Das Projekt zielt auf die Entwicklung eines KI-gestützten Assistenten zur Optimierung der Produktionsprozesse in der Lack- und Farbindustrie. Dabei wird künstliche Intelligenz in das bestehende MES-System (Manufacturing Execution System) integriert, um die Entscheidungsfindung und Prozesssteuerung zu verbessern. Ein wesentlicher Bestandteil des Projekts ist die Anwendung statistischer Methoden, insbesondere Unsupervised Learning-Verfahren wie der Hauptkomponentenanalyse (PCA) und t-SNE, um aus den Produktionsdaten sinnvolle Merkmale zu extrahieren.

Im Rahmen des DLR-Projekts „SIMKORF“ (Förderkennzeichen 50RS2006) ist ein solides Grundgerüst für ein vollumfängliches Simulationstool für elektrische Antriebssysteme mit dem Ziel entstanden, als schnelles, aber genaues Engineeringwerkzeug in der Industrie zum Einsatz zu kommen. Es hat sich gezeigt, dass eine Mischung aus einem globalen, schnellen Modell mit einem kinetischen Modell, das auf einer sog. Fokker-Planck-Gleichung basiert, ausreichend genau und gleichzeitig schnell genug ist. Eine Schlüsselkomponente für globale Modelle liegt in der selbstkonsistenten Bestimmung der Energieverteilungsfunktion (Electron Energy Distribution Function – EEDF) der Elektronen im triebwerksinternen Plasma. In bisher verfügbaren globalen Modellen wird für die EEDF eine bestimmte Verteilungsfunktion angenommen, die jedoch die Realität nur ungenau wiedergibt. Alternativ kann die EEDF auch mit Hilfe von iterativen kinetischen Particle-In-Cell (PIC)-Codes für vorgegebene Betriebsparameter berechnet werden. PIC-Codes liefern zwar genaue Ergebnisse, benötigen aber meist sehr lange Rechenzeiten (Wochen/Monate) und/oder dedizierte Rechencluster mit vielen Rechenkernen (typ. > 1.000 Kerne). Für den Einsatz in hinreichend genauen, aber schnellen Engineeringwerkzeugen sind PIC-Codes daher ungeeignet.
Das Ziel des beantragten Vorhabens besteht darin, das i. R. von SIMKORF entstandene Grundgerüst eines Simulationsframeworks für elektrische Triebwerke, am Beispiel des Radiofrequenz-Ionentriebwerks, unter Nutzung eines Fokker-Planck-Verfahrens so zu erweitern, dass aufwendige und ressourcenhungrige, iterative Particle-in-Cell (PIC)-basierte Berechnungen zwar weitgehend vermieden, aber die Rechengenauigkeit eines PIC-Verfahrens erreicht werden kann. Das resultierende Engineeringtool soll sich durch kurze Simulationsdauern bei gleichzeitig hoher Prognosequalität auszeichnen.

Im Rahmen der DLR Komponenteninitative plant Airbus in Kooperation mit der THM die Entwicklung eines iodbasierten Antriebssystems. Das Antriebssystem besteht aus einem Advanced Cusp Field Thruster als Triebwerk, einem Neutralisator, Triebwerks- und Neutralisatorfluidik sowie der Power-Processing-Unit. Im Rahmen des Verbundprojekts wird die Power-Processing-Unit (PPU) von der THM entwickelt und gebaut. Das Ziel des Verbundvorhabens sind die Entwicklung und in-Orbit-Validierung eines Ion-Antriebssystems, welches zu einem kompetitiven deutschen Produkt werden soll. Der Schwerpunkt der Arbeiten der THM liegt dabei auf der Entwicklung der PPU, die sowohl flexible Operationen ermöglichen als auch durch Modularität bezüglich der Plattform geringe Entwicklungs- und Herstellungskosten verursachen soll. Um dieses Ziel zu erreichen, sollen neben Simulationsmodellen und einem Labordemonstrator für entwicklungsbegleitende Tests ein Umweltmodell sowie in-Orbit-Verifikationsmuster für den Einsatz im Weltraum entwickelt, gebaut und einschlägig getestet werden. Die PPU soll aus kommerziell erhältlichen Bauteilen (COTS – Commercial Off The Shelf) aufgebaut sein und auf weltraumqualifizierte Bauteile aus Kostengründen verzichten. Nach erfolgreichen Tests wird das Antriebssystem im Orbit validiert und hinsichtlich Strahlungstoleranz analysiert. Dazu wird die flugfähige Hardware mit entsprechender Sensorik ausgestattet. Die Messwerte werden zyklisch an eine Bodenstation übermittelt und von der THM ausgewertet. Ziel soll sein, eine frühzeitige Alterung, bedingt durch Strahlung und Temperatureinflüsse, zu erkennen und geeignete Schaltungs- und Layoutmaßnahmen mit Simulationsmodellen vorzuschlagen, um diese zu mitigieren bei zukünftigen Entwicklungen.

