische Anteile bei der Weiterentwicklung konventioneller oder neuartiger Screening- oder Inspektionssystemen werden
insbesondere bei der Weiterentwicklung passiver Detektorsysteme, z. B.
durch den Einsatz verbesserter Nanostrukturierungs- bzw. Bottom-UpTechnologien, bei der Realisierung und Verbesserung von Strahlungsquellen auf der Basis nanooptischer Materialien sowie bei der Integration
unterschiedlicher Screeningtechnologien durch die Einbeziehung nanooder optoelektronischer Systemlösungen erwartet.
Ein technologisch aktuelles Beispiel der Entwicklung leistungsfähigerer
Screeningsysteme ist die von der britischen Firma ThruVision (ein SpinOff des Rutherford Appleton Laboratory (RAL)) vorgestellte neuartige
Screeningtechnologie, bei der elektromagnetische Strahlung von mehreren hundert Gigahertz bis zu wenigen Terahertz in plastischen Bilddarstellungen umgewandelt werden kann. Gegenüber herkömmlichen Röntgengeräten benötigt der Detektor jedoch keine eigene Strahlungsquelle
sondern erstellt als passives System mithilfe der von dem zu untersuchenden Objekt oder der Person ausgesandten natürlichen THz-Strahlung
ein Bild von dessen inneren Aufbau. Herzstück der Kamera ist die Kombination eines photonischen Kristallgitters mit Bauelementen, die aus der
Hochfrequenztechnik bekannt sind. Die Herstellung des photonischen
Kristallgitters wurde über ein spezielles photolithographisches Verfahren
realisiert, das im Rahmen eines ESA-Projektes zur Realisierung eines
passiven Terahertz-Bildgebungs-Chips für raumfahrttechnische Anwendungen entwickelt wurde. Die Detektortechnologie ist sowohl dazu geeignet metallische Gegenstände zu orten als auch Explosivstoffe oder
Narkotika aufzuspüren. Das passive Terahertz-Kamerasystem ist Ende
2005 zum ersten Mal der Öffentlchkeit vorgestellt worden und soll 2006
auf dem Markt kommen.
Abb. 39: Photonischer Kristall des ThruVision Detektorsystems und THzKörperaufnahme mit verborgener Schusswaffe (Quelle: TruVision Ltd. )
87
•
Wissenschaftler des Center of Quantum Devices der amerikanischen
Northwestern University in Evanston ist es gelungen, auf der Basis
erstmalig entwickelter Typ-II InAs/GaSb Übergitter-Photodioden einen multispektralen Infrarotdetektor zu entwickeln, der das spektrale
Fenster vom mittleren bis zum langwelligen Infrarotbereich abdeckt
und sowohl in der Raumfahrt als auch zur frühen Detektion von
Flugkörpern oder in der thermographischen Personenkontrolle eingesetzt werden kann. Dabei konnte durch die Nutzung eines zweilagigen Aufbaus einer IR-aktiven InAs-Schicht im Übergitter-Verbund
die Gleichförmigkeit und Reproduzierbarkeit der Energielücken in
der multispektralen Photodiode entscheidend gesteigert werden. Das
Material wurde dazu über Molekularstrahl-Epitaxie auf ein GaSbSubstrat mit hoher Kristallqualität bedampft. Auf diese Weise entsteht - vergleichbar zur CCD-Technologie - ein so genanntes „Focal
Plane Array“, auf der das entstehende thermografische Bild der Zielperson oder des Zielkörpers abgebildet und gleichzeitig die Bestrahlungsstärke für jeden Bildpunkt im detektierbaren Infrarotbereich
gemessen werden kann. Die Temperaturunsicherheit bzw. das SignalRausch-Verhältnis des Detektors liegt bei einem minimalen Wert von
0,03 K. Zur weiteren Verbesserung der Detektortechnologie erforschen die Wissenschaftler zurzeit unterschiedliche nanoskalige Strukturen mit dem Ziel höhere Detektoreinsatztemperaturen und eine bessere Abstimmbarkeit der Wellenlängen zu erreichen. So ist es der
Arbeitsgruppe inzwischen gelungen, über Elektronenstrahllithographie und Plasmaätztechniken erste großflächige Nanostrukturierungen innerhalb der Typ II InAs/GaSb Übergitter-Strukturen mit einer
hohen Gleichförmigkeit herzustellen.
Abb. 40:
von links: Ansprechempfindlichkeit eines Typ II ÜbergitterDetektors mit Grenzwellenlänge von 32 μm bei T = 9,2 K; welt weit erste thermografische Focal Plane Array Abbildung;
InAs/GaSb-Nanosäulen eines nanostrukturierten Typ II Übergitter
mit Säulendurchmessern unterhalb 50 nm (Quelle: Northwestern
University, Evanston)
Multispektraler
Infrarotdetektor
auf der Basis
erstmalig
entwickelter
Typ-II InAs/GaSb
ÜbergitterPhotodioden
88
•
An der University of North Carolina ist in Zusammenarbeit mit dem
Nanotechnologie-Startup-Unternehmen Xintek Inc. eine MultistrahlFeldemissions-Röntgenquelle auf der Basis einer steuerbaren CNTFeldemissionskathode entwickelt worden, mit deren Hilfe dreidimensionale Röntgenaufnahmen aus verschiedenen Winkeln realisiert
werden können, ohne gleichzeitig das Objekt oder die Person bewegen zu müssen. Die Feldemissionskathode besteht aus einem Array
aus fünf CNT-Pixeln, die über einen MOSFET-basierten Stromkreis
individuell adressiert werden können. Die jeweiligen Pixel werden
aktiviert, wenn ein Spannungssignal an den zuständigen MOSFETStromkreis abgegeben wird. Die so unter entsprechenden Anregungsbedingungen emittierten Elektronen werden anschließend beschleunigt und auf ein Molybdän-Element fokussiert, mit der die Röntgenstrahlung generiert wird. Je nachdem von welchem der fünf Pixel die
fokussierten Elektronen stammen, werden an verschiedenen Stellen
des Molybdän-Elements Röntgenemissionen ausgelöst. Die Realisierung eines Röntgenstrahl-Scans erfolgt über ein gepulstes Kontrollsignal mit definierter Pulsweite im MOSFET-Stromkreis, durch die
die emittierten Röntgenstrahlen und jeweiligen Projektionswinkel gesteuert werden können. Über einen digitalen Röntgenstrahldetektor
können so mit hoher Bildgebungsgeschwindigkeit dreidimensionale
Abbildungen erzeugt werden. Mit der inzwischen patentierten Technologie lassen sich kompakte Scanner bauen, die im Vergleich zu
herkömmlichen Röntgen-Screeningtechnologien für die Gepäckdurchleuchtung preiswerter herzustellen sind, weniger Energie
verbrauchen und eine hohe Bildauflösung besitzen. Neben dem Einsatz in Computertomographie-Scannern bei der Personen- und Gepäcküberprüfung ist das System nach Meinung der Forscher auch für
Hochgeschwindigkeits-Röntgenkameras geeignet, mit der sich
schnell bewegende Objekte oder Fahrzeuge besser durchleuchtet
werden können.
•
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF hat in
Kooperation mit der AIM Infrarot-Module GmbH 2004 eine InfrarotKamera für den Spektralbereich zwischen 3-5 μm vorgestellt, die auf
kurzperiodigen InAs/GaSb-Übergittern basieren. Die Detektorstruktur besteht aus 190 Perioden eines InAs/GaSb-Übergitters, das mit
Molekularstrahlepitaxie auf ein GaSb-Substrat aufgewachsen wurde.
Um den notwendigen Bandabstand zu realisieren und Gitterfehlanpassungen zwischen InAs und GaSb zu kompensieren wurden die
jeweiligen Einzelschichtdicken und Wachstumsparameter aufeinander angepasst. Der Detektor teilt sich dabei in einen unteren p-dotierten Bereich, einer darüber liegenden undotierten sowie einer abschließenden n-dotierten Schicht auf. Die Einzelelemente der
Detektoranordnung wurden mit optischer Lithografie hergestellt, wobei die Waferscheibe in der Version mit der höchsten Bildauflösung
zwölf Einzelchips mit je 640 x 512 Bildpunkten auf der Fläche eines
MultistrahlFeldemissionsRöntgenquelle auf
der Basis einer
steuerbaren CNTFeldemissionskathode
Infrarot-Kamera
für den Spektralbereich zwischen
3-5 μm, auf der
Basis kurzperiodiger InAs/GaSbÜbergitter
Fingernagels trägt. Jeder so erzeugte Wafer beinhaltet vier vollständig passivierte Detektormatrizen mit einer Fläche von 11,2 x 11,2
mm² sowie eine Reihe von Testdioden zur Materialcharakterisierung.
Die Pixelausfälle liegen unterhalb 1 %, wobei es sich vorwiegend um
statistisch verteilte Einzelausfälle handelt. Entscheidender für die zukünftige Integration des Detektors in leistungsfähige thermografische
Sicherheitskameras ist jedoch die hohe thermische und räumliche
Auflösung des Detektorsystems, die noch Temperaturunterschiede
von fünf tausendstel Grad Celsius unterscheiden kann. Kommerziell
erhältliche IR-Detektorsysteme erreichen demgegenüber nur Auflösungen im Bereich einiger hundertstel Grad.
Abb. 41:
Thermografische Aufnahme einer 256 x 256 Mid-IR InAs-GaSbÜbergitter-Kamera (Quelle: Fraunhofer IAF)
89
90
Güter/Waren
Nanotechnologie
Nanosec
-
Technologischer
Bedarf:
- integrierte Produktfälschungsschutzsysteme
- automatisierte
Trackingsysteme mit
remotefähiger
CBRNE-Sensorik
- stationäre und mobile
Container-Scanner
- dokumentintegrierter
Antikopierschutz
- optische Fernüberwachungs- bzw.
Kamerasysteme
- stationäre und mobile
Metall- und Sprengstoffdetektoren
-
-
-
Technologische
- RFID-Erfassungsrate
(> 99 %)
- CMOS-Bildauflösung
(> 1 Megapixel)
- Detektor-Durchgangsfrequenz
(> 50 Personen/min)
- Barcode-Fehlerrate
(1 Fehler/1 Mio.
Scanvorgänge
- Transponderreichweite (> 30 m)
- Strahlungsdetektorempfindlichkeit
(< 100 cps/mR/h)
Nanosec-Profil Güter/Waren
-
-
unsichtbare und nicht
reproduzier- oder
entfernbare Produktkennzeichnungssysteme auf der
Basis von 2D- bzw.
3D-Nanobarcodesystemen oder optischen Nanomarkern
organische LowCost-RFIDs mit
integrierter Sensorfunktion
fälschungs- und
kopiergeschütze
Dokumentsicherheitsmerkmale bzw.
Sicherheitstinten
kompakte oder
großflächige Röntgen-BackscatterDetektorsysteme mit
hoher Empfindlichkeit
und geringer Strahlungsbelastung
CCD-artige IRDetektorsysteme
multimodale mobile
und stationäre Metallund Sprengstoffdetektoren, z. B. auf
THz/Röntgen-Basis
CMOS-Bildsensorchips mit maximaler
Video- und Bildauflösung
Nanotechnologischer
Beitrag
- organische Feldeffekttransistoren
oder Nanodrahttransistoren
- magnetisierbare
nanokeramische
Strukturen
- lumineszierende
Nanokompositpartikelsysteme
- photochromes
modifiziertes
Bateriorhodpsin
- fluoreszierende
Quantenpunkte
- photolithografisch
erzeugte 3D-Polymernanostrukturen
- photonische
Kristallgitter oder
halbleiterbasierte
Übergitter-Photodioden
- CNT-Feldemissionskathoden
- Dünnschichtpolymerdruckverfahren
auf Gold-Nanopartikelbasis
- Nano-CMOSTechnologie
91
4
ANALYSE DES MARKTPOTENZIALS DER SICHERHEITSTECHNIK
Allgemeine Marktsituation
Der Markt sicherheitstechnischer Produkte und Dienstleistungen bewegt
sich in den letzten Jahren, nicht nur auf staatlicher Ebene, auf dem lukrativen Geschäftsfeld der Inneren Sicherheit, sondern auch im zivilen Sektor stetig in die Richtung eines 100 Mrd. US-Dollar-Megamarktes. Allein
auf dem Dienstleistungssektor prognostiziert das Marktforschungsunternehmen Freedonia Group Inc. für den weltweiten Markt der privaten vertraglichen Sicherheitsdienstleistungen (Überwachung von Personen und
Anlagen) eine jährliche Zunahme von über 8 % mit einem Marktvolumen
von 140 Mrd. US-Dollar im Jahre 2008. Demgegenüber wird der als
Promoter sicherheitstechnischer Anwendungen und Ausrüstungen fungierende Kernmarkt der Inneren Sicherheit in erster Linie durch die Ausgaben des öffentlichen Sektors in Form von Förderprogrammen und Investitionen in sicherheitstechnische Einrichtungen und Infrastrukturen
getragen. Das auf den Homeland Security-Markt spezialisierte amerikanische Marktforschungsunternehmen Civitas hat in einer im Juni 2004
veröffentlichten Studie den globalen Markt für 2005 auf 42,2 Mrd. USDollar beziffert. Zur realitätsnahen Abbildung des zukünftigen Marktpotenzials wurden dabei in der Prognose moderatere Wachstumsraten von
durchschnittlich 15 % (zwischen 2001-2003 konnten teilweise Wachstumsraten zwischen 30 und 50 % realisiert werden) und nur der privatwirtschaftlich verwertete und marktrelevante Anteil des ausgeschütteten
Fördermittelvolumens berücksichtigt.
Markt sicherheitstechnischer
Produkte und
Dienstleistungen
bewegt sich in die
Richtung eines
100 Mrd. USDollar-Megamarktes
Das Marktforschungsunternehmen Civi beziffert
den globalen Homeland SecurityMarkt für 2005
auf 42,2 Mrd. USDollar
Rest of World
9%
Singapur
2%
Australien
3%
Japan
2%
Wohlfahrtsstaaten
Mittlerer Osten
5%
USA
54%
(23,5 Mrd. US$)
Kontinentales
Europa
14%
GB
6%
Kanada
3%
Israel
2%
Abb. 42: Schätzung der relativen Anteile am globalen Homeland Security-Markt nach
Schlüsselländern und Regionen für das Jahr 2005 (Quelle: Civitas Group
Llc.)
Laut Civitas wird sich in den USA, in der mit 23,5 Mrd. US-Dollar der
deutlich größte Marktanteil gestellt wird, das für das kommende Jahr
2006 über alle Ministerien veranschlagte Homeland Security-Budget auf
USA stellt den
größten Marktanteil
92
Marktpotenziale
in den Bereichen
Grenzsicherheit,
Strahlungs- und
Explosivstoffdetektion,
IT-Netzwerksicherheit sowie
Remote-Videoüberwachung
über 49,9 Mrd. US-Dollar belaufen, wobei jedoch schätzungsweise lediglich 9,5 Mrd. US-Dollar privatwirtschaftliche Auswirkungen haben werden. Dabei werden vor allem Marktpotenziale in den Bereichen Grenzsicherheit, Strahlungs- und Explosivstoffdetektion, IT-Netzwerksicherheit
sowie Remote-Videoüberwachung gesehen.
Die Analysten gehen zudem davon aus, dass das Volumen des Homeland
Security-Marktes allein in den USA bis 2010 auf 115 Mrd. US-Dollar
ansteigen wird. Bezogen auf die Förderschwerpunkte und Ressortverteilungen ergibt sich daraus eine Verteilung für die einzelnen sicherheitstechnisch relevanten Bereiche (siehe Abb. 43), in der die Investitionen
für die technische und infrastrukturelle Modernisierung der Geheimdienste (Bereich „Intelligence“) mit 24 % den größten Anteil ausmachen.
Abb. 43: Aufschlüsselung des US-Homeland Security-Marktes im Jahre 2010 nach
Markt- und Investitionsfeldern (Quelle: Civitas Group Llc.)
Laut CivitasPrognosen für
das Jahr 2005, ist
Europa mit ca. 9
Mrd. US-Dollar
der zweitgrößte
Markt für sicherheitstechnische
Ausrüstungen und
Produkte
Europa ist, laut Civitas-Prognosen für das Jahr 2005, nach den USA mit
ca. 9 Mrd. US-Dollar der zweitgrößte Markt für sicherheitstechnische
Ausrüstungen und Produkte. Schätzungen zufolge hat 2004 allein die
Sicherheitsindustrie in Deutschland ca. 4 Mrd. US-Dollar Umsätze erreicht. Zusätzlich sind im Rahmen der europäischen Infrastruktur- und
Forschungsförderung 2004 ca. 700 Millionen Euro Fördermittel an Unternehmen aus dem Bereich Sicherheit und Raumfahrt geflossen.
Daneben sind im Zuge der EU-Osterweiterung, der finanziellen Unterstützung von Beitrittskandidaten sowie im Rahmen weiterer Verpflichtungen wie dem Schengener Abkommen weitere 400 Mio. Euro in den
Aufbau und die Verbesserung von Sicherheitsinfrastrukturen investiert
worden (z. B. über EU-Programmen wie Phare oder Meda). Insgesamt
weist der europäische Sicherheitsmarkt eine deutlich stärker fragmentierte Struktur auf als in den USA. Die Gründe hierfür leiten sich aus den
regionalen Unterschieden ab und erklären sich z. B. aus den abweichenden Sicherheitsbedürfnissen, einer heterogenen Förderstruktur in der Sicherheitsforschung und dem unterschiedlichen Stellenwert staatlicher
Sicherheitsausgaben in den europäischen Nationalstaaten. Hinzu kommt,
4. Analyse des Marktpotenzials der Sicherheitstechnik
dass das wirtschaftliche Potenzial und die öffentliche Wahrnehmung des
Sicherheitsmarktes in Europa stärker durch die Dual-Use-Problematik
und die strikte Trennung militärischer und ziviler Marktfelder bestimmt
wird und deshalb große Grauzonen zwischen dem Bereich ziviler sicherheitstechnischer Produkte und der Rüstungsgüterindustrie existieren. Die
in den USA weiter fortgeschrittene Definition eines einheitlichen Sicherheitsmarktes wird auf europäischer Ebene zusätzlich dadurch erschwert,
dass auf dem zentralen Feld der Inneren Sicherheit bzw. des Homeland
Security-Marktes die Absatzchancen zusätzlich durch ein uneinheitliches
Kundenspektrum geschmälert werden. Das hängt zusammen mit den europaweit unterschiedlichen staatlichen und institutionellen Zuständigkeiten und föderalen Strukturen, die schon auf nationalem Niveau zu uneinheitlichen Beschaffungsplanungen, Vergabezeiträumen und Ausgabenschwerpunkten führen. Deshalb werden im Zuge der Prioritätsfestlegung
„Raumfahrt und Sicherheitsforschung“ im 7. Forschungsrahmenprogramm, in dem voraussichtlich allein 250 Mio. Euro Fördermittel in die
Sicherheitsforschung fließen werden, wesentliche Anstrengungen unternommen, um im Vorfeld nicht nur das staatliche und wissenschaftliche
Umfeld zu aktivieren sondern auch alle für den Sicherheitsmarkt relevanten industriellen Akteure und Absatzmärkte zu identifizieren. Ähnlich
wie in den USA kristallisieren sich in Europa zentrale Marktentwicklungspotenziale im Bereich der Grenz- und Transportsicherheit, der Cybersecurity und der Telekommunikation heraus. Dabei werden in unterschiedlichen Marktbetrachtungen und Zukunftsprospektionen vor allem
biometrische Systeme, CBRNE-Sensoren, RFID-Trackingsysteme, unbemannte Fahrzeuge, Authentifizierungssysteme und ContainerScreeningsysteme als Schlüsselanwendungen mit den zukunftsträchtigsten Absatzchancen angesehen.
Im Gegensatz zu den relativ belastbaren Marktdaten zum Umfang des
europäischen und amerikanischen Sicherheitsmarktes lässt sich der wichtige ost-asiatische Zukunftsmarkt deutlich schlechter eingrenzen. So belief sich laut einer Schätzung der Japan Security Systems Association der
Markt für sicherheitstechnische Produkte und Systeme (Safety und Security) in Japan 2003 auf ca. 110 Mio. US-Dollar, während die Nationale
Polizei Agentur für dasselbe Jahr den Marktanteil sicherheitstechnischer
Dienstleistungen auf 293 Mio. US-Dollar bezifferte. Verglichen mit Zahlen aus dem Jahr 1998 wiesen die Märkte damit Steigerungsraten von
40 % respektive 30 % auf. Ähnlich wie in den anderen Industrienationen
werden auf der privat-industriellen Seite viel versprechende Teilmärkte
bei den Informations- und Datensicherheitssystemen, z. B. durch die Einführung neuer biometrischer Systeme in japanischen Banken und Finanzinstituten, sowie bei Personen- und Gebäudeschutzsysteme gesehen, deren gestiegene Nachfrage mit der seit 1998 um 40 % gewachsenen
Kriminalitätsrate erklärt wird. Auf der Regierungsseite werden zukünftige Ausgabeschwerpunkte vor allem auf dem Sektor der Flughafen- und
Flugsicherheit sowie der Marine- und Hafensicherheit konzentriert.