Das Vorhaben hat engen Bezug zum Programm “Forschung unter Weltraumbedingungen“ der DLR Raumfahrtagentur, da Untersuchungen mit komplexen Plasmen in der Schwerelosigkeit (ISS, Parabelflug) den Schwerpunkt der Projekte PK-4 und COMPACT darstellen. Es gliedert sich in 2 Teile: Weitere Durchführung von PK4-Experimenten auf der ISS Die bisher an der JLU eingesetzten Apparaturen zu PK-4 (Parabelflugeinheit, SRM-1) sind funktionstüchtig. Daher werden im apparativen Bereich bei PK-4 keine Neuentwicklungen oder Verbesserungen erforderlich. Die technischen Arbeitsziele bei PK-4 betreffen somit nur die Erstellung von zusätzlichen Experimentskripten für neu durchzuführende Versuchskampagnen sowie die Verwaltung der insgesamt angefallenen und weiter anfallenden Experimentdaten. In Absprache mit der ESA wird sich die THM an der Koordination der bestehenden PK-4-Experimente auf der ISS beteiligen. Dazu soll bis zum 31.03.2025 das SRM-1 von der JLU an die THM transferiert werden. Die weitere Durchführung der Projektaufgaben findet ab dem 1.4.2025 gänzlich an der THM statt. Am Ende der Lebenszeit von PK-4 wird dessen Decommisioning vorbereitet und unterstützt. Entwicklung der Steuerelektronik nebst zugehöriger Software für die Zyflex-Kammer, die i. R. des Projekts COMPACT als Nachfolgeapparatur von PK-4 entsteht. Die THM soll die Entwicklung der wesentlichen Elemente der RF-Elektronik für die Plasmaerzeugung mit der Zyflex-Kammer übernehmen. Dazu zählen - der 4-kanalige RF-Generator inkl. der notwendigen Impedanzanpassungen sowie der Abschirmung, - der ebenfalls 4-kanalige Arbitrary Funktion Generator, - die erforderlichen Messkanäle, - der hierfür erforderliche Steuerrechner in Form eines leistungsfähigen µC oder eines FPGA, sowie deren Programmierung. -Die bisherigen Ergebnisse zur Nutzung von KI bei PK-4 (Reduktion der vom Experiment an die Bodenstation zu übertragende Datenmenge, automatisierte Experimentsteuerung) sollen auf die Steuerung der Zyflex-Kammer übertragen werden.

Der Aufbau modernster Instrumentierung für Test und Qualifikation von Electric Propulsion (EP)-Systemen ist notwendig, um die sich rasant weiterentwickelnden Bedarfe der Raumfahrtindustrie im EP-Bereich zu befriedigen, Vergleichbarkeit zwischen EP-Systemen herstellen und einen sicheren Betrieb von EPSystemen im Weltraum garantieren zu können. Darauf zugeschnittene Konzepte für Testanlagen müssen entwickelt werden, da sie für die Qualifizierung und Standardisierung von EP-Systemen unabdingbar sind. Die Kenngrößen von elektrischen Antrieben müssen eindeutig und standardisiert erfasst werden. Hierzu sind entsprechende Standards zu definieren und eine Instrumentierung zu entwickeln, mit der EPTechnologien für den Weltraum terrestrisch getestet werden, um diese Kenngrößen unter Einsatzbedingungen zuverlässig vorhersagen zu können. In diesem Vorhaben geht es um die Etablierung solcher Standards auf nationaler Ebene, der Schwerpunkt des Vorhabens liegt dabei auf dem Konzept von Gitterionentriebwerken. Die Eigenschaften des Triebwerksstrahls gehen bestimmend in wesentliche Kenngrößen elektrischer Triebwerke, insbesondere in den Schub, ein. Ionenenergie, Ionenstromdichte und Strahlzusammensetzung sind hierbei als die wichtigsten Strahleigenschaften zu nennen. Ziel des Vorhabens ist es, einen Radiofrequenz-Generator zur Speisung der o. g. RF-Ionenquellen zu entwickeln. Die Anforderungen an den Generatoren leiten sich aus den Anforderungen an die Qualität des Ionenstrahls ab. Er muss eine zuverlässige und dauerhafte Einkopplung elektromagnetischer Energie in das Quellenplasma gewährleisten. Dabei muss er für den Betrieb unter Vakuumbedingungen geeignet sein. Der Generator soll auf einen bestimmten Arbeitsbereich der Ionenquelle optimiert ausgelegt sein. Da mehrere Projektpartner gleiches Testsetup betreiben, muss sichergestellt sein, dass alle Generatoren innerhalb definierter Betriebstoleranzen liegen.