93
Zentrale Marktentwicklungspotenziale im Bereich der Grenzund Transportsicherheit, der
Cybersecurity und
der Telekommunikation
Ost-asiatischer
Zukunftsmarkt
Japan:
Schwerpunkte vor
allem auf dem
Sektor der Flughafen- und Flugsicherheit sowie
der Marine- und
Hafensicherheit
94
Zielmärkte und Schlüsseltechnologien
Schlüsseltechnologien
mit zentraler
sicherheitswirtschaftlicher
Bedeutung
Auch wenn der Prozess der Bildung eines einheitlichen Sicherheitsmarktes in den Leitmärkten USA und Europa noch nicht abgeschlossen ist, so
kristallisieren sich doch bereits technologische Schlüsselmärkte heraus,
die als wichtige Promotoren der weiteren wirtschaftlichen Entwicklung
angesehen werden. So sind im Rahmen der Civitas Homeland SecurityMarktstudie sieben Schlüsseltechnologien identifiziert worden, die nach
Auffassung der befragten Experten unter Berücksichtigung der gegenwärtigen und zukünftigen Käufer- und Marktinteressen, der technologischen Konkurrenzfähigkeit bzw. des Substitutionspotenzial sowie patentstrategischer Überlegungen von zentraler sicherheitswirtschaftlicher
Bedeutung sein werden:
1. Sensortechnologien
2. Identifikations- und Authentifizierungstechnologien
3. Abschirmungstechnologien
4. Überwachungstechnologien
5. Trackingtechnologien
6. Datenanalysetechnologien
7. Cybersecurity-Management-Technologien
Unter den aufgeführten Schlüsseltechnologiefeldern nimmt die Sensortechnologie als Einzelmarkt eine herausragende Stellung ein. Insbesondere in den USA werden die wesentlichen technologischen Herausforderungen und Entwicklungspotenziale in der Verwirklichung einer
übergeordneten und vernetzten Architektur für die Detektion chemischer,
biologischer, radiologischer, nuklearer und explosiver Materialien gesehen. Eine hierzu von der Civitas Group durchgeführte Portfolioanalyse
zu CBRN-Sensortechnologien auf der Basis zukünftig absehbarer technologischer Durchbrüche (z. B. im Bereich der Nanosensorik oder Nanoelektronik) und markttechnisch relevanter Entwicklungen (Stichwort:
„Dual-Use“) zeigt deutlich, dass vor allem in der Entwicklung einer Detektorarchitektur zur Prävention biologischer- bzw. nuklearer terroristischer Bedrohungen aussichtsreiche Investitionsmöglichkeiten und Absatzchancen gesehen werden.
Abb. 44: Portfioloanalyse der Investitions- und Marktchancen der Sensortechnologien
im Homeland Security-Markt (Quelle: Civitas Group Llc.)
In einer weiteren Studie zur Marktsituation und Anforderungen der Sensortechnologien für die CBRNE-Detektion (CBRNE = ChemischBiologisch-Radiologisch-Nuklear-Explosiv) hat die Civitas Group im
Februar 2005 hierzu eine Abschätzung des US-Marktpotenzials derzeitiger CBRNE-Sensoren auf der Basis der in den HSARPA4Bekanntmachungen aufgeführten Referenzkosten vorgenommen. Dabei
beläuft sich der in der abschließenden Prognose geschätzte jährliche
Marktwert auf 421,5 Mio. US-Dollar, wobei die Integration von
CBRNE-Sensoren mit 46 % den Hauptanteil ausmacht.
95
US-Marktpotenzial CBRNESensoren mit
geschätztem
jährlichem Marktwert von
421,5 Mio. USDollar
Abb. 45: Darstellung der CBRNE-Sensor-Marktsegmente (Quelle: Civitas Group
Llc.)
Gerade vor dem Hintergrund kommender technologischer Herausforderungen beim Aufbau autonom und flächendeckend agierender CBRNEDetektornetzwerke ist die Entwicklung einer „echten“5 Nanosensorik von
zentraler Bedeutung. Hier erweist sich die Förderung sicherheitstechnischer Anwendungen als wichtiger potenzieller Katalysator für die Entwicklung von Nanomaterialien und nanotechnologischen Produktionsverfahren mit dem Ziel, kostengünstig leistungs- und integrationsfähige
Nanosensoren herstellen zu können. Insbesondere im Bereich der Homeland Security wird deshalb ein wichtiger zukünftiger Markt für nanosensorische Technologielösungen gesehen. Der auf Nanotechnologie spezialisierte britische Marktforschungsdienstleister NanoMarkets prognostiziert in seinem neuesten Nanosensor-Report vom Dezember 2004 für die
wichtigsten potenziellen Nischenmärkte (> 100 Mio. US-Dollar) einen
weltweiten Anteil von über 860 Mio. US-Dollar bis 2009, wobei die Analysten hierbei lediglich von einer vorsichtigen zehnprozentigen Penetration nanosensorischer Applikationen in den Sensormarkt bis 2010 ausgehen.
Als weitere zentrale Markttreiber sicherheitstechnischer Applikationsentwicklungen werden auf internationaler Ebene die Einführung biometrischer Systeme und die sich in den letzten Jahren rasant vollziehende
4
5
HSARPA = Homeland Security Advanced Research Projects Agency
Kürzlich hat Lux Research in einer Nanosensor-Marktstudie festgestellt, dass nur 13
der 66 befragten Unternehmen, die als Nanosensor-Anbieter identifiziert wurden,
auch tatsächlich nanostrukturierte Materialien Verfahren für die Herstellung ihrer
Sensoren eingesetzt haben.
Marktforschungsdienstleister NanoMarkets prognostiziert für den
Nanosensormarkt
einen weltweiten
Anteil von über
860 Mio. USDollar bis 2009
96
Einführung biometrischer Systeme und Entwicklung des
RFID-Marktes
zentrale Markttreiber sicherheitstechnischer
Applikationsentwicklungen
Deutscher Biometriemarkt wird
von rd. 21 Mio.
Euro im Jahre
2005 auf ein
Volumen von ca.
144 Mio. Euro
im Jahr 2006
ansteigen
Globaler RFIDMarkt soll im Jahr
2008 die Schwelle
von 7 Mrd.
US-Dollar
übersteigen
Potenzielle
Nischenmärkte
Anwendungsentwicklungen
Entwicklung des RFID-Marktes angesehen. So sind z. B. in Deutschland
wesentliche Marktbarrieren für die Durchdringung der Biometrie, wie
z. B. die geringe technologische Standardisierung und das Fehlen von
Referenzprojekten, durch die Einführung des neuen elektronischen Reispasses entschärft worden. Jedoch bestehen laut jüngster Schätzungen des
IT-Verbandes BITKOM etwa 95 % derzeitiger Umsätze in Biometrieprojekten aus üblicher informations- und kommunikationstechnischer Hardware und -Software sowie IT-Dienstleistungen, während nur 5 % direkt
auf biometrische Systeme und Programme wie z. B. Fingerabdruckscanner oder spezielle Verschlüsselungssoftware entfallen. Das Schweizer
Marktforschungsinstitut Soreon Research geht in einer im Jahr 2004 erschienenen Schätzung davon aus, dass der deutsche Biometriemarkt von
rd. 21 Mio. Euro im Jahre 2005 auf ein Volumen von ca. 144 Mio. Euro
im Jahr 2006 ansteigen wird. Dabei fungieren die Nationalstaaten mit der
Einführung biometrischer Reisedokumente oder biometrischen Check-Ins
auf Flughäfen noch als klassische Innovationsmotoren, doch schon im
Jahr 2008 soll die privatwirtschaftliche Nachfrage speziell nach biometrischen Zugangstechnologien für Gebäude oder IT-Systeme den staatlichen
Bedarf übersteigen. Parallel zur steigenden Bedeutung biometrischer
Anwendungen in der Sicherheitstechnik wird die Radio-FrequenzIdentifikation (RFID) als zugkräftige Basistechnologie für die Realisierung sicherheitstechnischer Systeme und Produkte in der Flugsicherheit
bzw. generell für die Verbesserung der Sicherheit internationaler Transportwege und Güterströme angesehen. In Verbindung mit dem Einsatz
von RFID-Systemen entlang der gesamtwirtschaftlichen Wertschöpfungskette werden sicherheitstechnische Applikationen daher in der Zukunft eine wesentliche Rolle für die weiteren technologischen Entwicklungen und die Harmonisierung internationaler RFID-Standards spielen.
Laut einer Studie der auf RFID-Technologie spezialisierten IDtechex
Ltd. wird der globale RFID-Markt im Jahr 2008 die Schwelle von 7 Mrd.
US-Dollar übersteigen, wobei allein der westeuropäische Markt einen
Anteil von über 1 Mrd. US-Dollar einnehmen wird. Vor dem Hintergrund der sich abzeichnenden kontinuierlich sinkenden Kosten für RFIDEtiketten und Abfrageeinrichtungen werden auch sicherheitstechnische
Anwendungsentwicklungen davon profitieren. Die wichtigsten potenziellen Nischenmärkte sind
•
elektronische Pässe und Reisedokumente auf der Basis neuer Antiterrorismusgesetze und Einreiseverordnungen - jüngstes Beispiel ist das
derzeit in China für 6 Mrd. US-Dollar entwickelte nationale IDKarten-System
•
elektronische Fußfesseln bzw. Gefängnisüberwachungssysteme
•
Systeme zur Rückverfolgbarkeit von Rohstoffen und Lebensmitteln
angesichts neuer Gesetze (z. B. EU-Verordnung 178/2002 zur lückenlosen Rückverfolgung von Lebensmitteln) und so unterschiedlicher Bedrohungspotenziale wie Bioterrorismus, Vogelgrippe, BSE
oder Produktfälschung
•
Container-Tracking und -Sicherheitssysteme auf der Basis internationaler Initiativen politischer und wirtschaftlicher Stakeholder zur Sicherung globaler Lieferketten (z. B. die Container Security Initiative
(CSI), die Customs-Trade Partnership Against Terrorism (C-TPAT)
und die Operation Safe Commerce)
•
Gesundheitsvorsorge und Bio-Monitoringsysteme
•
allgegenwärtige bzw. ubiquitäre Sensornetzwerke (USN) als „Detectto-Warn“-Systeme vor Naturkatastrophen, vor Angriffen mit CBNWaffen oder andere drahtlose Überwachungssysteme
97
99
5
ZUSAMMENFASSUNG UND SCHLUSSFOLGERUNG
In der vorliegenden Übersichtsstudie zur „Nutzung der Nanotechnologie
in sicherheitstechnischen Anwendungen“ konnte für die Anwendungsfelder kritische Infrastrukturen und technische Anlagen, Umwelt, Daten,
Personen sowie Güter und Waren gezeigt werden, dass die Nanotechnologie als ein zukunftstechnologisches Schlüsselfeld schon heute ein hohes Beitragspotenzial bei der Entwicklung und Realisierung sicherheitstechnischer Applikationen besitzt. Die Bandbreite der Integration
nanotechnologischen Know-hows bei der anwendungsnahen Entwicklung sicherheitstechnischer Systeme reicht dabei von der Modifizierung
bereits eingesetzter Verfahren und Materialien aus der industriellen Oberflächen- und Materialtechnik bis hin zur Nutzung basistechnologischer Ansätze z. B. aus der Nanosensorik, der chemischen Nanotechnologie oder der Nanoelektronik. Mit der gezielten Steuerung
physikalischer oder quantenmechanischer Eigenschaften von Nanopartikeln und der Möglichkeit eines kontrollierten Aufbaus funktionaler zweioder dreidimensionaler Materialstrukturen stellt die Nanotechnologie in
allen Anwendungsfeldern für die Sicherheitsforschung eine wichtige
technologische Integrations- und Entwicklungsplattform dar, durch die in
der Überschneidung zu anderen Themenfeldern wie der Biotechnologie,
Medizin, Optik oder Mikrosystemtechnik wichtige material- und verfahrenstechnische Grundlagen und Instrumentarien bereitgestellt werden. In
der folgenden Abbildung sind zusammenfassend die Technologiefelder
bzw. Nanosec-Schwerpunkte aufgeführt, in der vor dem Hintergrund der
komplexen Aufgabenstellungen, der systemspezifischen Anforderungsprofile und des Marktpotenzials zukünftiger sicherheitstechnischer Anwendungen maßgebliche nanotechnologische Impulse für die Sicherheitsforschung zu erwarten sind oder bereits zu ersten
Produktumsetzungen geführt haben.
techn. Anlagen/
krit.
Infrastrukturen
• Überwachungsund Detektortechnologien
• Dekontaminationstechnologien
• mechanische
Schutzbeschichtungen
oder konstruktionsverstärkende Kompositmaterialien
Umwelt
Daten
• Umwelt• KryptoMonitoringgraphiesysteme,
technoloUmweltsengien
soren und
• EMultrafeinparAbschirtikelmessmungstechnik
technolo• Reinigungsgien
und Aufberei- • Datentungstechnosicherungs
logien
-technologien
Abb. 46: Nanosec-Technologieschwerpunkte
Personen
• biometrische
Systeme
• personenbezogene
Kontroll- und
Detektortechnologien
• technische
Textilien
oder personengebundene
Schutzsysteme
Güter/
Waren
• Identifizierungsbzw.
Fälschungsschutztechnologien
• Tracking- und
• Screeningund Inspektionstechnologien
Nanotechnologie
besitzt als ein
zukunftstechnologisches Schlüsselfeld schon heute
ein hohes Beitragspotenzial bei
der Entwicklung
und Realisierung
Applikationen
Nanotechnologie
stellt in allen
Anwendungsfeldern für die
Sicherheitsforschung eine
wichtige technologische Integrations- und
Entwicklungsplattform dar
100
Zunahme
asymmetrischer
Bedrohungen,
gestiegener Sicherheitsbedarf
bei staatlichen
wie zivilen
Endnutzern
und verstärkte
Wahrnehmung der
Sicherheit als
wirtschaftlicher
Standortfaktor
erzeugt
„Technology Pull“
Integration neuartiger nanotechnologischer Forschungsansätze
ermöglicht zukünftige Sicherheitssysteme mit
funktionalen und
materialtechnischen Alleinstellungsmerkmalen
Beispiele für eine
zielgerichtete und
anwendungsnahe
Umsetzung nanotechnologischen
Know-hows in
sicherheitstechnische Produkte
Die unterschiedliche Relevanz nanotechnologischer Entwicklungsbeiträge in den Nanosec-Technologieschwerpunkten wird, neben der produktbzw. kostentechnischen Umsetzbarkeit und zu berücksichtigender langfristiger Entwicklungszyklen z. B. beim Aufbau flächendeckender
CBRNE-Sensornetzwerke, vor allem von einem dynamischen marktund
sicherheitspolitsichen Umfeld bestimmt bzw. gefördert. So ist in den
letzten Jahren mit der Zunahme asymmetrischer Bedrohungen und des
damit bei staatlichen wie zivilen Endnutzern gestiegenen Sicherheitsbedarfs, aber auch aufgrund der verstärkten Wahrnehmung der Sicherheit
als wirtschaftlicher Standortfaktor ein „Technology Pull“ zu verzeichnen,
der vor allem bei den Systemanbietern auf dem Sicherheitsmarkt sowie
innerhalb der zuständigen staatlichen Beschaffungsstrukturen zu einer
deutlich gestiegenen Nachfrage nach innovativen Sicherheitstechnologien und ganzheitlichen Sicherheitskonzepten geführt hat. Bedarfsorientierte Schwerpunkte und marktrelevante Entwicklungsfelder in der Sicherheitsforschung sind auf nationalem wie internationalem Niveau die
Grenz- und Transportsicherheit, der Schutz kritischer Infrastrukturen, die
präventive Friedenssicherung bzw. die Wiederherstellung der Sicherheit
im Krisenfall sowie der Schutz der Bevölkerung vor Terrorismus und
Kriminalität.
Die in der Studie aufgeführten Anwendungsbeispiele und technologischen Entwicklungen zeigen, dass der sicherheitstechnische Markt und
die Nachfrage nach integrierbaren und intelligenten sicherheitstechnischen Lösungen oder Produkten ein attraktives Eintrittsfenster für die
Nanotechnologie darstellt. Dabei bietet sich die Möglichkeit, neben den
etablierten materialspezifischen Anwendungsoptionen in Nanocoatings,
nanoporösen Membranen oder nanokatalytischen Systemen auch die große Bandbreite grundlegender Forschungs- und Entwicklungprojekte einzubeziehen, die die Einsetzbarkeit sensorischer oder aktorischer Eigenschaften nanoskaliger Materialien und Strukturen untersuchen. Eine
Hauptaufgabe zukünftiger Applikationsentwicklungen besteht deshalb
darin, aus der Blickrichtung sicherheitsrelevanter Aufgabenstellungen
nanotechnologische Grundlagenforschungsergebnisse in eine marktund
anwendungsnahe Produktentwicklung zu übertragen. Auf diese Weise
können durch die Integration neuartiger nanotechnologischer Forschungsansätze zukünftige Sicherheitssysteme mit funktionalen und materialtechnischen Alleinstellungsmerkmalen ausgestattet werden, die
auch etwaig höhere Entwicklungs- und Produktionskosten rechtfertigen
würden.
Aktuelle Beispiele für eine zielgerichtete und anwendungsnahe Umsetzung nanotechnologischen Know-hows in sicherheitstechnische Produkte
oder Prototypen sind bei den in der Studie ausgewählten Technologieschwerpunkten insbesondere im Bereich der Dekontaminations- (kritische Infrastrukturen/Technische Anlagen) bzw. Reinigungs- und Aufbereitungstechnologien (Umwelt) sowie bei den technischen oder
intelligenten Textilien und personengebundene Schutzsystemen zu finden, z. B. auf der Basis bioazider Nanopartikel, photokatalytischer Titandioxidbeschichtungen oder nanoporöser Membran- und Filtertechnolo-
5. Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
101
gien. Weitere inzwischen marktrelevante sicherheitstechnische Applikationen mit hohem nanotechnologischen Beitragsfaktor sind beispielsweise im Bereich der Identifizierungs- und Fälschungsschutztechnologien
durch den Einsatz nanostrukturierter Barcodes oder nanopartikelbasierter
Markierungssysteme (Güter und Waren) oder bei den Datensicherungstechnologien (Daten) in Form von neuartigen Speichertechnologien auf
der Basis nanokristalliner Materialien oder optischer Speichersysteme.
An der Schwelle zur Umsetzung und Integration nanotechnologischen
Know-hows in sicherheitstechnischen Systeme und Applikationen stehen
unter anderem quantenkryptographische Systeme im NanosecTechnologieschwerpunkt Kryptographietechnologien (Daten) sowie die
Realisierung von Sensor- und Detektorplattformen mit systemintegrierten
NEMS- oder Lab-on-Chip-Bausteinen (z. B. über die Nanokantilevertechnologie), die als Systembausteine in den Schwerpunkten Überwachungs- und Detektortechnologien (kritische Infrastrukturen/Technische
Anlagen), Umwelt-Monitoringsysteme/Umweltsensoren und Ultrafeinpartikelmesstechnik (Umwelt) sowie personenbezogene Kontroll- und
Detektortechnologien (Personen) von zentraler Bedeutung sind.
Ein darüber hinaus weisendes langfristiges Entwicklungspotenzial in der
Sicherheitsforschung wird des Weiteren die schrittweise Einführung von
Nanofabrikationsmethoden und die Vielzahl grundlagenforschungsorientierter Ansätze zur Erzeugung nanosensorischer Schichten und der verfahrenstechnischen Steuerung elektromagnetischer oder materialverstärkender
Eigenschaften
von
Nanomaterialien
haben.
Unter
Berücksichtigung der sich auf diesen Feldern abzeichnenden grundlegenden Fortschritte ist davon auszugehen, dass in Zukunft, z. B. durch die
Bereitstellung leistungsfähigerer optischer bzw. elektronischer Bauelemente und Beschichtungstechnologien, die auf sicherheitsspezifische
Aufgabenstellungen und Einsatzszenarien ausgerichtete Applikationsentwicklung zielgerichtet beschleunigt werden kann. Das gilt insbesondere für EM-Abschirmungstechnologien (Anwendungsfeld Daten), Biometrischer Systeme (Anwendungsfeld Personen), von Tracking- und
Überwachungstechnologien (Anwendungsfeld Güter und Waren) sowie
von Screening- und Inspektionstechnologien (Anwendungsfeld Güter
und Waren).
Die wichtigsten in der Studie festgestellten Alleinstellungskriterien für
die Realisierung zukünftiger Sicherheitstechnologien sind in elektronischen Systemen (z. B. CBRNE-Sensoren, Röntgenscannern oder biometrischen Systemen) vor allem kurze Reaktions- bzw. Ansprechzeiten, geringe Fehler- oder Rückweisungsraten, hohe Systemstabilität bzw.
Manipulationssicherheit sowie Multimodalität bzw. Multianalysefähigkeiten. Bei passiven materialbasierten Schutzsystemen wird neben der
Verbesserung sicherheitsrelevanter Materialparameter, wie der Maximierung thermischer, chemischer oder mechanischer Belastbarkeit, das langfristige Ziel verfolgt, durch den Einsatz intelligenter Materialien autarke,
selbstwirkende bzw. selbstheilende Sicherheitssysteme in Textilien, Konstruktionswerkstoffe und Schutzbeschichtungen zu integrieren.
In der Studie
festgestellten
Alleinstellungskriterien für die
Realisierung
zukünftiger
Sicherheitstechnologien
102
Zusammenfassendes Fazit der
Übersichtsstudie
Entwicklungsoption der
Sicherheitsforschung liegt in
der Nutzung und
Modifizierung
bestehender
nanotechnologischer
Forschungsansätze
Erstellung
sicherheitspezifischer
Bedarfs- und
Einsatzmodelle
Weitere Aufgaben
bei der Formulierung und
Bewertung des
zukünftigen
Forschungsbedarf
in der Sicherheitsforschung
Zukünftige Entwicklung sicherheitstechnischer
Applikationen und
Systeme wird
auch zu wesentlichen Teilen von
gesellschaftlichen
und wirtschaftspolitischen
Faktoren bestimmt werden
Als zusammenfassendes Fazit der Übersichtsstudie ist festzuhalten, dass
die Nanotechnologie durch ihren schlüsseltechnologischen Charakter und
die technologische Ausstrahlungswirkung auf andere Enabling Technologien, wie der Biotechnologie oder den optischen Technologien, in fast
allen Anwendungsfeldern hohe Beitragspotenziale für die zunehmend
anwendungs- und systemorientierte Entwicklung sicherheitstechnischer
Applikationen aufweist. Vor dem Hintergrund der gegenwärtig auf nationaler und europäischer Ebene stattfindenden Neuausrichtung und Zusammenführung forschungs- und sicherheitspolitischer Ziele, liegt dabei
eine entscheidende Entwicklungsoption der Sicherheitsforschung in der
Nutzung und Modifizierung bestehender nanotechnologischer Forschungsansätze, z. B. aus im Bereich der Werkstoff- und Verfahrenstechnik oder der Sensorik. Eine darüber hinaus weisende Formulierung
des F&E-Bedarfes in der Sicherheitsforschung im Kontext nanotechnologischer Entwicklungsbeiträge muss eng mit der Erstellung sicherheitspezifischer Bedarfs- und Einsatzmodelle verbunden sein, um auf
diese Weise frühzeitig und in einem ganzheitlichen Ansatz sicherheitsrelevante Aufgabenstellungen bzw. sicherheitstechnologische Anforderungsprofile in die Forschungsförderung einfließen zu lassen. In der Studie sind hierzu beispielhaft für die einzelnen Anwendungsfelder
Anforderungsprofile formuliert worden, in denen die jeweilige sicherheitstechnische Bedarfssituation und mögliche nanotechnologische Entwicklungsbeiträge in ein anwenungsorientiertes Nanosec-Zielprofil zusammengeführt werden.
Eine weitere Aufgabe bei der Formulierung und Bewertung des zukünftigen Forschungsbedarfs in der querschnittsorientierten Sicherheitsforschung besteht, bezogen auf die Nanotechnologie sowie andere basisund systemtechnologische Entwicklungsbeiträge, darin, vorhandene Forschungssynergien und -ansätze aus der Umwelttechnik, der Luft- und
Raumfahrt oder dem Safety-Bereich zu berücksichtigen und im Kontext
der Definition ziviler Sicherheitsforschungsziele die Trennlinie zwischen
ziviler und militärischer Forschung (Dual-Use-Problematik) aufzulösen.
Obwohl das Hauptaugenmerk der vorliegenden Studie auf die durch Anwendungsbeispiele hinterlegte Betrachtung nanotechnologischer Optionen und bedarfsorientierter Rahmenbedingungen der Sicherheitsforschung liegt, wird die zukünftige Entwicklung sicherheitstechnischer
Applikationen und Systeme auch zu wesentlichen Teilen von gesellschaftlichen und wirtschaftspolitischen Faktoren bestimmt werden. Die
Diskussionen umfassen sowohl grundlegende Fragestellungen („Wieviel
Sicherheit brauchen wir?“), Nachhaltigkeits- oder Globalisierungseffekte
und die Rolle der Sicherheit als „weicher“ Wettbewerbs- und Standortvorteil als auch spezifische Fragenkomplexe zum nanotechnologischen
Beitrag in der Sicherheitsforschung (z. B. zu gesundheitlichen Risiken
und wehrtechnischem Potenzial der Nanotechnologie).
Aus diesem Grund wird es bei der Erstellung sicherheitstechnischer Bedarfs- und Einsatzszenarien zunehmend notwendig werden, neben den
rein entwicklungstechnischen Aufgabenstellungen auch in verstärktem
Maße sozioökonomische, ökologische und sozialwissenschaftliche Fragestellungen zu berücksichtigen.
103
6
ANHANG
6.1
Darstellung der Fördersituation in der Sicherheitsforschung
Die Förderung sicherheitsrelevanter Technologien und Anwendungen im
Rahmen spezifischer Schwerpunktprogramme oder in Form von Einzelprojekten wird insbesondere in den USA, aber auch auf deutscher und
europäischer Ebene zunehmend als eigenständiges Förderfeld wahrgenommen. Die Sicherheitsforschung umfasst dabei als stark querschnittsorientierter Bereich sowohl anwendungsorientierte Forschungsthemen als
auch die Untersuchung sozio-ökonomischer oder gesellschaftlicher Auswirkungen von Sicherheitsrisiken. Als systemtechnologisch orientiertes
Förderfeld wird die Sicherheitsforschung grundsätzlich von multidisziplinären Aufgabenstellungen bestimmt, auf deren Grundlage zielgerichtet sicherheitstechnische Anwendungen oder Lösungen entwickelt werden sollen. Aufgrund des breiten Spektrums vorhandener sicherheitsrelevanter Forschungs- und Technologieansätze wird die Sicherheitsforschung deshalb aus den unterschiedlichsten Forschungsfeldern wie
z. B. der Nanotechnologie, der Informations- und Kommunikationstechnik, der Medizintechnik, den optischen Technologien oder den Ingenieurwissenschaften gespeist.
Wesentliche Kernpunkte internationaler Sicherheitsforschungsprogramme sind der Schutz der Bevölkerung, nationaler Territorien und kritischer
Infrastrukturen vor den transnationalen Bedrohungen durch Terrorismus
oder organisierter Kriminalität sowie die Stärkung und Vernetzung internationaler Sicherheitsstrukturen zur Konfliktprävention und Friedenserhaltung. Während in den USA bei der Förderung sicherheitsrelevanter
Technologien das Gewicht auf die Prävention und Abwehr terroristischer
Anschläge liegt und hier wesentliche Innovationsimpulse aus der militärischen Forschung stammen, wird in der EU die sicherheitstechnische
Themenstellung breiter aufgefasst und stärker in einem gesellschafts- und
wirtschaftspolitischen Kontext gestellt. Die für das europäische Sicherheitsforschungsprogramm als Teil des 7. Forschungsrahmenprogramms
formulierten Ziele betonen die zivile Nutzung zukünftiger sicherheitstechnische Produkte und sind stärker auf mögliche private oder öffentliche Endnutzer und Märkte sicherheitstechnologischer Lösungen ausgerichet. Im Gegensatz zu den USA, in der die Flankierung sicherheitsstrategischer Überlegungen im Vordergrund steht, wird Sicherheit im
deutschen und europäischen Kontext als langfristiger und globaler
Standort- und Wettbewerbsfaktor wahrgenommen. Die Betonung ziviler
sicherheitstechnischer Anwendungsoptionen und die Aktivierung privatwirtschaftlicher und gesellschaftlich relevanter Akteure sind auf europäischer Ebene wesentliche Bestandteile des auf Transparenz ausgelegten
Prozesses zur Strukturierung und Themenpriorisierung des 2007 beginnenden Sicherheitsforschungsprogramms.
Im Zuge des von der EU seit 2004 aufgelegten Arbeitsprogrammes
„Vorbereitende Maßnahmen auf dem Gebiet der Sicherheitsforschung“
Sicherheitsforschung stark
querschnittsorientiertes
Förderfeld
Kernpunkte
internationaler
Sicherheitsforschungsprogramme
Europäisches Sicherheitsforschungsprogramm
betont die zivile
Nutzung zukünftiger sicherheitstechnischer
Produkte
104
Schaffung
geeigneter
Förderinstrumente und
Organisationsstrukturen zur
Steigerung der
Kohärenz in den
europäischen
Forschungsfachprogrammen
In den USA liegt
das Hauptaugenmerk auf die
Mobilisierung
wissenschaftlicher
und industrieller
Ressourcen
In Deutschland
Schwerpunkt im
Bereich der
zivilen Sicherheitsforschung
(PASR) und dem damit eingeleiteten Aktivierungprozess aller in der Sicherheitsfoschung relevanten Akteure, ist auf EU-Ebene die Grundlage
für einen langfristigen sicherheitsstrategischen Prozess geschaffen worden. Der unter anderem mit der Schaffung eines „Security Advisory
Board“ kontinuierlich ausgelegte Strategieprozess europäischer Sicherheitsforschung wird dabei von zwei Eckpunkten markiert. Zum einen soll
durch Schaffung geeigneter Förderinstrumente und Organisationsstrukturen die Kohärenz in den europäischen Forschungsfachprogrammen gesteigert und eine effektivere Koordination und Kooperation zwischen den
Nationen bzw. den Nutzern sicherheitstechnischer Anwendungen realisiert werden. Zum anderen soll durch die Förderung innovativer und multifunktionaler Sicherheitstechnologien (Stichwort: „Dual Use“) die Trennungslinie zwischen ziviler und militärischer Forschung aufgelöst
werden. In den USA ist die Priorisierung der Forschungsinvestitionen
bereits durch die Schaffung zentraler Organisations- und Förderstrukturen (DHS/HSARPA) realisiert worden, wobei das Hauptaugenmerk auf
die Mobilisierung wissenschaftlicher und industrieller Ressourcen und
auf die beschleunigte Entwicklung und Markteinführung sicherheitstechnischer Applikationen in den Kernfeldern der Homeland Security ausgerichtet ist. Über die angesprochenen Schwerpunktsetzungen hinaus, finden auch Förderkriterien Berücksichtigung, die insbesondere für die
transatlantische Dimension der Sicherheitsforschung von großer Bedeutung sind. Zu ihnen zählen die bei der Förderung universell einsetzbaren
Sicherheitstechnologien zu gewährleistende Berücksichtigung internationaler Technologiestandards sowie die Vermeidung von Doppelförderungen in europäischen und amerikanischen Sicherheitsforschungsprogrammen.
Auf deutscher Ebene ist die Sicherheitsforschung in der Regierungserklärung der Ministerin für Forschung und Bildung Frau Dr. Annette Schavan vom 1. Dezember 2005 als Forschungsschwerpunkt genannt worden.
Dabei wird unter Federführung des Bundesministeriums für Bildung und
Forschung und unter Einbeziehung u. a. der Ressorts Wirtschaft und Inneres der Schwerpunkt im Bereich der zivilen Sicherheitsforschung gesetzt. Neben der thematischen Mitgestaltung des europäischen Sicherheitsforschungsprogrammes sollen insbesondere deutsche Akteure
und Endnutzer mobilisiert werden. Bis Ende 2006 soll eine nationale
Strategie zur Sicherheitsforschung erarbeitet werden, die als Grundlage
für die Initiierung bundesweiter Fördermaßnahmen sowie der Festlegung
nationaler Forschungsschwerpunkte dienen soll. Dabei sollen im Hinblick auf die europäische wie internationale Ausrichtung in der Sicherheitsforschung insbesondere die Stärken Deutschlands beim Übertragen
ziviler Technologien z. B. aus dem Bereich Informations- und Kommunikationstechnologie, den optischen Technologien, der Nanotechnologie
oder der Mikrosystmetechnik in den Bereich der zivilen Sicherheit in den
Vordergrund gestellt werden.
Die folgende Aufstellung liefert eine querschnittsartige Übersicht über
nationale und internationale Forschungsprojekte, Programme und Aktivitäten mit sicherheitsspezifischer oder sicherheitsrelevanter Themenausrichtung aus Deutschland, der Europäischen Union und den USA.
6. Anhang
Deutschland
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Anlagen-/Infrastrukturensicherheit:
o InnoRegio Maritime Allianz Ostsee Verbundprojekt Integriertes Security System
(2004-2006; Gesamtfördersumme: 497000 €)
Entwicklung eines Sicherheits- und Personenkontrollsystems für den
Schiffsverkehr auf der Ostsee.
(Teilnehmer: u. a. Institut für Sicherheitstechnik/Schiffssicherheit
e.V., Hochschule Wismar, Ingenieurgesellschaft für maritime Sicherheitstechnik und Management mbH Warnemünde)
o Verbundprojekt AutoMAV (2004-2006; Gesamtfördersumme:
687000 €)
Sicherheitstechnische Überwachung von Flughäfen.
(Teilnehmer: DLR e.V., RWTH Aachen, Technische Universität
Braunschweig)
Umweltsicherheit:
o Verbundprojekt SAFE-XUV (2005-2008; Gesamtfördersumme:
1,25 Mio. €)
Detektion sicherheitsrelevanter Substanzen mittels Fotoionisationsmassenspektroskopie durch den Einsatz von XUV-Lichtquellen
(Teilnehmer TuiLaser AG, Optimare Optische Meßverfahren für
Meeresforschung und Umweltüberwachung GmbH)
o Verbundprojekt Grundlegende Untersuchungen zur Gasanalyse mit
Diodenlasern (1997-2001; Gesamtfördersumme: 2,25 Mio. €)
(Teilnehmer: u. a. TU Berlin, Laserzentrum Hannover, RuprechtKarls-Universität Heidelberg, Drägerwerk Aktiengesellschaft)
o Verbundprojekt SENSYS (2002-2005; Gesamtfördersumme:
1,16 Mio. €)
Entwicklung eines Sensorsystems zur Erhöhung der Sicherheit von
(Erd-) Gas als weitverteilten Energieträger.
(Teilnehmer: E.T.R. Elektronik Technologie Rump GmbH, UST
Umweltsensortechnik GmbH, Universität Gießen, Gaswärme-Institut
e.V. Essen)
o Projekt Elektronische Nase (1996-1997; Gesamtfördersumme:
48000 €)
(Teilnehmer: Hochschule Anhalt (FH))
105
106
o Verbundprojekt Künstliche Nasen im industriellen Bereich Nosebox
(1996-1999; Gesamtfördersumme: 4,53 Mio. €)
Entwicklung von sensitiven Gassensoren für den industriellen Bereich.
(Teilnehmer: u. a. E.T.R. Elektronik Technologie Rump GmbH,
Universität Gießen, Universität Marburg, RWTH Aachen, Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS),
Deutsche Montan Technologie GmbH)
o Verbundprojekt ELMINA (1999-2002; Gesamtfördersumme:
2,91 Mio. €)
Entwicklung Elektronischer Nasen als hochintegrierte Mikrosysteme.
(Teilnehmer: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH)
o Verbundprojekt PEGAS (2002-2006; Gesamtfördersumme:
1,11 Mio. €)
Entwicklung von prüfbaren Einzel-Gas Array Sensoren.
(Teilnehmer: GfG - Gesellschaft für Gerätebau mbH, Exam BBG
Prüf- und Zertifizier GmbH)
o Projekt MICROGAS (2005-2008; Gesamtfördersumme: 260000 €)
Entwicklung eines miniaturisierten Gassensormoduls auf der Basis
der Mikrosystemtechnik für sicherheitstechnische Anwendungen in
der Gebäude- und Fahrzeugtechnik.
(Teilnehmer: Fachhochschule Dortmund)
o Verbundprojekt LEGUAN (1998-2001; Gesamtfördersumme:
1,57 Mio. €)
Entwicklung von Low-Power-Mikrogassensoren für energietechnische und umweltrelevante Anwendungen.
(Teilnehmer: u. a. Siemens, TU Berlin, SGS INSTITUT
FRESENIUS GmbH)
o Projekt MISCHGAS (1997-1999; Gesamtfördersumme: 301000 €)
Entwicklung mikrostrukturierter Sensorsysteme für die chemische
Gasanalyse.
(Teilnehmer: Universität Tübingen)
o Projekt Entwicklung eines tragbaren Gaschromatographen mit Massenspektrometer für die Umweltanalytik (2001-2004; Gesamtfördersumme: 227000 €)
(Teilnehmer: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung)
o Verbundprojekt Integrierter Umweltschutz in der Lebensmittelindustrie durch selektive Minimierung von Gerüchen (2004-2006; Gesamtfördersumme: 562000 €)
Entwicklung eines Gassensorenarrays.
6. Anhang
(Teilnehmer: u. a. Universität Hamburg, TU Hamburg-Harburg,
AIRSENSE Analytics GmbH)
o Verbundprojekt IESSICA (2002-2005; Gesamtfördersumme:
1,64 Mio. €)
Entwicklung eines industriellen Gas-Sensor (Experten)-Systems (in
Verkehr und Umwelt) auf Si-Carbid-Basis.
(Teilnehmer: u. a. EADS Deutschland GmbH, TU Berlin, TU Ilmenau, SGS INSTITUT FRESENIUS GmbH)
o Projekt SAFE (2005-2008; Gesamtfördersumme: 260000 €)
Entwicklung eines miniaturisierten Sensor-Array in Siliziumtechnik
für die Umweltanalytik.
(Teilnehmer: Fachhochschule Aachen)
o Projekt Immunosensoren zur Bioprozesskontrolle und Umweltanalytik (1991; Gesamtfördersumme: 49000 €)
(Teilnehmer: ADW - Zentralinstitut für Molekularbiologie)
o Projekt Duftstoff- und Immunosensoren (1991; Gesamtfördersumme:
25000 €)
Entwicklung von Bio/Chemosensoren auf der Basis von Piezo- und
Akustischen Oberflächenwellenresonatoren
(Teilnehmer: ADW - Zentralinstitut für Molekularbiologie)
o Verbundprojekt EICA (1996-1998; Gesamtfördersumme: 330000 €)
Entwicklung eines Immunosensorsystems in Chipformat; Elektrochemischer Immunoassay für umweltrelevante Schadstoffe.
(Teilnehmer: Drägerwerk Aktiengesellschaft, BioTeZ Berlin-Buch
GmbH)
o Verbundprojekt TRAEKAT (2005-2007; Gesamtfördersumme:
161000 €)
Entwicklung von trägerfixierten Katalysatoren für die Abluft- und
Wasserreinigung auf der Basis Plasmagestützer Oberflächentechnik.
(Teilnehmer: ULT AG, ReMetall Drochow GmbH)
o Projekt Entwicklung von Immunosensoren für die Pestizidanalytik
(1992-1994; Gesamtfördersumme: 72000 €)
(Teilnehmer: ICB Institut für Chemo- und Biosensorik GmbH)
o Verbundprojekt Grundlagen der lasergestützten schnellen vor-Ort
Bodenanalytik (1996-2000; Gesamtfördersumme: 3,6 Mio. €)
Entwicklung einer Diodenlaser-Raman-Sensorik für die organische
Spurenanalytik von Böden.
(Teilnehmer: u. a. Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT), Institut
für Spektrochemie und Angewandte Spektroskopie (ISAS), LaVision
GmbH, Laser Labor Adlershof e.V. (LLA), Universität ErlangenNürnberg, TU München)
107
108
o Verbundprojekt Zukunftsweisende Verfahrenstechniken zur Sanierung kontaminierter Böden (2002-2005; Gesamtfördersumme:
1,08 Mio. €)
(Teilnehmer: IFU Umweltanalytik GmbH, Universität HamburgUniklinikum Eppendorf)
o Projekt Biologische Dekontamination belasteter Böden (1994-1996;
Gesamtfördersumme: 190000 €)
(Teilnehmer: C&E Consulting und Engineering GmbH)
o Projekt Simultane Biologische Dekontaminierung von Multipel Belasteten Böden (1994-1996; Gesamtfördersumme: 261000 €)
(Teilnehmer: Gesellschaft für Flächenrecycling und Regionalentwicklung mbH)
o Verbundprojekt Biologische Sanierung von Rüstungsaltlasten (19932001; Gesamtfördersumme: 2,82 Mio. €)
(Teilnehmer: u. a. Universität Jena, Universität Marburg, SGS
INSTITUT FRESENIUS GmbH, Biologische Bundesanstalt für
Land- und Forstwirtschaft (BBA))
o Verbundprojekt Neuartige Miniaturisierte Biosensoren für die Umweltkontrolle (1993-1996; Gesamtfördersumme: 888000 €)
Entwicklung elektrochemischer Chip-Immunosensoren.
(Teilnehmer: IPHT Jena, Vericold Technologies GmbH, FraunhoferInstitut für Siliziumtechnologie (ISIT), Univ Hamburg)
o Verbundprojekt Nanoanalytik mit magnetischen Kalorimetern (20012004; Gesamtfördersumme: 207000 €)
Entwicklung von Sensoren.
(Teilnehmer: Universität Heidelberg)
o Verbundprojekt MEGA (1994-1998; Gesamtfördersumme:
1,44 Mio. €)
Entwicklung eines Multielektroden-Gasanalytiksystems auf der Basis
von festen Sauerstoffionenleitern und entsprechender Sensorkomponenten.
(Teilnehmer: u. a. Heraeus GmbH, Universität Tübingen, Universität
Greifswald, ZIROX Sensoren & Elektronik GmbH)
o Verbundprojekt MOW (1996-1999; Gesamtfördersumme: 600000 €)
Einsatz der Mikrosystemtechnik in der online-Wasseranalytik; Entwicklung eines mikrosystemtechnischen Mehrfachsensors.
(Teilnehmer: RAP Riß GmbH, TU Braunschweig, GEOS Daten- und
Umwelttechnik GmbH)
o Verbundprojekt FLUOPLEX (2005-2008; Fördersumme:
1,08 Mio. €)
6. Anhang
Gesundheitsvorsorge durch Fluoreszenz-Multiplexing. Nanostrukturierte Fluoreszenzmarker für hochsensitive MultiparameterFluoreszenz-Messverfahren in der Bioanalytik und medizinischen
Diagnostik
(Teilnehmer: u. a. Forschungszentrum Jülich GmbH Sigma-Aldrich
Produktions GmbH, SCHOTT AG, PicoQuanT GmbH, IOM Innovative Optische Messtechnik GmbH)
o Verbundprojekt Entwicklung eines DNA-Chips zur Analyse von Einzelzellexpressionsmustern (1998-2001; Fördersumme: 1,11 Mio. €)
Entwicklung eines DNA-Chips für Sensorik, Analytik, Pathologie
(Teilnehmer: MEDEEA Forschungs-GmbH, ICB Institut für Chemound Biosensorik GmbH)
o Verbundprojekt Hochsensitive markierungsfreie DNA-Mikrochip
Analytik (2000-2002; Fördersumme: 310000 €)
Entwicklung einer direkten Diagnostik von DNA auf BiosensorChips und einer PNA-Chemie.
(Teilnehmer: Universität Münster, Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ))
o Projekt PATUTEST (2005-2008; Fördersumme: 260000 €)
Entwicklung eines immunchemischen Schnelltestverfahrens zum
Nachweis von Patulin in Lebensmitteln.
(Teilnehmer: Hochschule Neubrandenburg)
o BioChancePLUS (2004-2006; Fördersumme: 132000 €)
Weiterentwicklung der Real-Time-PCR-Technologie zur Steigerung
der Qualitätssicherung in der Lebensmittelindustrie.
(Teilnehmer: Q-Bioanalytic GmbH)
o BioProfile Potsdam/Berlin: Verbundprojekt: AllerGenChip (20022006; Fördersumme: 518000 €)
Entwicklung eines integrierten Schnellnachweissystems auf der Basis
eines DNA-Chips zum semiquantitativen Nachweis (Schwellenwert)
von Allergenen in Lebensmitteln.
(Teilnehmer: Charité - Universitätsmedizin Berlin, Congen Biotechnologie GmbH)
o BioProfile Potsdam/Berlin: DNA Addukte zur Beurteilung der Sicherheit konventioneller und neuartiger Lebensmittel (2003-2006;
Fördersumme: 300000 €)
Entwicklung eines integrierten Schnellnachweissystems auf der Basis
eines DNA-Chips zum semiquantitativen Nachweis (Schwellenwert)
von Allergenen in Lebensmitteln.
(Teilnehmer: Deutsches Institut für Ernährungsforschung (DIfE))
109
110
o InnoRegio BioHyTec Verbundprojekt Immunoassay-Biochip zum
Mykotoxin-Nachweis in Lebensmitteln (2001-2004; Fördersumme:
887000 €)
Entwicklung eines Mykotoxin-BioChips und Auswahl der Antikörper
für den Chip.
(Teilnehmer: IGV Institut für Getreideverarbeitung GmbH, BioTeZ
Berlin-Buch GmbH, Biomed Research GmbH)
o Verbundprojekt Nichtlineare Laser-Rastermikroskopie (1998-2002;
Fördersumme: 2,31 Mio. €)
Entwicklung einer schnellen Biosensoranalytik mit hoher zeitlicher
und räumlicher Auflösung.
(Teilnehmer: u. a. IBA GmbH, LaVision GmbH, Universität Jena,
Leica Microsystems Heidelberg GmbH, Universität Heidelberg)
o Verbundprojekt Extrem (1997-2000; Fördersumme: 2,67 Mio. €)
Entwicklung eines Sensorclusters für extreme Umgebungsbedingungen; Oberflächenanalytische Charakterisierung von Mikrosystemen.
(Teilnehmer: u. a. Siemens, Chemnitzer Werkstoffmechanik GmbH
(CWM), Fries Research & Technology GmbH, Forschungszentrum
Rossendorf e.V. (FZR), Universität Ulm)
o Verbundprojekt NanoSIMS/NanoSAM (1999-2004; Fördersumme:
2,65 Mio. €)
Erprobung abbildender AES und SIMS Nanosonden; Erprobung eines Massenspektrometers (TOF-SIMS) für den nm-Bereich.
(Teilnehmer: u. a. Universität Münster, CEOS GmbH, Omicron Nano
Technology GmbH, ION-TOF Gesellschaft für Herstellung von Massenspektrometern mbH)
o Projekt Entwicklung eines mobilen LaserionisationsMassenspektrometers für online-Analysen im pptKonzentrationsbereich (1998-2001; Fördersumme: 163000 €)
(Teilnehmer: Universität Kiel)
Datensicherheit:
o Projekt VERISOFT (2003-2005; Gesamtfördersumme: 7,6 Mio. €)
Entwicklung von Methoden und Werkzeugen zur durchgängigen
formalen Verifikation von integrierten Computersystemen
(Projektleitung: Universität des Saarlandes)
o Projekt MIND (2004-2006; Gesamtfördersumme: 2,4 Mio. €)
Entwicklung neuer Methoden zur Detektion von und zum Schutz vor
Einbrüchen aus dem Internet in Computersysteme.
6. Anhang
(Projektleitung: Siemens; Teilnehmer: Fraunhofer FhG FIRST, IT
Service Omikron, Institute for Information and Automation (Petersburg))
o Projekt SICARI (2003-2007; Gesamtfördersumme: 5,6 Mio. €)
Entwicklung von leicht nutzbaren Diensten für die sichere Internetnutzung, insbesondere für mobile Anwendungen.
(Projektleitung: Zentrum für IT-Sicherheit; Teilnehmer: u. a. Fraunhofer Gesellschaft, TU Darmstadt, T-Systems, Philips)
o DFN - Deutsches Forschungsnetzwerk (1999-2003; Gesamtfördersumme: 1,9 Mio. €)
Betrieb von internetbasierten Zugangsnetzen zu allen deutschen
Hochschulen und Forschungseinrichtungen sowie einigen industriellen Forschungseinrichtungen. Eigenes CERT (Computer Emergency
Response Team) für Sicherheitsfragen.
o Projekt SEMAS (2001-2003; Gesamtfördersumme: 1,4 Mio. €)
Security in Mobile Multiagent Systems.
(Teilnehmer: Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH)
o Projekt SCALLOPS (2004-2006; Gesamtfördersumme: 1,2 Mio. €)
Secure Agent-Based Pervasive Computing.
(Teilnehmer: Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH)
o Verbundprojekt Quantenkryptographie (2001-2004; Gesamtfördersumme: 1,17 Mio. €)
Erforschung von Aspekten der Quantenkryptographie und entsprechender Hardware
(Teilnehmer Universität Karlsruhe, Ludwig-Maximilians-Universität
München, Universität Erlangen-Nürnberg)
o Projekt Entwicklung eines "Encryption Standard (DES) Core Generators" (2000-2002; Gesamtfördersumme: 97000 €)
Effiziente Hardwarerealisierung von Verschlüsselungsalgorithmen in
einem ASIC bzw. FPGA
(Teilnehmer: Georg-Simon-Ohm Fachhochschule Nürnberg)
o Verbundprojekt KORSYS (1995-1998; Gesamtfördersumme:
2,8 Mio. €)
Entwicklung einer korrekten Software für sicherheitskritische Systeme.
(Teilnehmer Siemens, BMW, ESG Elektroniksystem- und Logistik
GmbH, TU München, Kuratorium OFFIS e.V.)
o Projekt SSONET (1996-1999; Gesamtfördersumme: 555000 €)
Sicherheit und Schutz in offenen Datennetzen.
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(Teilnehmer: TU Dresden)
o Verbundprojekt Sicherheit in Medienströmen (2000-2003; Gesamtfördersumme: 2,05 Mio. €)
Verbesserung der Qualität digitaler Wasserzeichen.
(Teilnehmer: Fraunhofer-Institut für Integrierte Publikations- und
Informationssysteme (IPSI), Deutsches Rundfunkarchiv)
o Verbundprojekt MMC (1996-1998; Gesamtfördersumme: 368000 €)
Sichere Videokommunikation für Multimedia Collaboration Teleservices.
(Teilnehmer: Fraunhofer-Institut für Integrierte Publikations- und
Informationssysteme (IPSI), Deutsches Rundfunkarchiv)
o Verbundprojekt Wireless Internet (2002-2006; Gesamtfördersumme:
924000 €)
Micropayment und Sicherheit; Nutzung eines elektronischen Kiosk
mit mobilen Endgeräten in Hinblick auf Funktionalität, Sicherheit
und netzübergreifender Übertragungssicherheitstechnik
(Teilnehmer: IHP GmbH, friendlyway Aktiengesellschaft für anwenderfreundliche Systeme)
o Verbundprojekt NOW (2004-2008; Gesamtfördersumme:
1,08 Mio. €)
Network on Wheels; Ad-hoc Datensicherheit und Deployment Anwendungen; Systemarchitektur, Netzwerkschicht und Datensicherheit
für die Interfahrzeug-Kommunikation.
(Teilnehmer: Fraunhofer-Institut für Offene Kommunikationssysteme
(FOKUS), Volkswagen AG)
o Projekt MIB Geschäftsprozesse und Nutzerschnittstellen im Mobile
Business auf Basis des Wireless Internet (2003-2007; Gesamtfördersumme: 597000 €)
Entwicklung einer hochsicheren Highspeed Kommunikation.
(Teilnehmer: IHP GmbH)
o Verbundprojekt PREMIUM (2003-2007; Fördersumme: 794000 €)
Analyse von Preismodellen im Internet -Teilprojekt: Internetökonomie Schwerpunkt: Erlösmodelle zur Effizienzsteigerung von Peer-toPeer-Netzen; Sicherheitsinfrastruktur.
(Teilnehmer: TU Darmstadt)
o Verbundprojekt SUPERSTAR (2002-2005; Gesamtfördersumme:
3,8 Mio. €)
Entwicklung einer Leistungstechnologie und Universalplattform für
Sicherheitsfunk-Anwendungen von Aspekten der Quantenkryptographie und entsprechender Hardware
6. Anhang
(Teilnehmer: ATMEL Germany GmbH, EADS TELECOM Deutschland GmbH)
o Verbundprojekt SicArl (2003-2007; Gesamtfördersumme:
5,3 Mio. €)
Entwicklung einer Sicherheitsarchitektur und deren Werkzeuge zur
ubiquitären Internetnutzung ; XML Content Security Screen, Digitale
Wasserzeichen und Signaturen, Distributionsflusskontrolle von Dokumenten.
(Teilnehmer: u. a. T-Systems International GmbH, FraunhoferInstitut für Sichere Telekooperation (SIT), TU Darmstadt, Philips
Semiconductors GmbH)
o Projekt OptoSys (2001-2004; Gesamtfördersumme: 3,24 Mio. €)
Entwicklung optischer Verbindungssysteme für störsichere LowCost-Data-Comm-Systeme.
(Teilnehmer IMMS Institut für Mikroelektronik- und MechatronikSysteme gGmbH)
o Projekt Sicherheit in Electronic Commerce Anwendungen (19992001; Gesamtfördersumme: 83000 €)
(Teilnehmer: Fachhochschule Rosenheim)
o Projekt Zahlungssysteme im E-Commerce (2001-2003; Gesamtfördersumme: 870000 €)
(Teilnehmer: Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig
(FH))
Personensicherheit:
o Verbundprojekt Nanobiotechnologie (2001-2006; Fördersumme:
18,35 Mio. €)
Teilprojekte zur Entwicklung von Nanosensoren/Biosensoren und
neuen biotechnologischen Analytik-Verfahren.
o Verbundprojekt EXIST-SEED (2005-2006; Fördersumme: 175000 €)
Teilprojekte zur Entwicklung thermischer Fingerabdrucksensoren
und eines Messsystems für posturographische Untersuchungen sowie
biometrische Zugangskontrollen.
(Teilnehmer: Universität Freiburg, Fachhochschule Schmalkalden)
o Verbundprojekt 3D-Gesichtserkennung (1997-1999; Gesamtfördersumme: 90000 €)
(Teilnehmer: Hochschule Karlsruhe)
o Projekt (2000-2002; Gesamtfördersumme: 589000 €)
Entwicklung eines CMOS Bildsensors und eines ASIC zur Identifikation, Darstellung und Auswertung des lebenden Fingers von Personen
zum Einsatz in Zugangskontroll- und Zugangsberechtigungssystemen
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(Teilnehmer: DELSY ELECTRONIC COMPONENTS AG)
o Verbundprojekt PeHaMon (2001-2004; Gesamtfördersumme:
3,02 Mio. €)
Entwicklung eines Personal Health Monitoring Systems mit innovativer mikrosystemtechnischer Sensorik.
(Teilnehmer: u. a. Universität Karlsruhe, Universität ErlangenNürnberg, DGN Deutsches Gesundheitsnetz Service GmbH, Dräger
HomeCare GmbH)
o Verbundprojekt Supramolekulare Drug-Delivery-Systeme zum gezielten Transport von Nucleinsäure-Analoga über biologische Barrieren (2000-2003; Gesamtfördersumme: 950000 €)
(Teilnehmer: u. a. Universität Frankfurt/M, responsif GmbH, Chemotherapeutisches Forschungsinstitut Georg-Speyer-Haus)
o Verbundprojekt NanoGel (2005-2008; Gesamtfördersumme:
621000 €)
Teilprojekt zur Entwicklung wirkstoffbeladener Nanopartikel als
Drug-Delivery-Systeme.
(Teilnehmer: Capsulution Nanoscience AG)
o InnoRegio InnoMed - Verbundvorhaben: Design Bindung/Freisetzung Wirkstoffe
an Nanopartikel prototypische Erprobung eines Drug Delivery Systems zur Überwindung der Blut-Hirn-Schranke; (2005-2006; Gesamtfördersumme: 228000 €)
(Teilnehmer: NanoDel Technologies GmbH)
o Verbundprojekt Aktive neuronale Zell-Implantate (2005-2008; Gesamtfördersumme: 1,16 Mio. €)
Entwicklung eines zellbiologischen Drug Delivery Systems.
(Teilnehmer: u. a. CellMed Aktiengesellschaft, INI International
Neuroscience Institute Hannover GmbH, Medizinische Hochsch.
Hannover)
o InnoRegio BioHyTec (2003-2006; Gesamtfördersumme: 750000 €)
Entwicklung eines kombinierten Nukleinsäureisolations- und - amplifikationssystems mit Detektion für die Analyse von DNA-Chips.
(Teilnehmer: Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik
(IBMT), AGOWA Gesellschaft für molekularbiologische Technologie mbH, Technische Fachhochschule Wildau)
o InnoRegio BioMeT MutaChip (2005-2006; Gesamtfördersumme:
557000 €)
Entwicklung einer Plattformtechnologie zur markierungsfreien Detektion genetischer Mutationen mit Hilfe von SPR-Microarrays.
(Teilnehmer: Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik
(IWS), Biotype AG, Qualitype AG)
6. Anhang
o Verbundprojekt Dünnfilminterferometer für die biomedizinische Analytik und Therapiekontrolle (1996-1998; Fördersumme: 720000 €)
Entwicklung und Erprobung von optischen Sensorkomponenten.
(Teilnehmer: Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik
(IPM), Universität Potsdam, Berliner Institut für Optik GmbH,
Schmidt & Haensch GmbH & Co.)
o Verbundprojekt Mikrooptische Anregungs- und Sensoreinheit zur
Erweiterung der Biochip-Analyse und der Telemedizin (2002-2005;
Fördersumme: 2,19 Mio. €)
(Teilnehmer: u. a. Universität Tübingen, Universität Freiburg, Sensovation AG)
o Verbundprojekt Analytik magnetisch markierter biologischer Makromoleküle mittels GMI Sensorik (2001-2004; Fördersumme:
818000 €)
Entwicklung biologischer Assays auf der Oberfläche von GMISensoren, sowie einer Magnetoimpedanzsensorik.
(Teilnehmer: u. a. Uni. Düsseldorf, Evotec Technologies GmbH)
o BioChance (2001-20024; Fördersumme: 1,7 Mio. €)
Entwicklung eines Gen-Analysesystems basierend auf einer neuartigen DNA-Chip-Technologie mit direkten elektrischen Ausleseverfahren.
(Teilnehmer: FRIZ Biochem GmbH)
o Verbundprojekt µ-FLUBAK (2002-2004; Fördersumme: 1,58 Mio. €)
Entwicklung eines polymerchipbasierten Mikrofluidik-Baukastens
für Anwendungen in den Life Sciences.
(Teilnehmer: Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF), ibidi GmbH, thinxxs GmbH FRIZ Biochem GmbH)
o Verbundprojekt Nukleinsäure-basierte Biosensoren für die medizinische Diagnostik (2004-2006; Fördersumme: 2,53 Mio. €)
Entwicklung eines DNA-Sensor-Chips.
(Teilnehmer: Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM), Mikrogen Molekularbiologische Entwicklungs GmbH,
directif GmbH)
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Güter/Warensicherheit:
o Förderschwerpunkt: Polymerelektronik POLYSECURE (2005-2006;
Gesamtfördersumme: 122000 €)
Aufbau und Entwicklung eines einfachen Demonstrators zum Nachweis funktionierender polymerelektronischer Komponenten nach Integration in ID-Dokumente.
(Teilnehmer: Bundesdruckerei GmbH)
o Verbundprojekt OPM (2000-2003; Fördersumme: 1,51 Mio. €)
Entwicklung einer optoelektronischen Positionssensorik für Massenprodukte als modulare Systembaureihe; MikrostrukturKopiertechnologien für Codescheiben auf Polymerbasis
(Teilnehmer: u. a. Zentrum Mikroelektronik Dresden AG,
OPTOLAB MICROSYSTEMS AG, ML&C Masken Lithographie
und Consulting GmbH)
o Verbundprojekt PRISMA (2005-2008; Gesamtfördersumme:
3,08 Mio. €)
Entwicklung von „Printed Smart RFID Labels“; Implementierung,
Prüfung und Anwendung polymerer RFID-Tags für Wert- und Sicherheitsdokumente
(Teilnehmer: u. a. Siemens AG, Lufthansa Systems Passenger Services GmbH, Bundesdruckerei GmbH)
o Verbundprojekt ASIL (2005-2008; Gesamtfördersumme: 968000 €)
Entwicklung eines Active Smart ID-Labels für die Transportüberwachung.
(Teilnehmer: ELMOS AG, TU Chemnitz, KSW Microtec AG,
Schenker Deutschland AG)
o Verbundprojekt Multifunktionale optische Sicherungssysteme auf der
Basis von Bakteriorhodopsin (2001-2005; Gesamtfördersumme:
2,55 Mio. €)
Erforschung von Bakteriorhodopsin-Pigmentsystemen für die Sicherheitstechnik (Banknoten, Dokumente)
(Teilnehmer: u. a. Agfa-Gevaert AG, MIB - Munich Innovative Biomaterials GmbH, Philipps-Universität Marburg)
o Verbundprojekt BLUTIDENT (2001-2003; Gesamtfördersumme:
551000 €)
Entwicklung eines RFID basierten Systems zur lückenlosen Überwachung von Blutprodukten sowie einer europaweiten logistischen Verfolgung.
(Teilnehmer: Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM), KSW Microtec AG)
6. Anhang
o Verbundprojekt Biotechnologie-Modellregion München (1997-1999;
Fördersumme: 192000 €)
Teilprojekt: Photochrome Proteine für die Sicherheitstechnik.
(Teilnehmer: Max-Planck-Institut für Biochemie)
o Forschungsverbund GÜTER-Gefahrgut-Überwachung und Rückverfolgung beim Transport durch Elektronik und RFID (2005-2008; Gesamtfördersumme: 805000 €)
(Teilnehmer: Universität Dortmund, Universität Paderborn, Hövener
& Trapp evision GmbH, Westfälischer Fernverkehr & Spedition
Heinrich Vogt KG, Feuerwehr Dortmund)
o Verbundprojekt NanoSafe (2005-2008; Gesamtfördersumme:
3,08 Mio. €)
Erhöhung der aktiven und passiven Sicherheit von Fahrzeugen durch
neuartige multifunktionelle Nanobeschichtungen
(Teilnehmer: u. a. Siemens, DaimlerChrysler AG, BMW AG, Degussa AG, Hella KGaA Hueck & Co, Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC), Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST), Nano-X GmbH)
o Verbundprojekt 3D-SIAM (2001-2005; Gesamtfördersumme:
2,88 Mio. €)
Entwicklung einer 3D-Sensorik für vorausschauende Sicherheitssysteme im Automobil.
(Teilnehmer: u. a. ADC Automotive Distance Control Systems
GmbH, DaimlerChrysler AG, S-TEC Gesellschaft für Sensortechnik
und Automatisierung mbH, Conti Temic microelectronic GmbH)
o Verbundprojekt Inter-Vehicle Hazard Warning (2001-2002; Gesamtfördersumme: 487000 €)
Abstimmung und Bewertung eines Systemkonzeptes für ein auf
Fahrzeug-Fahrzeug-Kommunikation basierendes Funkwarnsystem.
(Teilnehmer: Robert Bosch GmbH, DaimlerChrysler AG, Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt))
o Verbundprojekt MELIS (2005-2008; Gesamtfördersumme:
1,37 Mio. €)
Einsatz miniaturisierter, integrierter Mehrstrahl-LIDAR-Sensorik zur
dynamischen Fahrzeugumfeld- und -umgebungserfassung in Fahrer
unterstützenden Sensorsystemen.
(Teilnehmer: JENOPTIK Laser Optik Systeme GmbH, Schefenacker
Vision Systems Germany GmbH & Co. KG, Silicon Sensor GmbH,
Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS))
o Verbundprojekt EIWOS (2001-2004; Fördersumme: 1,3 Mio. €)
Entwicklung und Entwurf von integrierten optoelektronischen Wandlermodulen; Mini-LIDAR, Hochgeschwindigkeitssignalübertragung.
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(Teilnehmer: u. a. Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen
(IIS), JENOPTIK Laser Optik Systeme GmbH)
o Projekt Untersuchung spezifischer Technologien für UV-LidarOptiken (2005-2006; Fördersumme: 230000 €)
(Teilnehmer: Erwin Kayser - Threde GmbH)
o Verbundprojekt Distance (2000-2002; Gesamtfördersumme:
470000 €)
Entwicklung eines optischen Mikrosensors zur Abstandsmessung.
(Teilnehmer: Jurca Optoelektronik GmbH & Co. KG, CeramOptec
GmbH)
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
o Programm VERNET (2000-2005; Gesamtfördersumme: 4,96 Mio. €)
Entwicklungen in den Bereichen sicherer elektronischer Messdatenaustausch, sichere Langzeitarchivierung digital signierter Dokumente,
sichere Netzanbindung, sichere Internetanwendungen, Biometrie und
standardisierte genetische Identitätsfeststellung, Signatur und Authentifizierung.
(Teilnehmer: Siemens, Physikalisch-Technische Bundesanstalt
(PTB), ITF-EDV Fröschl GmbH, Landis+Gyr GmbH, GÖRLITZ
AG, E.ON Mitte AG, Elster-Instromet Production GmbH, EMH Elektrizitätszähler GmbH & Co. KG, Karl Wieser GmbH, Deutsche
Zählergesellschaft mbH, Fraunhofer-Institut für Sichere Telekooperation (SIT), SECUDE Sicherheitstechnologie Informationssysteme
GmbH, Universitätsklinikum Heidelberg - Institut für Medizinische
Biometrie und Informatik, PERGIS Systemhaus GmbH, Universität
Kassel, iXOS Software AG, Interactive Objects Software GmbH, Universität Heidelberg, Universität Freiburg, TU Dresden)
o Programm ASPIK (1999-2000; Gesamtfördersumme: 936000 €)
Entwicklungen einer authentifizierenden Sicherheitsplattform für
Internetkommunikation.
(Teilnehmer: TÜV Informationstechnik GmbH, Corporate Network
Essen Gesellschaft für Telekommunikation mbH, secunet Security
Networks Aktiengesellschaft, CUBIS Aktiengesellschaft)
o Verbundprojekt Sicherheitstechniken und Zugriffsmethoden für lokale und globale Netzwerke (2000-2003; Gesamtfördersumme:
754000 €)
(Teilnehmer: Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme
(IPMS), TU Dresden)
o Verbundprojekt Fälschungssichere Münzen durch Laser-Nanoprägen
von Hologrammen - SIMULAN (2004-2007; Gesamtfördersumme:
1,39 Mio. €)
6. Anhang
(Teilnehmer: Laser-Laboratorium Göttingen e.V., Friedrich-SchillerUniversität Jena, TU Hamburg-Harburg)
o Verbundprojekt VESUV (2003-2006; Gesamtfördersumme:
2,7 Mio. €)
Verteilte Software-Agenten für sichere, rechtsverbindliche Aufgabendelegation in mobilen kollaborativen Anwendungen (eGouvernement, eTourismus, Telekooperation)
(Teilnehmer: Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung
(IGD), Siemens, Universität Kassel, Hochschule Zittau/Görlitz, Zentrum für Graphische Datenverarbeitung e.V. (ZGDV), Europäisches
Microsoft Innovations Center GmbH, NetCommunity GmbH)
o Verbundprojekt MEDIA@Komm (2000-2003; Gesamtfördersumme:
25,2 Mio. €)
Rechtsverbindliche Multimedia-Dienste mit digitaler Signatur.
(Teilnehmer: u. a. Fraunhofer-Institut für sichere Telekooperation
(SIT), Fraunhofer-Institut für Integrierte Publikations- und Informationssysteme (IPSI), Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO), Bremen Online Services, Stadt Esslingen, Wirtschaftsförderung Region Stuttgart GmbH)
o Verbundprojekt FairPay (2000-2002; Gesamtfördersumme:
490000 €)
Verlässlichkeit im elektronischen Zahlungsverkehr im business-tobusiness e-commerce
(Teilnehmer: Bayerische Hypo- und Vereinsbank AG, GFT Financial
Solutions GmbH)
o Verbundprojekt PriMo (2005-2008; Gesamtfördersumme: 3,9 Mio. €)
Prävention mit mobilen Endgeräten der Zukunft; Plattformkonzeption
mit Softwareentwicklung im mobilen Endgerät, Systemintegration,
mobile security.
(Teilnehmer: Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS),
TU München, Vodafone Pilotentwicklung GmbH, ISA Informationssysteme für computerintegrierte Automatisierung GmbH, ubitexx
GmbH)
o Verbundprojekt S3 (2003-2006; Gesamtfördersumme: 1,4 Mio. €)
Erhöhung der Sicherheit bei Flughafenprozessen (Notfall-Prozesse,
Passagierabfertigung)
(Teilnehmer: Lufthansa AG, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), RAND Europe Berlin GmbH, SAT Simulationsund Automations-Technologie AG, TU Dresden, ABS Airport Business Solutions AG)
o Verbundprojekt Entwicklung innovativer Biosensoren unter Auf- und
Ausbau eines Biosensorkompetenz-Netzwerkes (2003-2006; Gesamtfördersumme: 560000 €)
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Entwicklung enzymatischer Biosensoren zum Einsatz in Umwelttechnik und Lebensmittelindustrie und Entwicklung von Immunsensoren und DNA-Sensoren zum Nachweis von gentechnisch veränderten Organismen sowie humanpathogener Keime in Lebensmitteln.
(Teilnehmer: Forschungszentrum Sensorik Greifswald e.V., Hochschule Neubrandenburg)
o Projekt BioTrust (2000-2002; Gesamtfördersumme: 1,19 Mio. €)
Interdisziplinäre Förderung biometrischer Identifizierungsverfahren
(Teilnehmer: Tele Trust Deutschland e.V.)
Bundesministerium der Verteidigung (BMVG)
o Projekt Herkules (2006-2015 (geplant); Gesamtfördersumme: 6,65
Mrd. €)
Einrichtung eines umfassenden modernen sicheren Kommunikationsund Datennetzes für die Bundeswehr. Vorgesehen ist die Gründung
einer Beteiligungsgesellschaft mit Anteilsmehrheit des Bundes.
(Teilnehmer: u. a. Siemens Business Services, IBM Deutschland)
Bundesministerium des Inneren (BMI)
o Entwicklung eines Basisschutzkonzeptes „Schutz kritischer Infrastrukturen (Analyse potenzieller Gefährdungen, Empfehlung baulicher, organisatorischer, technischer/technologischer Schutzvorkehrungen)
•
Absicherung sicherheitssensibler Anlagen
•
Einrichtung v. Zugangskontrollen auf Betriebsgelände
•
Ausgestaltung von Krisenkommunikationskonzepten
•
Verhaltensmaßregeln
o ab 2005 Einführung eines neuen Reisepasses (ePass) mit biometrischen Daten (Ausstattung mit einem RF-Chip mit kryptographischem
Ko-Prozessor; 112-Bit-Verschlüsselung).
o 2003 „Bündnis für elektronische Signaturen“ zwischen Staat und
Wirtschaft. Gemeinsame Erklärung über:
•
technische Standards
•
Einsatz multifunktionaler Chipkarten
•
Verwendung fortgeschrittener und qualifizierter elektronischer
Signaturen
•
einheitliche Sicherheitsvorgaben
6. Anhang
Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI)
u. a.:
o Entwicklung und Evaluierung von Kryptoprodukten
o Betrieb eines Lagezentrums für IT Sicherheitsnotfälle
o Erstellung eines IT-Grundschutzhandbuchs als BSI-Standard für ITSicherheit
o Erstellung eines E-Government-Handbuchs als BSI-Standard für ITSicherheit im E-Government
o Analyse „Trusted Computing“
o Biometrieanalysen
•
Projekt BioFacer
Evaluation der Erkennungsleistung von Gesichtserkennungssystemen
•
Projekte BioP I/BioP II "Finger-, Gesichts- und Iriserkennung im
Feldversuch"
Untersuchung der Leistungsfähigkeit von Gesichtserkennungssystemen und generellen biometrischen Verifikationssystemen
•
Projekt BioFinger
Evaluierung biometrischer Fingerabdrucktechnologien.
Bundeskriminalamt (BKA)
u. a.:
o Entwicklung biometrischer Identifikationsverfahren im Hinblick auf
Überwindungssicherheit und Erkennungsleistung vor dem Hintergrund des Einsatzes dieser Technologie im Rahmen der technischen
Prävention.
121
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Europäische Union
6. Forschungsrahmenprogramm (6. FRP)
LSH Programm
o LSH-2005-1.2.1-3 Neue Instrumente zur Untersuchung der ADMEEigenschaften von Arzneimitteln welche den Einsatz von Trägern
vorsehen–STREP.
Umsetzung von Kenntnissen und Methoden aus der Genomik in konkrete Anwendungen für die Arzneimittelentwicklung; innovative
Entwicklung neuer, sichererer und wirksamerer Arzneimittel.
o LSH-2005-1.2.2-4: Entwicklung neuer Diagnostika – KMU-STREP.
Dieser Bereich erstreckt sich u. a. auf neue diagnostische Tests sowie
die Entwicklung neuer Instrumente und nicht-invasiver Verfahren für
die Prävention und Frühdiagnose.
o LSH-2005-1.2.3-1: Prädiktive In-vitro-Tests für die Chemikalienexposition des Menschen – IP.
Entwicklung von tierversuchsfreien Testverfahren und -modellen, mit
denen die Auswirkungen der Chemikalienexposition auf Menschen
vorhergesagt werden können.
o LSH-2005-1.2.4-2: Impfstoff gegen Hepatitis C – IP.
Entwicklung eines innovativen Impfstoffs unter Berücksichtigung der
wissenschaftlichen, technischen, rechtlichen und ethischen Belange,
um der wachsenden globalen Bedrohung durch Hepatitis C zu begegnen.
o LSH-2005-2.1.2-1: Beherrschung der in Krankenhäusern erworbenen
antimikrobiellen Resistenz sowie sonstiger aufgrund medizinischer
Behandlungen erworbener Infektionen – IP.
u. a. Bekämpfung des Auftretens und der Verbreitung von antimikrobiellen Resistenzen und sonstiger erworbener Infektionen. Die Entwicklung diagnostischer Schnelltests ist besonders gefragt.
o LSH-2005-2.3.0-11: Entwicklung von Tests für die Schnelldiagnose
der armutsbedingten Krankheiten, die unter Mangelbedingungen anwendbar sind – KMU-STREP.
u. a. Entwicklung neuer billiger Diagnosetechniken für den Nachweis
latenter oder aktiver HIV/AIDS-, Malaria- oder TB-Erreger.
Für die Tätigkeiten im LSH-Bereich sind Wechselbeziehungen zu
folgenden weiteren Themenbereichen von besonderem Belang:
•
Technologien für die Informationsgesellschaft - Koordinierung
mit dem strategischen Ziel von eHealth.
•
Nanotechnologien und -wissenschaften; wissensbasierte multifunktionelle Werkstoffe und neue Produktionsverfahren und
-anlagen
6. Anhang
•
Lebensmittelqualität und -sicherheit
•
Nachhaltige Entwicklung, globale Veränderungen und Ökosysteme
•
Unterstützung der Politiken und Planung im Vorgriff auf den
künftigen Wissenschafts- und Technologiebedarf
IST Programm
o 2.4.3 Auf dem Weg zu einem globalen Zuverlässigkeits- und Sicherheitsrahmen
Aufbau von Kapazitäten im Bereich der Sicherheit, Zuverlässigkeit
und Ausfallsicherheit von Systemen, Diensten und Infrastrukturen.
Schutz der Bürger gegen Cyberangriffe, Datenschutz, Identifizierung
und Authentifizierung für Zugangsdienste, interoperable Inhalte und
Verwaltung digitaler Rechte.
o 2.4.12 eSafety - kooperative Systeme für den Straßenverkehr
u. a. Entwicklung kooperativer intelligenter Fahrzeugsicherheitssysteme mit fortschrittlichen Sensorinfrastrukturen, zuverlässiger Software, robusten Standortbestimmungstechnologien.
o 2.5.12 IKT für das Umweltrisikomanagement
Globale Umwelt- und Sicherheitsüberwachung, die für die Beobachtungs-, Vorbereitungs- und Reaktionsphasen des auf europäischer
Ebene koordinierten Umweltrisiko und -krisenmanagements wichtig
ist. Überwachungssysteme, mit selbstorganisierender, selbstreparierender Ad-hoc-Vernetzung von Sensoren, Sensornetze am Boden und
an Bord von Flugzeugen u. a. für Sensorplattformen für die Verbindungszuführung zum Netz in Krisen/Notsituationen. Weiterentwicklung von Kommunikations- und Ortungssystemen.
NMP-Programm
o 3.4.4.4 Multifunktionelle technische Textilien für Bauwesen, medizinische Anwendungen und als Schutzkleidung - IP für KMU
Entwicklung reißfester Gewebe, Wärmeschutzkleidung, genereller
Schutzkleidung, biomedizinischer Kleidung für Fernüberwachung
von Gesundheitsparametern. Entwicklung spezieller antibakterieller
oder feuerhemmender Textilbeschichtungen. Integration intelligenter
Sensoren
o 3.4.4.7 Nanotechnologische Konzepte für bessere Sicherheitssysteme
- IP für KMU
Frühwarnsysteme für Umweltschadstoffe, illegale Drogen; Detektoren für Sprengstoffe; Entgiftungssysteme; Identifikationstechnologien
für Personen und Güter
123
124
AEROSPACE-Programm
o 1.3.1.3 Forschungsbereich 3 „Erhöhung der Betriebs- und Bordsicherheit von Flugzeugen“
u. a. deutliche Verringerung der Gefahr krimineller Handlungen während des Flugs; bordgestützte Technologien für die Kollisionswarnung;
Entwicklung neuer Bodenkollisionswarnsysteme
o 2.3.2 Bereich: GMES
u. a. satellitengestützte Überwachung der (Land- und/oder See-)
Grenzen der Europäischen Union; Überwachung und Schutz des
Transports von gefährlichen Stoffen auf dem Seeweg, Schutz vor Sicherheitsrisiken.
o 2.3.3 Bereich: Satellitentelekommunikation
u. a. Breitband-„Backhaul“ für Notfall-/Krisenkommunikation; In-SituSensornetze; Fernerfassung aus der Luft und UAV-Fernerfassung aus
großer Höhe
Food quality and safety-Programm
o 5.4.5 Forschungsschwerpunkt: Analyse-, Nachweis- und Kontrollmethoden
Entwicklung und Verbesserung, zuverlässiger und kostengünstiger
Probenahme- und Messstrategien für chemische Verunreinigungen
sowie pathogene Mikroorganismen (wie Viren, Bakterien, Hefen,
Pilze, Parasiten, Prionen)
Joint Research Center (JRC) Programme
Institute for Health and Consumer Protection (IHCP)
o FP6-WP2005-Action n°4221 Nano biotechnologies for health application (Nano Biotech)
Entwicklung von Biosensoren und Biochips u. a. zur Detektion chemischer und biologischer toxischer Stoffe. Monitoring mittels optischer, elektrochemischer und Impedanzmethoden. Entwicklung nanotechnologischer funktioneller Oberflächen mit spezifischer
biologischer Aktivität.
Institute for the Protection and Security of the Citizen (IPSC)
o FP6-WP2005-Action n°4321 Reference Systems for Cybersecurity
(RSC)
Neue Forschung u. a. in den Bereichen „System Modeling“, ICT Integration mit Sensoren und Softwareagenten. Ziel: Schutz der Informations-Infrastruktur, sicheres Informationsmanagement, digitale Identifikation, Datenschutz.
6. Anhang
o FP6-WP2005-Action n°4335 Vulnerability and Integrated Risk Assessment (COPPASS)
Entwicklung pragmatischer Methoden und Werkzeuge (u. a. sicherer
Software und Sensorik) zum Schutz potenzieller Ziele vor Terroranschlägen. Schwerpunkt: Transport Infrastruktur und Energieversorgung.
o FP6-WP2005-Action n°4345 Crisis Monitoring and Management
Technologies (CriTech)
Entwicklung einer integrierten Informationsumgebung für globales
Krisenmanagement, Betrugsermittlung, Anti-Terrormaßnahmen, humanitäre Hilfe und Küstenüberwachung.
o FP6-WP2005-Action n°43311 Physical Vulnerability Assessment of
Critical Structures (PVACS)
Schutz der Bevölkerung gegen Terroranschläge, durch Vorhersage,
Prävention und Abmilderung mittels innovativer Überwachung und
Früherkennung der Bedrohungen.
Preparatory Action for Security Research (PASR)
Vorbereitende Maßnahme zur Stärkung des europäischen Industriepotenzials in der Sicherheitsforschung (2004-2006; Gesamtfördervolumen:
65 Mio. €)
Im Arbeitsprogramm wurden folgende Schwerpunkte identifiziert:
•
Optimierung der Sicherheit und Schutz vernetzter Systeme
•
Schutz vor Terrorismus (auch vor Bioterrorismus und Unfällen
mit biologischen, chemischen und anderen Stoffen)
•
Verbesserung des Krisenmanagements (einschließlich Evakuierungs-, Such- und Rettungsmaßnahmen, Eindämmung aktiver
Stoffe und Sanierung)
•
Interoperabilität und Integration der Informations- und Kommunikationssysteme
•
Verbesserung des Situationsbewusstseins (beispielsweise Krisenmanagement, Antiterrorismusaktivitäten oder Grenzüberwachung)
2004: (1. Aufruf) insges. 12 Projekte gefördert (15 Mio. €)
o Advanced Space Technologies to Support Security Operations
(ASTRO)
Analyse über potenzielle Beiträge der Raumfahrt-Expertise für Sicherheits-Einrichtungen in Europa (Erdbeobachtung, Navigation, Telekommunikation etc.) (Projektleitung: EADS Astrium SAS, France)
o Crisis Simulation System (CRIMSON):
125
126
Entwicklung eines innovativen Systems zur Vorbereitung auf und
Management von Sicherheitsmaßnahmen infolge von Terrorattacken.
(basierend auf „Virtual Reality“ Technologien). (Projektleitung: CS
Systèmes d’Information, France)
o European Security: High Level Study on Threats Responses and
Relevant Technologies (ESSTRT):
Koordination verschiedener Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten auf dem Gebiet der Sicherheitsforschung (Projektleitung: Thales
Research and Technology (UK) Ltd., UK)
o Study on Geodata and Crisis Early Warning Situation Awareness
(GEOCREW):
Früherkennung internationaler Risiken mit potenziellen Auswirkungen auf die Sicherheit der europäischen Bevölkerung (Projektleitung:
ESG Elektroniksystem- und Logistik-GmbH, Germany)
o Innovative Measures for Protection Against CBRN Terrorism
(IMPACT):
Koordination der europäischen Anti-Terror Forschung und des präventiven Krisenmanagements. (Projektleitung: TNO Defence,
Netherlands)
o Integrated Surveillance of Crowded Areas for Public Security
(ISCAPS):
Ausstattung öffentlicher Plätze und Gebäude mit effizienten, bedienerfreundlichen automatisierten Überwachungssystemen. (Projektleitung: SAGEM SA, France)
o Security Network for Technological Research in Europe (SeNTRE):
Vorbereitung eines strategischen Forschungsplans für die europäische
Sicherheit. (Projektleitung: Aerospace and Defence Industries Association of Europe (ASD Europe), Belgium)
o Secure Unplanned Provisioning of High Integrity Communications
Across Europe (SUPHICE):
Entwicklung und Demonstration einer übergreifenden europäischen
Verschlüsselung. (Projektleitung: Thales-eSecurity Ltd., UK)
o Active Terahertz Imaging for Security (TERASEC):
Detektion von Sprengstoffen, Chemikalien und pathogener biologischer Stoffe durch THz-Imaging (Projektleitung: Deutsches Zentrum
für Luft- und Raumfahrt e.V., Germany)
o Treatment Initiatives after Radiological Accidents (TIARA):
Gründung eines europäischen Netzwerkes zum Krisenmanagement
bei radiologischen Zwischenfällen und Anschlägen (Projektleitung:
Commissariat à l’énergie atomique (CEA), France)
o Vital Infrastuctures Threats and Assurance (VITA):
6. Anhang
Schutz vernetzter (transnationaler) europäischer Infrastrukturen mit Sicherheitsrelevanz (Projektleitung: Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft mbH,
Germany)
2005: (2. Aufruf) insges. 13 Projekte gefördert (15 Mio. €)
o Transport Infrastructures Protection System (TRIPS)
Detektion von Sprengstoffen und chemischen, biologischen, nuklearen und radiologischen Substanzen in Hauptverkehrszügen und Systemen des öffentlichen Nahverkehrs. Entwicklung von kombinierter
Sensorik, Kamerasystemen etc. (Projektleitung: Ansaldo TrasportiSistemi Ferroviari S.p.A., Italy)
o SOBCAH
Koordination der europäischen Grenzüberwachung. u. a. Verbesserung bestehender Sensor Netzwerke und verbesserte automatische
Überwachung europäischer Häfen. (Projektleitung: Galileo Avionics
S.p.A., Italy)
o ROBIN
Verbesserung der Computersicherheit in vernetzten Systemen. Entwicklung einer neuen Sicherheitsplattform. (Projektleitung: Technische Universität Dresden, Germany)
o PATIN
Einrichtung eines koordinierten Sicherheits-Informationsnetzwerkes
für Terrorabwehr und Schutz von Flughäfen (Projektleitung: Diehl
BGT Defence, Germany)
o PALMA
Entwicklung eines Schutzsystems von Verkehrsflugzeugen gegen
portable Flugabwehrsysteme (leichte Boden-Luft-Raketen). Entwicklung technologischer Lösungen und operativer Konzepte. (Projektleitung: EADS CCR, France)
o Highway to security: Secure interoperability of intelligence services
(HiTS/ISAC)
Koordination europäischer Sicherheitsdatenbanken und Standardisierung der Zugriffsmöglichkeiten europäischer Sicherheitsbehörden.
(Projektleitung: Saab AB, Sweden)
o Crisis management: People real-time observation inside buildings
(PROBANT)
Entwicklung von Gebäudeüberwachungs- und Krisenmanagementsystemen zur Visualisierung und „Tracking“ von Personen in Gebäuden. Integration innovativer Technologien wie Sensor Arrays und Biometrie. (Projektleitung: Société d’Applications Technologiques de
l’Imagerie Micro-Onde, France)
127
128
o (PETRA.NET)
Erstellung eines Netzwerkes zur Verbindung der Sicherheitsforschung mit öffentlichen Behörden. u. a. Entwicklung sicherer Datentransfersysteme. (Projektleitung: Sussex Police Authority, UK)
o Secure container and a data reader at a port or border crossing
(SECCOND)
Entwicklung eines „Tracking“-Systems für Container und Fahrzeuge.
Nutzung sowohl als generelles Fracht-Tracking System, als auch zur
Sicherheitsüberwachung in Bezug auf Waffen und Kampfstoffe.
(Projektleitung: Thales Research and Technology (UK) Ltd., UK)
o (BSUAV)
Analyse zum Potenzial des Einsatzes unbemannter Flugkörper zur
Grenzüberwachung. (Projektleitung: Dassault aviation, France)
o (PRISE)
Förderung der Akzeptanz von Sicherheitstechnologien und deren
Abgleich mit Belangen des Datenschutzes. (Projektleitung: Austrian
Academy of Sciences, Austria)
o User/supplier network for information technology security (USE IT)
Kooperation zum Austausch sensitiver Daten zwischen europäischen
Organisationen. Ziel: Strukturierung der der europäischen R&DCommunity bezüglich der Sicherheit in der Informationstechnologie
(Projektleitung: Centre national d’études spatiales, France)
2006: (3. Aufruf) insges. 12 Projekte geplant (Fördersumme: 15 Mio. €
vorgesehen)
vorgesehene Schwerpunkte u. a.:
•
Schutz kritischer Infrastrukturen
•
Schutz und Gegenmaßnahmen gegen chemische, biologische, radiologische, nukleare Kampfstoffe und Sprengstoffe
•
Humanitäre Operationen
•
Integration von KMUs
7. Forschungsrahmenprogramm (7. FRP; 2007-2013)
European Security Research Programme (ESRP):
Im Entwurf zum spezifischen Programm formulierte allgemeine Ziele:
•
Besserer Schutz der europäischen Bürgerinnen und Bürger vor
Terrorismus und Kriminalität bei gleichzeitiger Wahrung der
Menschen- und Freiheitsrechte
6. Anhang
•
Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit derjenigen europäischen Industrie, welche erhebliche Beiträge (Technologien, Strategien,
Produkte oder Prozesse) zum ersten Ziel erbringt
Im Programmentwurf des 7. Forschungsrahmenprogramms wurde dafür
für den Bereich „Space and Security“ ein vorläufiges Budget von ca.
500 Mio. Euro pro Jahr veranschlagt.
USA
DoD (Department of Defence)
DARPA (Defence Advanced Research Agency)
o Advanced Technology Office (ATO)
Aktive Programme
•
Defense Against Cyber Attacks on Mobile Ad Hoc Network Systems Program
•
Dynamic Optical Tags Program → Entwicklung optischer Markierungs- und Erkennungs-Technologien, die über große Entfernungen sowohl von portablen, wie Flugzeug gestützten Sensoren
Identifiziert werden können. (u. a. für „Freund-Feind Erkennung“)
•
Dynamic Quarantine of Computer-Based Worm Attacks (DQW)
Program → Entwicklung eines dynamische Quarantäne Systems,
das flexibel auf Attacken auf Computer-Netzwerke reagiert.
•
Synthetic Aperture Ladar for Tactical Imaging (SALTI) Program
→ Entwicklung eines luftgestützten interferometrischen Laserradar (Ladar) Imagers zur Generierung hochaufgelöster 3D-Bilder
großer Gebietsbereiche.
o Defence Science Office (DSO)
Aktive Programme
•
Advanced Armor Program → Entwicklung neuer leichter
Schutzmaterialien als Alternative zur Stahlpanzerung von Gebäuden und Fahrzeugen
•
Advanced Fiber Program → Verbesserung der Stabilität von
Kohlefasern durch neue nanotechnologische Entwicklungen, insbesondere durch die Einbettung von CNTs und die Entwicklung
CNT basierter Materialien.
129
130
•
Application of Molecular Electronics Program → Entwicklung
„ultra-kleiner“ Logik- und Sensorsysteme für Molecular Computing (programmierbarer Nanoprozessor auf ~100 µm2) und Molecular Sensing (Nanosensor auf ~100 µm2 zur Detektion chemischer und biologischer Stoffe)
•
Bio-Magnetic Interfacing Concepts Program → Ziel: Entwicklung von auf Nano-Magnetismus beruhenden „hand-held“, „multi-analyte“ Biodetektoren und tragbaren „Lab-on-Chip“Diagnostikgeräten
•
Biological Sensory Structure Emulation (BioSenSE Program) →
Forschungsprogramm zur Biosensorik auf zellulärer und molekularer Ebene.
•
Engineered Bio-Molecular Nano-Devices/Systems (MOLDICE)
Program → Entwicklung neuartiger, hybrider (biotisch-abiotisch)
„Nanoscale Interface“-Technologien zur direkten Umwandlung
bio-molekularer Signale in elektrische Signale. Biosensing basierend auf biologischen Einheiten (Ionenkanäle, Nanoporen,
GPCRs etc) mit nachfolgender „in-silico“ Signalverarbeitung.
•
Femtosecond Adaptive Spectroscopy Techniques for Remote
Agent Detection (FASTREAD) Program → Detektion/Identifikation biologischer Stoffe über größere Entfernung
mittels optisch-spektroskopischer Methoden
•
Meta Materials Program → Entwicklung, Herstellung und Implementierung neuer „bulk“ Metamaterialien für verschiedene
Anwendungen (z. B. verbesserte Energieversorgung elektrischer
und elektronischer Geräte, Mikrowellen und optische Metamaterialien zur Verbesserung verschiedenster Sensoriken sowie der
drahtlosen Kommunikation)
•
Pathogen Countermeasures Program → Entwicklung von Verteidigungstechnologien zur Bekämpfung und Abwehr biologischer
Waffen
•
Protein Design Process (PDP) Program → Entwicklung eines
„Baukastens“ aus Aminosäuren zur zielgerichteten Synthetisierung komplexer Proteine zur Inaktivierung pathogener Organismen innerhalb von 24 Stunden.
•
Rapid Vaccine Assessment (RVA) Program → Erstellung eines
simulierten künstlichen menschlichen Immunsystems „on-chip“
zum schnellen Test neuer Impfstoffe.
•
Self decontaminating Surfaces (SDS) Program → Programm zur
Erforschung „kreativer Materialtechnologien“ zur Selbstreinigung
von Oberflächen (analog Lotus-Blatt-Effekt).
6. Anhang
•
Simulation of Bio-Molecular Microsystems (SIMBIOSYS) Program → Entwicklung integrierter biologisch/chemischer Mikrosysteme für schnelle, sensitive Bio- und Chemosensing Applikationen. Direkte Umwandlung molekularer Erkennung in messbare
optische, elektrische oder mechanische Signale.
•
Spins IN Semiconductors (SPINS) Program → u. a. Entwicklung
eines Prototyps eines Quanteninformations-Arrays auf der Basis
der Spin-Information von Elektronen in Halbleitern.
•
Stealthy Sensors Program → Entwicklung neuer Sensortechnologien auf Basis natürlicher Sinneswahrnehmungen
•
Synthetic Multifunctional Materials (SMFM) Program → Entwicklung synthetischer, multifunktionaler Materialien u. a. zur Integration in Werkstoffen und Kleidung. Die Materialien sollen
beispielsweise Energiegewinnung, Bio/Chemo-Sensing oder ballistischen Schutz ermöglichen.
Abgelaufene Programme
•
BioFlips Program → Entwicklung biofluidischer Mikroprozessoren on chip
•
Biological Input/Output Systems Program→ Entwicklung von
Detektionstechnologien auf DNA-Basis
•
Mesoscopic Integrated Conformal Electronics (MICE) Program→
Entwicklung von Verfahren zur Integration elektronischer Schaltkreise und Materialien in Kleidung und sonstige Ausrüstung u. a.
zu sensorischen Zwecken und für Energiegewinnung.
•
Molecular Electronics (Moletronics) Program → Integration bestimmter Moleküle, Nanopartikel und CNTs in elektronische
Schaltkreise und Entwicklung einer molekularen Logik. Ziel:
Moderate Rechenleistung, hohe Speicherdichten, geringer Energieverbrauch, extrem kleines Format.
•
Spin Transport Electronics (Spintronics) Program → Entwicklung
strahlungsresistenter magnetischer Speicher und magnetischer
Sensoren auf Spintronics-Basis.
o Information Processing Technology Office (IPTO)
•
Advanced Soldier Sensor Information System and Technology
(ASSIST) Programm
•
Quantum Information Science and Technology (QuIST) Program
→ u. a. Demonstration und Schaffung der technologischen Vorraussetzung für die Entwicklung sicherer Verschlüsselungssysteme.
131
132
o Information Exploitation Office (IXO)
Aktive Programme
•
Affordable Adaptive Conformal ESA Radar (AACER) Program
→ Entwicklung eines Hochleistungs-, Radar- und Kommunikationssystems zur Lokalisation von Flugkörpern
•
Camouflaged Long Endurance Nano Sensors (CLENS) Program
→ Entwicklung eines “real-time” und Ultrabreitband-RadarNetzwerkes zur Lokalisation und Verfolgung versteckter/getarnter Personen.
•
FOPEN Reconnaisance, Surveillance, Tracking and Engagement
Radar (FORESTER) Program → Entwicklung eines ZielIdentifikations Radar Systems zur Detektion und Verfolgung beweglicher Ziele.
•
Multispectral Adaptive Netwsorked Tactical Imaging System
(MANTIS) Program → Entwicklung eines portablen Nachtsichtgerätes auf Basis eines multispektralen Sensors, der den Bereich
vom sichtbaren Licht bis LWIR abdeckt. Prozessoren zur Signalverarbeitung und Energieversorgung werden am Körper getragen.
•
Wide-Area All-Terrain CHange Indication Technologies
(WATH-IT) Program → CCD basiertes Imaging-System zur
Identifikation beweglicher Ziele und großflächiger Überwachung.
Abgelaufene Programme
•
Tactical Sensors - Unattended Ground Sensors (UGS) Program
→ Entwicklung eines portablen Sensors, der mittels magnetischer, seismischer und akustischer Sensorik-Einheiten eine Fahrzeug-Identifikation bei schlechter Sicht ermöglicht.
o Microsystems Technology Office (MTO)
•
Adaptive Focal Plane Array (AFPA) Program → Entwicklung eines durchstimmbaren, multispektralen elektrooptischen imaging
sensors „on-chip“. Anwendung u. a. Objekterkennung und Identifikation chemischer Wirkstoffe/Kampfstoffe.
•
Cognitively Augmented Design for Quantum Technology (CADQT) Programm
•
Laser-induced photoacoustic spectroscopy (L-PAS) Program →
Entwicklung eines kompakten, schnellen, zuverlässigen und
preiswerten Punkt-Sensors zur Detektion chemischer Kampfstoffe
auf Basis optischer Absorption.
6. Anhang
•
Micro Gas Analyzer (MGA) Program → Entwicklung eines „onchip“ Mikrosensors zur schnellen, preiswerten und sensitiven Detektion der gängigen chemischen Kampfstoffe.
•
Micro Power Generation (MPG) Program → Entwicklung einer
mikroskaligen Energieversorgung u. a. für autonome Mikrosensoren.
•
Microantenna Arrays: Technology and Applications (MIATA)
Program → Entwicklung eines „Focal Plane Arrays“ (FPA) basierend auf Mikroantennen zum Imaging im IR und Millimeterwellenbereich.
•
Photon Counting Arrays (PCAR) Program
•
Radiation Hardening by Design (RADHARD) Programm
•
Semiconductor Ultraviolet Optical Sources (SUVOS) Program →
Erforschung von “wide bandgap” Halbleitern als miniaturisierte
UV Lichtquellen für Anwendungen in Bereichen der biologischen
Kampfstoff-Detektion, Wasser Aufreinigung, Dekontamination,
verschlüsselten Kommunikation, Weißlicht-Erzeugung.
•
Sub-millimeter Wave Imaging Focal-plane Technology (SWIFT)
Program → Entwicklung einer Sub-Millimeter „Focal Plane“ Imaging Technologie für Überwachungssysteme, Sensoren und
Kommunikationssysteme.
•
Terahertz Imaging Focal-plane Technology (TIFT) Program →
Entwicklung und Demonstration eines THz sensitiven „Focal
Plane Arrays“ zur Bildgebung. Das System soll eine hohe räumliche Auflösung haben und portabel sein.
•
Vertically Interconnected Sensor Arrays (VISA) Program →
Entwicklung von Multi-Layer „Focal Plane Arrays“ zur Bildgebung. Vorteil: Hoher dynamischer Bereich (hohe Sensitivität) bei
hoher räumlicher Auflösung und schneller Auslesefrequenz.
o Special Projects Office
•
Immune Building (IB) Program → Schutz von Gebäuden und
Bewohnern vor verdeckten chemischen und biologischen Angriffen, schnelle Dekontamination und Beweissicherung
•
Sensors for Immune Buildings (SIB) Program → Entwicklung
von Sensoren für chemische und biologische Kampfstoffe, sowie
toxische Industriechemikalien zur Low-Level-Detektion und kontinuierliche Gebäudeüberwachung.
133
134
•
Spectral Sensing of Bio-Aerosols (SSBA) Program → Verbesserung bestehender und Entwicklung neuer Biosensoren zur Detektion, Identifikation und Unterscheidung biologischer Stoffe des
vollen Bedrohungsspektrums (Sporen, Bakterien, Viren, Toxine).
Verkürzung der Vorwarnzeiten und Verbesserung der „FalschAlarm Raten“.
•
Triangulation Identification for Genetic Evaluation of Risks
(TIGER) Program → Entwicklung von Biosensorsystemen zur
Identifizierung biologischer Waffen
•
Handheld Isothermal Silver Standard Sensor (HISSS) Program →
Entwicklung eines „handheld“ Sensors zur Identifikation von
Kampfstoffen des gesamten biologischen Spektrums (z. B. Bakterien, Viren, Toxine). Der Nachweis soll auf PCR-freier DNAund RNA Detektion, sowie auf Antikörper-basierter ProteinDetektion beruhen.
•
Thread Agent Cloud Tactical Intercept & Countermeasures
(TACTIC) Program → Entwicklung eines Systems zur Detektion,
Identifikation und Abwehr (Bindung) einer Wolke aus chemischen oder biologischen Kampfstoffen auf dem Gefechtsfeld.
•
Advanced Portal Security (APS) Program → Entwicklung von
Sensorsystemen zur Detektion und zum schnellen Monitoring
chemischer und biologischer Kampfstoffe in Briefen, Paketen,
anderen Behältern und an Personen.
•
Passive, Acoustic, Seismic and Electromagnetic Monitoring
(PASEM) Program → Entwicklung akustischer, seismischer und
elektromagnetischer Sensoren zur Gebiets- und Bodenüberwachung, sowie zur Ziel-Charakterisierung.
DHS (Department of Homeland Security)
o Budgetplanung 2005: ca. 25 Mrd. US $ für den Bereich Homeland
Security (über alle Ressorts, also u. a. DoD, DoE, ca. 50 Mrd. US $)
Homeland Security Advanced Research Projects Agency (HSARPA)
Broad Agency Announcements
o FY04 HSARPA-BAA 04-03
•
Bioinformatics and Assay Development Program
Entwicklung von biologischen Testsystemen. (Assays) als Sensoren und von Bioinformatik-Tools zur Identifikation Biologischer
Wirkstoffe
6. Anhang
•
Low Vapor Pressure Chemicals Detection Systems (LVPCDS)
Entwicklung und Optimierung neuer schneller Bio-Aerosol Detektoren
•
Instantaneous Bio-Aerosol Detector Systems (IBADS)
Entwicklung und Test von chemischen Detektionssystemen zur
Detektion toxischer Stoffe mit kleinem Partialdruck (leichter
Flüchtigkeit)
•
Innovative New Materials for Personal Protective Equipment
Entwicklung von Schutzausrüstung für Personen basierend auf
der Verwendung neuer innovativer Materialien.
•
Prototypes and Technology for Improvised Explosives Device
Detection (PTIEDD)
Entwicklung von Systemen zur Detektion von Explosivstoffen in
Fahrzeugen.
•
Advanced Spectroscopic Portal Monitors (ASP)
Entwicklung spektroskopischer Detektionssysteme für Eingänge
und Sicherheitsbereiche zum Aufspüren radiologischer Kampfstoffe.
•
Food Biological Agent Detection Sensor (FBADS)
Entwicklung schneller Detektionssysteme zur Lebensmittelüberwachung und der Abwehr biologischer und chemisch/toxischer
Verunreinigungen.
•
Low-Cost Bio-Aerosol Detector Systems (LBADS)
Entwicklung schneller und billiger Bio-Aerosol Detektoren
(<1000 $).
o FY05 HSARPA-BAA 05-10 (geplant)
•
Rapid technology Application Program (RTAP)
Schnelle Prototypenentwicklung u. a. zur Bekämpfung von Explosivstoffen, biologischen und chemischen Kampfstoffen, sowie
zum Schutz von Elektronik und Hardware. Insbesondere zur Ausrüstung von Katastrophenschutz-Einheiten.
135
136
Topics:

Explosive Countermeasures (maritime Sicherheit,
Sprengstoffdetektion, Röntgenanalysesysteme, portable Objektprüfungssysteme)

Biological Countermeasures (Dekontamination, BioWirkstoff-Screening, Algorithmenentwicklung zur BioÜberwachung, Identifikation von Pflanzenpathogenen)

Chemical Countermeasures (Entwicklung von Schutzmasken,
Abzügen)

Information Technology-Geospatial (u. a. Risikoanalyse-Tool
Transport)

Information Technology-Sharing (u. a. Optimierung der Informationsnutzung und -zugänge)

Electronics and Hardware (u. a. 3D-Ortungssystem, Herzschlag-Detektionssystem)

Cyber Security
Small Business Innovative Research Program (SBIR):
Fördervolumen 2005: 23 Mio. US $
o FY04.1 Topic Areas HSARPA-SBIR (2004 - 2007)
•
New System/Technologies to Detect Low Vapor Pressure Chemicals (e.g., TICs)
3 Unternehmen/3 Teilprojekte
(Intelligent Optical Systems, Inc., CA; Seacoast Science, Inc.,
CA; CogniScent, Inc., MA)
Gesamt-Fördersumme: 2248679 $
•
Chem-Bio Sensors Employing Novel Receptor Scaffolds
(BioElectroSpec, PA; Nomadics, Inc., OK; Accacia International
LLC, TX)
•
Advanced Low Cost Aerosol Collectors for Surveillance Sensors
and Personal Monitoring
(MesoSystems Technology Inc., WA; Research International,
Inc., WA; Enertechnix, Inc., WA)
6. Anhang
•
Computer Modelling Tool for Vulnerability Assessment of U.S.
Infrastructure
(21st Century Technologies. Inc., TX; SPATIAL DATA
ANALYTICS CORPORATION, VA)
•
Marine Asset Tag Tracking System
(iControl Incorporated, CA; Navigational Sciences, Inc., SC; S5
Wireless, Inc., UT)
Gesamt-Fördersumme: >1500000 $
•
AIS Tracking and Collision Avoidance Equipment for Small
Boats
1 Unternehmen/1 Teilprojekt
(Shine Micro, Inc., WA)
•
Ship Compartment Inspection Device
1 Unternehmen/1 Teilprojekt
(Physical Optics Corporation, CA)
•
Advanced Secure Supervisory Control and Data Acquisition
(SCADA) and Related Distributed Control Systems
(Expert Microsystems, Inc., CA; Digital Authentication Technologies, Inc., FL; Stan Klein Associates, LLC., MD; Asier
Technology Corporation, TX; TecSec, VA)
o FY04.2 Topic Areas HSARPA-SBIR (2005-2007)
•
Cross-Domain Attack Correlation Technologies
(AGNIK LLC., MD; CounterStorm Inc, NY)
•
Real-Time Malicious Code Identification
(Solidcore., CA; CounterStorm Inc, NY)
137
138
•
Alternatives to Cl2 in Municipal Water Purification
(Vortex Corporation., AZ; Vortex Corporation, NM)
Gesamt-Fördersumme: >749987 $
•
Wide-Area TIC Neutralization
(Synergistic Advanced Technologies LLC., AZ; Isotron Corporation, WA)
•
Innovative Techniques for Concealed Weapons or Explosive Detection at a Distance
(Spire Corporation., MA; Intelligent Optical Systems, Inc., CA;
Pharad LLC, MD)
•
Improved and Innovative Cooling Garments for Emergency Responders
(NanoPore Inc., NM; Aspen Systems Inc., MA)
Gesamt-Fördersumme: 1498000$
o FY05.1 Topic Areas HSARPA-SBIR (2005)
•
Advanced Sample Processing of Liquid, or Solid or Aerosol
Samples, or a Combination of Two or Three
(Cellex Inc., MD; CFD Research Corporation, AL; American Research Corporation of Virginia, VA; Chembionics, Inc., CA; AnzenBio, LLC, UT; Core MicroSolutions Inc., CA; Microchip Biotechnologies Inc, CA)
•
Improved Spectroscopic Gamma Ray Detection
(Radiation Monitoring Devices, Inc., MA; Sentor Technologies
Inc., VA; Physical Optics Corporation, CA)
6. Anhang
•
Improved High Purity Germanium Cooling Mechanisms
(Atlas Scientific, CA; Creare Incorporated; NH)
•
Low Cost Under Water Threat Detection Systems
(FarSounder, Inc., RI; Scientific Solutions, Inc., NH; Alaska Native Technologies, LLC, AK; Acoustech Corporation, PA; Intelligent Optical Systems, Inc., CA; Advanced Acoustic Concepts,
Inc., NY; Toyon Research Corporation, CA; BioSonics, Inc.,
WA)
•
Innovative Less-Lethal Devices for Law Enforcement
(Physical Optics Corporation, CA; Mide Technology Corporation, MA; Intelligent Optical Systems, Inc., CA; UHV Technologies, Inc., TX; Lynntech, Inc., TX)
•
Secure Carton System
(Essential Systems Integration, Inc., MN; Physical Optics Corporation, CA; Pharad, LLC, MD; Mariner Container Corp., NC;
Mide Technology Corporation, MA)
o FY05.2 Topic Areas HSARPA-SBIR (geplant)
•
Handheld Biological Detection System
•
Uncooperative Vehicle Stopping using Non-Lethal Methods
•
Distributed Buoy Vessel Detection System
•
Hardware-Assisted System Security Monitor
•
Methods to Determine Structural Stability
•
Portable/Transportable Directional Gamma Ray and/or Directional Neutron Detectors
139
140
DHHS (Department of Health and Human Services)
NIH (National Institutes of Health)
National Institute of Allergy and Infectious Deseases (NIAID)
o Research Area Anthrax: Entwicklung medizinischer Maßnahmen
gegen Milzbrand (Gesamtförderung 2005: 207 Mio. $; 2006:
177 Mio. $)
o Research Area Biodefense: Grundlagenforschung Mikrobiologie,
schnelle Diagnostik biotechnologisch designter Mikroben, Entwicklung von Abwehrmaßnahmen (Gesamtförderung 2005: 1,688 Mrd. $;
2006: 1,694 Mrd. $)
o Research Area Radiation Exposure: Entwicklung medizinischer
Maßnahmen gegen radiologische und nukleare Anschläge
o Research Area Pathogene Genomics: Entwicklung medizinischer
Maßnahmen gegen pathogene Mikroben und Infektionskrankheiten;
Suche neuer Impfstoffe
o BioShield Projekt: Entwicklung medizinischer Maßnahmen gegen
biologische, radiologische oder nukleare Anschläge
NSF (National Science Foundation)
•
ADVANCED TECH EDUCATION PROGRAM
4 Teilprojekte
Cyber Security/Computer Forensics
(Texas Engineering Experiment Station, TX; Mount San Antonio
College, CA; Erie Community College, NY; St. Petersburg College, FL)
Gesamt-Fördersumme: 2,36 Mio. $
•
CCLI-ADAPTATION AND IMPLEMENTATION PROGRAM
2 Teilprojekte
Information and Computer Security
(University of Houston, TX; University of Wisconsin-Eau Claire,
WI)
•
INFORMATION TECHNOLOGY RESEARCH PROGRAM
14 Teilprojekte
u. a. Software and Network Security; Quantum Cryptography; Information Fusion for Biological Sensor Networks
6. Anhang
(u. a. West Virginia University Research Corporation, WV;
Clarkson University, NY; University of Arizona, AZ; Massachusetts Institute of Technology, MA)
•
INFORMATION TECHNOLOGYRESEARCH-CYBERTRUST
PROGRAM
19 Teilprojekte
Software and Cyber Security
(u. a. University of Virginia, VA; Cornell University, NY; University of California-Santa Barbara, CA)
•
TRUSTED COMPUTING PROGRAM
14 Teilprojekte
Software Computer and Mobile Agent Security
(u. a. Yale University, CT; Carnegie-Mellon University, PA;
Georgia Tech Research Corporation, GA)
•
CYBER TRUST PROGRAM
8 Teilprojekte
Software Computer and Online Security; Cryptography; Information Infrastructure for National Civilian BioDefense
(u. a. University of California-San Diego, CA; Carnegie-Mellon
University, PA; University of Tulsa, OK; Johns Hopkins University, MD)
•
NETWORK RESEARCH TESTBEDS PROGRAM
4 Teilprojekte
Network Security
(u. a. University of California-Davis, CA; Pennsylvania State
University, PA; International Computer Science Institute, CA)
•
DIGITAL GOVERNMENT PROGRAM
2 Teilprojekte
Cross-Border Security Cooperation, Secure Agency Interoperation
(u. a. Rutgers University New Brunswick, NJ)
141
142
•
THEORY OF COMPUTING PROGRAM
3 Teilprojekte
Cyber Security, Cryptography
(u. a. University of Connecticut, CT)
•
SIGNAL PROCESSING SYSTEMS PROGRAM
2 Teilprojekte
Multimedia Security, Biosensors
(Northwestern University, IL; University of Maryland, MD)
•
SERVICE ENTERPRISE ENGINEERING PROGRAM
3 Teilprojekte
Airport and Aviation Security
(u. a. SUNY at Buffalo, NY; University of Illinois at UrbanaChampaign, IL)
•
RESEARCH IN NETWORKING TECHNOLOGY & SYSTEMS
PROGRAM
3 Teilprojekte
Network Security for Mobile, Wireless and Ubiquitous Systems
(u. a. University of California-Davis, CA; Georgia Tech Research
Corporation, GA)
•
DATA AND APPLICATIONS SECURITY PROGRAM
3 Teilprojekte
Trust and Security for the Semantic Web, Multimedia Security
(u. a. University of Maryland Baltimore County, MD; Stevens Institute of Technology, NJ)
•
COMMUNICATIONS RESEARCH PROGRAM
3 Teilprojekte
Research for Homeland Security
(u. a. University of Texas-Pan American, TX; Pennsylvania State
University University Park, PA)
6. Anhang
•
STRATEGIC TECHNOLOGY FOR INTERNET PROGRAM
2 Teilprojekte
Cryptographic Mechanisms for Internet Security, Security Architecture for IP Telephony
(u. a. University of California-San Diego, CA; University of California-Davis, CA)
•
PARTNRSHIPS FOR INNOVATION PROGRAM
1 Teilprojekt
Consortium for Security and Medical Sensor Systems
(SUNY at Stony Brook, NY)
•
MANUFACTURING MACHINES & EQUIPMENT PROGRAM
1 Teilprojekt
Surveillance Sensor Systems for Ports and Waterway Security
(Texas Engineering Experiment Station, TX)
•
SMALL BUSINESS PROGRAM (Selection Focus: Biodefense,
Biosensors)
5 Teilprojekte
u. a. Proteomic-Based Detection Technology; BioDecontamination
(u. a. AGENTASE LLC, PA; MAXWELL SENSORS INC., CA)
•
BIOTECHNOLOGY PROGRAM (Selection Focus: Biodefense,
Biosensors)
4 Teilprojekte
u. a. High-Sensitivity Fluorescence Sensor Technology; Mass
Spectrometry; Biosensors for Pathogens and Bioterrorism Agents
(u. a. University of Maryland Baltimore County, MD; CarnegieMellon University, PA; Drexel University, PA)
•
BIOMEDICAL ENGINEERING PROGRAM (Selection Focus:
Biodefense, Biosensors)
2 Teilprojekte
Detection of Microbial Pathogens; Multi-Analyte Immuno Biosensor
143
144
(University of Louisville Research Foundation Inc., KY; University of Maine, ME)
•
BIOCHEMICAL & BIOMASS ENGINEERING PROGRAM
(Selection Focus: Biodefense, Biosensors)
1 Teilprojekt
Development of Biodiagnostic Devices
(University of Pennsylvania, PA)
•
SEPARATION & PURIFICATION PROCESSES PROGRAM
(Selection Focus: Biodefense, Biosensors)
1 Teilprojekt
Nanoparticles-based Biosensor for Direct Detection of Organophosphate Chemical Warfare Agents
(Auburn University, AL)
•
STTR PHASE II PROGRAM (Selection Focus: Biodefense, Biosensors)
1 Teilprojekt
Engineering of Non-leaching Antibacterial Non-woven Textiles
(CCL BIOMEDICAL, INC, MD)
NASA (National Aeronautic and Space Administration)
o Aeronautics Research; Aviation Safety and Security Programm
u. a. Entwicklung von Health-Monitoring Systemen, Kollisionsvermeidung durch Radar-Sensing, Entwicklung von neuen leichten Feuerdetektoren, Rezeptor-basierte Biosensoren
o Aeronautics Research; Vehicle Systems Programm
u. a. Entwicklung von faseroptischen Leck-Sensoren, hoch sensitiven
gepulsten Laser-Vibrometern, drahtloses Health-Monitoring mit großen MEMS Sensor-Arrays, Vibration Energy Harvesting
6. Anhang
o Exploration Systems; Communications, Computing, Electronics and
Imaging Programm
u. a. Entwicklung eines multispektralen Panorama-Imagingsystems,
Fahrzeug-Radar zur Flächennavigation
o Exploration Systems; Advanced Materials and Structural Concepts
Programm
u. a. Entwicklung von Nanoröhren verstärkten multifunktionalen Materialien zur Strahlungsschirmung, multifunktionalen Metall-Polymer
Nanokompositen
o Exploration Systems; Advanced Space Operations Programm
u. a. Entwicklung einer schnellen Detektion von Gasaustritten und
Lecks mit Massenspektrometrie
o Exploration Systems; Human Systems Research and Technology
Programm
u. a. Entwicklungen zur Strahlungsschirmung, Paralleldetektion multipler Biomarker
o Exploration Systems; Life Support and Habitation Programm
u. a. Entwicklungen optischer GHz Datentransmitter und optischer
Ethylen Sensoren
145
146
6.2
Patentanalyse Sicherheitstechnik und Nanotechnologie
In der folgenden Tabelle sind 56 sicherheitsrelevante Patente aus den
Jahren 1987 bis 2005 aufgelistet, die aus einer Patentrecherche zum
Themenfeld Nanotechnologie und Sicherheitstechnik stammen. Das dabei verwendete Suchfenster lautete: NANO, NANODEVICE,
NANOPARTICLE,
NANOSTRUCTURE,
NANOTUBE,
NANOMATERIAL,
NANOCOATING,
NANOSENSOR,
NANOELECTRONIC & Variationen + SECURITY. Die Themenschwerpunkte der identifizierten Patente liegen in der Integration von
Nanostrukturen oder funktionalisierter Nanopartikel in der CBRNESensorik sowie in der Nutzung nanotechnologischen Know-hows für die
Realisierung fälschungssicherer Produkt- und Dokumentenmerkmale.
Länderkürzel
Titel
WO
SYSTEMS AND METHODS FOR FORMING
IDENTIFIABLE STRUCTURES IN A SOLID
FREEFORM FABRICATION SYSTEM
Resource: PCN
Publication Date: 2005-10-27
Filing Date: 2005-03-28
Author(s): MAY, Gregory, J.
Patent Number: 2005099635/WO-A1
Source: Univentio
WO
DEVICE AND METHOD FOR RECOGNIZING
PARTICLES IN MILK
Resource: PCN
Author(s): WIETHOFF, Magnus
Source: Univentio
WO
NANOSCALE AND SUPERSATURATED
SOLUTIONS OF MINERAL OR TRACE
ELEMENTS AND A METHOD FOR
PRODUCTION OF NANOPARTICLES
MIXTURES OF NANOPARTICLES,
NANOSCALE SOLUTIONS AND GENERAL
SUPERSATURATED SOLUTIONS
Resource: PCN
Source: Univentio
6. Anhang
DE
SOLAR PLANT
Resource: GER
Author(s): MATHIEU, Hans
Patent Number: 102005006329
Source: Univentio
Category: IP
US
ACCESS ANNUNCIATOR
Resource: APN
Author(s): ADAMS, Albert
Patent Number: 20050128096/US-A1
Source: USPTO
WO
SECURITY ELEMENT COMPRISING A
PARTIAL MAGNETIC LAYER
Resource: PCN
Author(s): BREHM, Ludwig
Source: Univentio
WO
DIAGNOSTIC RADIO FREQUENCY
IDENTIFIFCATION SENSORS AND
APPLICATIONS THEREOF
Resource: PCN
Source: Univentio
WO
SECURITY MARKING AND SECURITY
MARK
Resource: PCN
Source: Univentio
US
Security marking and security mark
Resource: APN
Author(s): DOUGLAS, Joel
Source: USPTO
147
148
WO
METHODOLOGY AND APPARATUS FOR THE
DETECTION OF BIOLOGICAL SUBSTANCES
Resource: PCN
Author(s): OLEYNIK, Vladislav, A.
Source: Univentio
WO
SURFACE-MODIFIED PARTICLES
Resource: PCN
Author(s): ENTENMANN, Marc; HUBER, Adalbert
Source: Univentio
WO
ENZYMATIC SYNTHESIS, MODIFICATION
AND DECOMPOSITION OF SILICON(IV)
COMPOUNDS AND OTHER METAL(IV)
COMPOUNDS
Resource: PCN
Author(s): MOLLER, Werner, E., G.;
SCHWERTNER, Heiko; SCHRODER, Heinz, C.
Source: Univentio
WO
FLUORESCENT SECURITY INKS AND
MARKERS COMPRISING CARBON
NANOTUBES
Resource: PCN
Author(s): WEISMAN, R., Bruce; BACHILO, Sergei, M.; BOOTH, Eric, Christopher
Source: Univentio
US
ENCODED NANOPARTICLES IN PAPER
MANUFACTURE
Resource: APN
Author(s): NATAN, Michael
Source: USPTO
WO
LANGMUIR-BLODGETT NANOSTRUCTURE
6. Anhang
MONOLAYERS
Resource: PCN
Author(s): YANG, Peidong; KIM, Franklin; TAO,
Andrea, R.; HESS, Christian
Source: Univentio
US
NANOPARTICLE STRUCTURES
Resource: APN
Author(s): MOORE, Barry, Douglas;
CUNNINGHAM, Douglas, Burns
Source: USPTO
US
REARVIEW MIRROR ELEMENT HAVING A
CIRCUIT MOUNTED TO THE REAR SURFACE
OF THE ELEMENT
Resource: APN
Author(s): BAUER, Frederick; TURNBULL,
Robert; GUARR, Thomas; KLOEPPNER, Leroy;
EATON, David; STRAY, Joel; NELSON, Barry
Source: USPTO
WO
ULTRA HIGH INFORMATION STORAGE
AND/OR NON-VOLATILE MEMORY
APPARATUS SYSTEM AND METHOD HEREOF
Resource: PCN
Author(s): VERSTEEGEN, Wilhelmus; CRAMM,
Nardy
Source: Univentio
149
150
WO
LUMINESCENT CORE/SHELL
NANOPARTICLES
Resource: PCN
Author(s): MEYER, Christiane; HAASE, Markus
Source: Univentio
US
IDENTIFIABLE STRUCTURES AND SYSTEMS
AND METHODS FOR FORMING THE SAME IN
A SOLID FREEFORM FABRICATION SYSTEM
Resource: APN
Author(s): MAY, Gregory
Source: USPTO
US
OPTICALLY VARIABLE DEVICES WITH
ENCRYPTED EMBEDDED DATA FOR
AUTHENTICATION OF IDENTIFICATION
DOCUMENTS
Resource: APN
Author(s): KENEN, Leo; JONES, Robert; DURST,
Robert
Source: USPTO
WO
MULTICOLORED POLYMER
NANOCOMPOSITES FOR OPTICAL MEMORY
STORAGE AND SECURITY DATA
ENCRYPTION
Resource: PCN
Author(s): KUMACHEVA, Eugenia; PHAM, Hung,
H.; GOUREVICH, Ilya
Source: Univentio
6. Anhang
WO
METHOD AND APPARATUS FOR WIDE AREA
SURVEILLANCE OF A TERRORIST OR
PERSONAL THREAT
Resource: PCN
Author(s): PEETERS, John, P.
Source: Univentio
EP
SOILD NANO PHARMACEUTICAL
FORMULATION AND PREPARATION
METHOD THEREOF
Resource: EFA
Author(s): LIU, Yunqing; LIU, Xiying; LIU, Wei;
LIU, Tong
Patent Number: 01543841/EP-A1
Source: Univentio
WO
SOILD NANO PHARMACEUTICAL
METHOD THEREOF
Resource: PCN
Author(s): LIU, Tong
Source: Univentio
US
SOLID NANO PHARMACEUTICAL
METHOD THEREOF
Resource: APN
Author(s): LIU, Yunging; LIU, Xiying; LIU, Wei;
LIU, Tong
Source: USPTO
151
152
WO
MEANS FOR SIMULATING THE BEHAVIOR OF
MANIPULATORS THAT CAN BE FREELY
POSITIONED IN A MANUAL MANNER ON
INFLUENCEABLE PARTICLES HAVING A
DIFFERENT MOMENTUM
Resource: PCN
Source: Univentio
US
RAMAN-ACTIVE TAGGANTS AND THIER
RECOGNITION
Resource: APN
Author(s): SHCHEGOLIKHIN, Alexander, Nikitovich; LAZAREVA, Olga, Leonidovna;
MEL'NIKOV, Valery, Pavlovich; OZERETSKI,
Vassili, Yu; SMALL, Lyle, David
Source: USPTO
US
SECURITY PAPER OR BOARD PRODUCT AND
SECURITY PACKAGE
Resource: APN
Author(s): JAASKELAINEN, Timo; KORHONEN,
Raimo
Source: USPTO
EP
LUMINESCENT CORE/SHELL
NANOPARTICLES
Resource: EFA
Author(s): MEYER, Christiane; HAASE, Markus
Source: Univentio
6. Anhang
US
METHOD AND APPARATUS FOR WIDE AREA
SURVEILLANCE OF A TERRORIST OR
PERSONAL THREAT
Resource: APN
Author(s): PEETERS, John
Source: USPTO
WO
LARGE-AREA INDIVIDUALLY
ADDRESSABLE MULTI-BEAM X-RAY
SYSTEM
Resource: PCN
Author(s): ZHOU, Otto, Z.; LU, Jianping; QIU, Qi;
Source: Univentio
EP
SECURITY PRINTING LIQUID AND METHOD
USING NANOPARTICLES
Resource: EFA
Author(s): HAUBOLD, Stephan; IBARRA, Fernando
Source: Univentio
WO
USING NANOPARTICLES
Resource: PCN
Source: Univentio
US
USING NANOPARTICLES
Resource: APN
Source: USPTO
153
154
US
WATER SOLUBLE LUMINESCENT
NANOPARTICLES
Resource: APN
Author(s): WAKEFIELD, Gareth; GREEN, Mark
Source: USPTO
WO
WATER SOLUBLE LUMINESCENT
NANOPARTICLES
Resource: PCN
Author(s): WAKEFIELD, Gareth; GREEN, Mark
Source: Univentio
US
METHOD FOR THE MANUFACTURE OF
PATTERNED MICRO-AND NANOPARTICLES
AND USE OF SUCH PARTICLES IN THE
ASSEMBLY OF NANOSCALE
ARCHITECTURES IN SOLUTION
Resource: APN
Author(s): COBBE, Stephen; FITZMAURICE,
Donald; NAGLE, Loraine; RYAN, Declan
Source: USPTO
WO
METHOD FOR THE MANUFACTURE OF
PATTERNED MICRO-AND NANOPARTICLES
AND USE OF SUCH PARTICLES IN THE
ASSEMBLY OF NANOSCALE
ARCHITECTURES IN SOLUTION
Resource: PCN
Author(s): COBBE, Stephen, Gerard;
FITZMAURICE, Donald, Joseph; NAGLE,
Lorraine, Christine; RYAN, Declan, John
Source: Univentio
6. Anhang
WO
OPTICAL DEVICE AND METHOD OF
MANUFACTURE
Resource: PCN
Author(s): RYZI, Zbynek; DRINKWATER, Kenneth, John; MATEJKA, Frantisek
Source: Univentio
WO
NANOPARTICLE STRUCTURES
Resource: PCN
Author(s): MOORE, Barry, Douglas;
CUNNINGHAM, Douglas, Burns
Patent Number: 2003002225/WO-A1f
Source: Univentio
US
SECURITY THREAD FOR THE FORGERYPROOF MAKING OF OBJECTS
Resource: APN
Author(s): KOSAK, Hans; JOSTEN, Andre
Source: USPTO
Category: IP
WO
IMPROVED RAMAN-ACTIVE TAGGANTS
AND THEIR RECOGNITION
Resource: PCN
Author(s): SHCHEGOLIKHIN, Alexander Nikitovich; LAZAREVA, Olga Leonidovna;
MEL"NILOV, Valery Pavlovich; OZERETSKI,
Vassily Yurievich; SMALL, Lyle, David
Source: Univentio
US
SYSTEM AND METHOD OF FORMING SAME
Resource: APN
Author(s): ZHOU, Otto, Z.; LU, Jianping; Qiu, Qi
Source: USPTO
155
156
US
SYSTEM AND METHOD OF FORMING SAME
Resource: USF
Author(s): ZHOU, Otto Z.; LU, Jianping; QIU, Qi
Source: USPTO
US
SECURITY ENVELOPE DETECTABLE FOR
FOREIGN SUBSTANCES
Resource: USF
Author(s): PHILLIPS, George K.
Source: USPTO
US
SECURITY ENVELOPE DETECTABLE FOR
FOREIGN SUBSTANCES
Resource: APN
Author(s): PHILLIPS, George, K.
Source: USPTO
WO
SECURITY DOCUMENT WITH NANOPATTERN
Resource: PCN
Author(s): PHILLIPS, George, K.
Source: Univentio
WO
SECURITY PAPER OR BOARD PRODUCT AND
SECURITY PACKAGE
Resource: PCN
Author(s): JSKELINEN, Timo; KORHONEN,
Raimo
Source: Univentio
6. Anhang
DE
IDENTIFICATION OR
AUTHENTIFIZIERUNGSVERFAHREN
Resource: GER
Author(s): ROTH, Marcel, Dr.; LAMMERSCHOP,
Olaf, Dr.; SCHOENFELD, Rainer; SAUER, HansMartin, Prof. Dr.
Source: Univentio
US
RAMAN-ACTIVE TAGGANTS AND THEIR
RECOGNITION
Resource: APN
Author(s): SHCHEGOLIKHIN, Alexander, Nikitovich; LAZAREVA, Olgal, Leonidovna;
MELNIKOV, Valery, Pavlovich; OZERETSKI,
Vassili, Yu; SMALL, Lyle, David
Source: USPTO
WO
THREE DIMENSIONAL ARRAY FILMS
Resource: PCN
Author(s): RAGUSE, Burkhard; BRAACHMAKSVYTIS, Vijoleta, Lucija, Bronislava
Source: Univentio
US
SECURITY DOCUMENT WITH NANOPATTERN
Resource: USF
Author(s): PHILLIPS, George K.
Source: USPTO
157
158
DE
MANUFACTURE OF LIQUID PRINTED
NITROGEN DIRECTLY FROM THE MORE
ATMOSPHERIC BREEZE FOR
BRENNSTOFFREIEN DRIVE OF MOBILE UNITS
Resource: GER
Author(s): BOGUSLAWSKI, Zbigniew, Dr.-Ing.;
WASIAK, Wlodzimierz, Dipl.-Ing.
Source: Univentio
WO
PARTICLES WITH MODIFIED
PHYSICOCHEMICAL PROPERTIES, THEIR
PREPARATION AND USES, -1995005164/WOA1/
Resource: PCN
Author(s): WESTESEN, Kirsten; SIEKMANN,
Britta
Source: Univentio
DE
OPHTHALMISCHES WAREHOUSE
PREPARATION
Resource: GER
Author(s): KREUTER, Joerg, Prof. Dr.; SPEISER,
Peter, Prof. Dr.
Source: Univentio
6. Anhang
6.3
Auswahl deutscher und ausländischer Firmen in
der Sicherheitstechnik
Unternehmen mit Firmensitz oder Niederlassung in Deutschland
Nr.
Name
Produktfolio
1
Nanotest
Berliner
Nanotest
und Design
GmbH
2
Decie
GmbH
3
Nanosolutions
GmbH
Identif
Technologies GmbH
- Detektion und
Charakterisierung
von Mikro- und
Nanostrukturen
- Charakterisierung
von Materialien für
die Mikro- und
Nanotechnologie
- Nanodeformationsanalyse
- Dynamische Struktur- und Schädigungsanalyse
- Risswachstumsund Lebensdauerprognose
Nanotechnologische
Oberflächenversiegelung
Produkt- und Markenschutz
4
5
Genthe -XCoatings
Produktsicherheit
und Markenschutz
(Nanooptisches Siegel)
Die Genthe -X- Coatings GmbH (GXC)
beschichtet Glas und
Kunststoffe mit funktionalen Coatings auf
der Basis von Nanotechnologie für Anwendungen in den
Bereichen Automobil, Optik, Mikrotechnolgie/Sensorik,
Sicherheit und Abdeckungen/Verglasungen.
Umsatz
Mitarbeiter
Internetadresse
www.nanotest.org
www.decie.de
www.nanosolutions.de
5.6 Mio.
€
> 60
www.identif.de
www.gxccoatings.de
159
160
6
Bioni CS
GmbH
7
Caparol
Stiftung
8
PolyAn
GmbH
9
Nanoident
Technologies AG
10
Création
Direkt
GmbH
11
Institut für
Neue Materialien
GmbH
Nichttoxischer Anstrich basierend auf
Nanotechnologie, der
den Schimmelpilzund Algenbefall auf
Wand- und Fassadenflächen nachhaltig verhindert und
herkömmliche Antibiotika resistente
Krankenhauskeime
wirksam reduziert.
Fassadenbeschichtung gegen Pilz- und
Algenbefall
Maßgeschneiderte,
molekular designte
Materialoberflächen
und mit biokompatiblen Funktionen
ausgestattete Grenzflächen
Ultradünne und biegsame BiometrieSensoren auf Basis
organischer Halbleiter
Selbstreinigende &
wasserabweisende
Oberflächen u. a. für
den Sanitärbereich
und Edelstahl (Antifingerprint)
Intelligente, gegen
Fälschung sichernde
Kratzfestversiegelung des neuen europäischen Scheckkarten-Führerscheins,
Beschriftung per
Laser durch die Beschichtung hindurch
auf eine tiefere
Schicht.
Neuartige großflächige Brandschutzverglasung, wird
bereits am neuen
Flughafen von Dubai
eingesetzt.
Anorganisch gebundene umweltfreundliche Glasfaserdämmplatten ohne
Giftgasgefahr im
Brandfall.
Extrem kratzfeste,
schmutzabweisende,
keimtötende oder
http://www.bioni.
de
ca. 780
Mio. €
3.500
www.caparol.de
www.poly-an.de
www.nanoident.c
om
www.nanonetzwe
rk.de
knapp
200
www.inmgmbh.de
6. Anhang
12
Dräger
Safety
13
EADS
14
Siemens
15
Diehl BGT
Defence
16
eBiochip
Systems
GmbH
sich selbstreinigenden Oberflächen
Mehrgas-Scanner zur
Detektion kleinster
Spuren toxischer
Industriegase
Sensoren und Subsysteme, für Überwachungs- und Aufklärungsgeräte, für
das militärische
Missionsmanagement, Selbstschutzsysteme für Plattformen, die vernetzte
Operationsführung
und die Unterstützung der Einsatzkräfte, Avionikausrüstungen wie
militärische Missionssysteme, digitale
Kartengeneratoren,
Datenlinks, Radare
sowie elektronische
Selbstschutz- und
Störsysteme, Softwarelösungen zur
Multi-SensorIntegration, Integrierte Sensorsysteme,
Sensorennetze, taktische und BreitbandDatenlinks, Missionsavionik und Selbstschutz-Subsysteme,
Systeme für effiziente Grenzkontrollen
und für Küstenüberwachung
Zutrittskontolle,
Videoüberwachung,
Brandschutz, Einbruchschutz
Mini-Labor, das die
automatische VorOrt-Erkennung biologischer Toxine in
nur 30 Minuten ermöglicht.
Tragbares Analysesystem, tragbarer
Bioagent Detektor
"ePaTOX" (detektiert verschiedene
Schlüssel-Toxine
und Krankheitserreger)
504 Mio.
€
3.621
(SafetySparte)
www.draeger.com
31 Mrd. €
110.662
www.eads.net
75.2 Mrd.
€
434.000
www.siemens.co
m
300 Mio.
€
1.800
www.diehl-bgtdefence.de
www.ebiochip.co
m
161
162
17
ekey biometric
systems
Deutschland
GmbH
18
GE Security GmbH
19
IonGate
Biosciences GmbH
20
Rheinmetall DeTec
AG
21
Thales
Holding
GmbH
Persönliche Zugangsverfahren,
Authentifizierung
über das Internet,
Fingerprinttechnologie, Identifikation
über biometrische
Merkmale
Glasbruchsensoren,
KörperschallDetektoren für Geldausgabeautomaten &
Tresorräume, Passivinfrarot-Bewegungsmelder, Dualbewegungsmelder, aktive
Infrarot-Lichtschranke, Magnetkontakte,
Sirenen & Blitzlampen, Einbruchmeldezentralen, Türkontroller, Kartenleser,
CCTV Kameras,
Kuppelkameras,
Miniaturkameras,
Rauchmelder, Wärmemelder, Gasmelder, konventionelle
Brandmeldezentralen, analog addressierbare Brandmeldezentralen
Biosensor, der eine
direkte Bestimmung
der Aktivität von
Transportproteinen
erlaubt, ohne dass
Fluoreszenzfarbstoffe oder radioaktive
Marker verwendet
werden müssen.
ABC-Systemtechnik,
Wärmebildgerät
SAPHIR, Aufklärungssysteme, Sensor- und Sichtsysteme
Boden-/Küstenüberwachungsradare,
Grenz- und Gebietsüberwachungssysteme, kombinierte
Sensorsysteme (Radar & Optronik),
akustische Ortungssysteme zur Aufklärung von Raketenund Rohrartillerie,
Kommunikations-
www.ekey.net
http://www.geind
ustrial.com/geinterlogix/emea/german
y/
20
www.iongate.de
1.38 Mrd.
€
6799
www.rheinmetalldetec.de
500 Mio.
€
3500
http://www.thales
group.com/germa
ny/home.shtml
6. Anhang
22
IDENCO
M Germany GmbH
23
Biometronix GmbH
24
Technolog
SicherheitsLogistic
GmbH
zentralen für Polizei,
Feuerwehr, Rettungsdienste und
Industrie, Überwachungssysteme für
den Objektschutz,
Anlagen und Verfahren zur Fernmeldeund Elektronischen
Aufklärung
(SIGINT), Kommunikationssysteme
(Sprache/Daten) für
die Flugsicherung,
Navigationssysteme
für Anflug-, Landeund Streckennavigation, Radarsysteme
für Flugsicherung
und Flughäfen (Primär- und Sekundärradar), Integrierte
Systeme für Flugsicherungs-Kontrollzentralen, Flughafenund Towersysteme
(Total Airport Automation Systems),
satellitengestützte
Navigationssysteme
(GALILEO, SBAS
(EGNOS), GBAS)
Stand-alone FingerabdruckerkennungsModul, ErkennungsAlgorithmus, e-passport-Lösung für
Ausweispapiere und
Visa, die auf Biometrie- und RFIDTechnologie basieren
MultibiometrieSoftware, Gesichterkennung, Iriserkennung, Fingerabdruckerkennung
Eingangsanlagen,
Schiebemulden,
Durchgaben und
Kofferschleusen,
Container für temporäre oder mobile
Sicherheitsaufgaben,
Sprechanlagen,
Türsteuerungsanlagen, Schleusensteuerung, Videosysteme, Richterruf,
Eingangsanlagen,
Gewahrsamszellen,
http://www.idenc
om.com/index_de
.php
http://de.biometro
nix.com
www.technolog.d
e
163
164
25
Thermo
Electron
Corporation
26
NEC
27
Dermalog
Identification Systems
28
Biometron
29
Bosch
30
Condas
Control-
Röntgengeräte für
die Taschen und
Postkontrolle, Metalldetektoren, Sicherheitsfenster,
Sicherheitstüren,
Sicherheits-Fassadenelemente, Sicherheits-Trennwände, Panzerungen
und Panzerstahl
Konstruktionen,
LC Opakglas, Personen-Detektor, Herzschlagdetektor,
Briefbomben-Detektoren, Drogendetektor und Sprengstoffdetektor
Das Sprengstoffspuren-Erkennungsgerät
EGIS III ist eine
Weiterentwicklung
der Detektion Gerätefamilie EGIS und
für die Spurenerkennung von Explosivstoffen vorgesehen.
Zum Produktportfolio gehören Telekommunikationsprodukte und biometrische Sicherheitslösungen. In allen
Produktbereichen
und Märkten besetzt
NEC Spitzenplätze
bis hin zur Marktführerschaft.
Fingerprint-Scanner,
Integration biometrischer Daten in personengebundene
Dokumente, Grenzübergangskontrolle,
Zugriffskontrolle
Fingerprint-Scanner,
Iris-Scanner,
Zugriffskontrolle
Brandschutz, Einbruchschutz, Zutrittskontrollsysteme,
Diebstahlschutz,
SicherheitsManagementsysteme, Tür- und Schleusensteuerung, Videodokumentation
Identifikationssysteme, Sperrvorrichtun-
www.thermorams
ey.de
346 Mio.
€
100
www.nec.de
www.dermalog.de
www.biometron.d
e
920 Mio.
€
6200
www.boschsicherheitssysteme.de
www.condas.com
6. Anhang
und Datensysteme
31
Smiths
Heimann
Biometrics
32
Simons
Druck +
Vertrieb
GmbH
33
sarastro
GmbH
34
ADT
Deutschland
35
36
advancis
Software
& Services
Panasonic
37
DResearch
38
ela-soft
39
Funkwerk
Plettac
GmbH
Geutebrück
GmbH
40
gen, Zugangskontrolle, Besucherverwaltung, Ausweistechnologie, Abrechnungssysteme, Zeiterfassung, Videoüberwachung
Digitale Bildaufnahmelösungen für
polizeiliche, zivile
und kommerzielle
Finger- und Handabdruckanwendungen,
intelligente Dokumentenleser
Sicherheits-Code, der
durch Bekleben,
Beschichten, Prägen
und Spritzen auf
Produkten angebracht werden kann
und gegen Produktpiraterie schützt
Antimikrobielle
Schichten auf Basis
nanotechnologisch
modifizierter
Silberverbindungen,
AntifingerprintBeschichtungen
Artikelsicherung,
Brandmeldetechnik,
Einbruchmeldeanlagen, Elektronischer
Zahlungsverkehr,
Quellensicherung,
RFID, Videoüberwachung, Zutrittskontrolle
Integrales Sicherheits- und GebäudeManagement-System
Iriserkennungskameras
Videofernüberwachung
Gebäudemanagement, Zugangskontrolle
Videobewegungsdetektoren
Videobewegungsmelder
www.shbjena.com
www.secutag.com
www.sarastronanotec.com
www.adtdeutschland.de
www.advancis.de
249 Mio.
€
260.000
www.panasonic.d
e
www.dresearch.d
e
www.ela-soft.com
1.244
www.plettacelectronics.de
www.geutebrueck
.de
165
166
41
Gunnebo
Wego
42
43
Industrie
Technik
IPS GmbH
Interflex
44
Kaba
45
Thiem
Security
Solutions
GmbH
46
47
JERRA
Soft
GmbH
Marioff
48
Novar
49
veinbiometrics
50
Saelzer
building
security
Schmeissner GmBH
Sicherheit
und Kommunikationstechnik
51
Freigeländeabsicherug, elektronische
Detektionssysteme,
Zutrittskontrolle in
Gebäuden
Tracking-Videosensoren, Automatische Zielverfolgung
Fingerprint-Terminal
für Zutrittskontrolle,
Zutrittskontrolle mit
automatischem Gesichtsvergleich,
Biometrische Iriserkennung, Handgeometrieüberprüfung
Schließ- und Zutrittssysteme, Hochsicherheitsverschlusstechnik, berührungslose Identifikation
Beschusshemmende
Fensterkonstruktionen, Sprenghemmende Fenster, Türen und Fassaden
zum Schutz der Außenhaut des Gebäudes, Brandschutzverglasung, Durchreichen und Schiebemulden
Zutrittskontrollen,
Zeiterfassung, Überwachung
WassernebelBrandschutz
Brandmeldetechnik,
Rufsysteme, Einbruchmeldetechnik,
Rettungswegtechnik,
Videoüberwachung,
Zeiterfassung, Gebäudeleittechnik,
Zutrittskontrolle
Zugriffskontrolle
über Vergleich der
Venengefäßmuster
im Handrücken
Panzerglas, Schranken, Barrieren, Poller
und Schiebetore
Glasbruchmelder,
Magnetschalter,
Erschütterungsmelder, Bilder und Objektsicherungssysteme, Innensirenen
www.wegosystem.de
www.ips-cctv.de
56 Mio. €
411
www.interflex.de
5.900
www.kaba.de
www.mbthiem.de
25
www.biometricsolutions.de
www.marioff.de
225 Mio.
€
1.500
www.novar.de
www.veinbiometr
ics.de
www.saelzer.de
www.schmeissner
-gmbh.de
6. Anhang
52
Servocell
53
Simons
Voss
Technologies
TAB Systems
54
55
vitracom
56
VMT
Düssel
57
rent a
scientist
GmbH
58
Informium
AG
59
AIM
INFRARO
TMODULE
GmbH
Piezobasierte Aktuator-Mechanismen für
Sicherheits- und
Ventilanwendungen
Biometrietransponder, digitale Schließzylinder
Zutrittskontrolle
anhand von drei
biometrischen Parametern (Gesicht,
Lippenbewegung,
Stimme)
Videosensor zur
Besucher- bzw. Passanten-frequenzmessung, Personenzählung Erfassung von
Laufwegen, Messung
von Aufenthaltsdauern, Belegungs- und
Interessengraden,
Überwachungsaufgaben und deren
Protokollierung,
Verkehrs-steuerungsund Informationssysteme, FacilityManagementsysteme
Kennzeichenerkennung und Identifizierung bewegter Fahrzeuge
Nanosilber (AgPURE™) für nicht toxische, antibakterielle
Ausrüstung von
Kunststoffen, Lacken, Silikonen
Produktkennzeichnungen Schutz und
die Verfolgung sicherheitssensibler
Produkte auf der
Basis optischer Signaturen, DNAMarkern und RFIDTranspondern
Entwicklung und
Fertigung von Infrarot-Detektoren und –
Modulen für Thermografiesysteme
www.servocell.co
m
130
www.simonsvoss.com
www.tabsystems.com
www.vitracom.de
www.vmtduessel.de
www.agpure.de
http://www.infor
mium.com
http://www.aimir.com/index.php?
lan=de
167
168
Ausländische Unternehmen ohne Niederlassung in Deutschland
Nr.
Name
Produktportfolio
Umsatz
Mitarbeiter
Internetadresse
1
Sniffex
Corporation
Tragbarer Detektor,
der Sprengstoff
durch Messungen
des Erdmagnetfeldes,
des Detektorfeldes
und dem Feld des
Sprengstoffs aufspürt
und dadurch nicht
von Wänden und
Metallbarrieren beeinflusst wird
www.sniffex.com
2
Isonics
Corporation
NeutroTest - A neutron based nondestructive device for
finding hidden explosives
www.isonics.com
3
Nanodetex
Auf Nanotechnologie
basierende Sensoren
zur Detektion von
Chemikalien
(Sprengstoffen)
http://www.nanod
etex.com/
4
ThruVision Imaging
Nichtinvasive strahlungsfreie Durchleuchtung von Personen
www.thruvision.c
om
5
Audiotel
International
Wanzendetektoren
www.audiotelint.com
6
CIAS
MikrowellenÜberwachungsstrecke zur Detektion
von Eindringlingen
www.cias.it
7
Elektral
Metalldetektoren,
Gasdetektoren
www.elektral.com
.tr
8
Guardall
Bewegungssensoren
auf Basis unterschiedlicher Erkennungsmethoden
(Infrarot, Mikrowellen, …)
www.guardall.co.
uk
9
Madico
explosionssichere
Schutzfolien, antimikrobielle Glasschutzfolien
www.madico.com
6. Anhang
10
Research
Electronic
International
Lauschabwehr
11
Suresafe
Technology Inc.
RF Signaldetektoren, Detektoren für
Spionagekameras,
Bluetooth-Störsender
12
Twaron
Paraaramidfaser für
den Personen- und
Fahrzeugschutz
13
Nanomix
Gasdetektoren, die
aufgrund von Langzeitmessungen
rechtzeitig vor Anhäufungen explosiver Gase warnen
www.reiusa.net
5.5 Mio.
$
40
www.suresafe.co
m.tw
1.100
www.twaron.com
www.nano.com
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Nanosensors“, Dezember 2004 bzw. C. Q. Choi, United Press International Science News vom 27.12.2004: „Nano World: Nanosensors full of
7. Literatur
surprises“(http://www.upi.com/inc/view.php?StoryID=20041222092524-2821r).
BITKOM Presseinformation vom 04.10.2005: „Elektronischer Reisepass
ist eine Chance für die deutsche Sicherheitswirtschaft“
(http://www.bitkom.org/files/documents/BITKOM_PI_Elektronischer_R
eisepass_04.10.2005.pdf).
BITKOM Studie Biometrie Markt und Plattform, April 2005
(http://www.bitkom.org/files/documents/BITKOM_Studie_Biometrie_M
arkt_und_Plattform_050505.pdf).
IDTechEx Ltd.: „RFID Forecasts, Players & Opportunities 2006-2016“,
Marktstudie, Februar 2005.
Deloitte Research: „Prospering in the Secure Economy“, Research Study,
April 2005.
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Nutzung der Nanotechnologie für

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