AIPEX nimmt Untersuchungen zum Einsatz von KI (Künstliche Intelligenz) zur Experimentkontrolle und Datenverarbeitung vor. Komplexe Plasmen in der Schwerelosigkeit stellen einen potentiellen Use-Case für AIMS (Artificial Intelligence Meets Space)/AIPEX dar.
An der THM sollen UseCase Untersuchungen bzgl. Datenverarbeitung, insbesondere Datenreduktion sowie KI zur Experimentkontrolle durchgeführt werden. An der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) sollen die entwickelten KI-Methoden mittels des Mikrogravitationsexperiments PK-4 (ISS, Parabelflüge) und an der Universität Greifswald mit einem Prototyp des Nachfolgerexperiments COMPACT getestet werden.
Im Vorhaben ist geplant, Daten des PK4 Experimentes der HS Mittweida bereitzustellen. Diese Daten werden auf die GAN Methode angewendet um Extreme der Experimentendaten im Bereich von 3 Sigma künstlich zu erzeugen. Diese wiederum finden dann in den KI Algorithmen Anwendung um Effizienz und Performance zu steigern.

In EngIneer wird eine neuartige Anlage für die ionenstrahlgestützte Beschichtung von Optiken aufgebaut, die dem Bedarf nach komplexeren Beschichtungen nachkommt. Das Konsortium bringt synergetisch Kompetenzen aus Elektrotechnik, Plasmaphysik und industrieller Beschichtungstechnologie in das Projekt ein. Hauptaugenmerk ist die Optimierung der Ionenquelle als Herzstück der Anlage. Hierzu wird eine Radiofrequenz-Ionenquelle innovativ ausgestaltet, so dass sie kostengünstiger und leistungsfähiger ist als bisher eingesetzte Quellen. Wissenschaftlicher Nachwuchs wird direkt in die industrienahe Forschung eingebunden. Die entwickelte Ionenquelle ist nicht nur interessant für die Materialbearbeitung und damit für die hessische Beschichtungsindustrie, sondern auch als Triebwerk für Satelliten, was weiteres Marktpotenzial Richtung Raumfahrt eröffnet. Das Forschungsprojekt der drei Partner ist ein Paradebeispiel für einen erfolgreichen Technologietransfer von Hochschulforschung in die Industrie.

Das Experiment PK-4 dient zur Untersuchung komplexer Plasmen und befindet sich seit 2014 auf der ISS.

Raketen werden durch das Ausstoßen von heißen Treibstoffgasen beschleunigt. Auch alle geostationären Satelliten und die Mehrzahl der interplanetaren Sonden sind mit kleinen Rake-tentriebwerken zur Lageregelung und zur Ausführung orbitaler Manöver ausgerüstet. Die klei-nen Antriebe benötigen über ihre volle Lebenszeit eine beträchtliche Menge an Treibstoff, die signifikant zur Gesamtmasse des Satelliten beiträgt. Der einzige Weg diese zu reduzieren, liegt in der Erhöhung der Strahlgeschwindigkeit. Die auf chemischer Verbrennung basierenden Antriebe haben die technisch und physikalisch möglichen Grenzen erreicht. Statt chemischer können jedoch Triebwerke mit elektrischer Schuberzeugung verwendet werden. Sie arbeiten ebenfalls nach dem Rückstoßprinzip. Allerdings nutzen sie elektrische Energie zur Beschleunigung des ionisierten Treibstoffs. Übergeordnetes Ziel des Vorhabens SIMKORF ist es, ein an der THM konzipiertes und entwickeltes Simulationsprogramm so weiterzuentwickeln, dass es als entwicklungsbegleitendes Werkzeug für Entwurf und Weiterentwicklung derartiger Ionentriebwerke
verwendet werden kann.

Raketen werden durch das Ausstoßen von heißen Treibstoffgasen beschleunigt. Auch alle geostationären Satelliten und die Mehrzahl der interplanetaren Sonden sind mit kleinen Raketentriebwerken zur Lageregelung und zur Ausführung orbitaler Manöver ausgerüstet. Die kleinen Antriebe benötigen über ihre volle Lebenszeit eine beträchtliche Menge an Treibstoff, die signifikant zur Gesamtmasse des Satelliten beiträgt. Der einzige Weg diese zu reduzieren, liegt in der Erhöhung der Strahlgeschwindigkeit. Die auf chemischer Verbrennung basierenden Antriebe haben die technisch und physikalisch möglichen Grenzen erreicht. Statt chemischer können jedoch Triebwerke mit elektrischer Schuberzeugung verwendet werden. Sie arbeiten ebenfalls nach dem Rückstoßprinzip. Allerdings nutzen sie elektrische Energie zur Beschleunigung des Treibstoffs.

Ziel des Projekts ist die Fortführung der in Phase 1 des DFGSchwerpunktprogramms FFlexCom begonnenen Arbeiten. Auch in Phase 2 zielt das Projekt auf die Analyse, Verbesserung und Stabilisierung organischer Dünnschicht-Transistoren (OTFT) für Low-Voltage-Anwendungen ab, sowie auf den Entwurf und die Herstellung grundlegender Funktionsblöcke für autarke Schaltkreise. Die Arbeiten beinhalten weiterhin die Entwicklung von Multi-Band-Audio-Frequenzweichen, Verstärkern, Filtern und Spannungsreglern mit drahtloser Energieversorgung für die Vision eines OTFT-basierten Cochlea-Implantats. Phase 1 des Projekts konzentrierte sich auf die Entwicklung von Komponenten zur Signalübertragung von einer externen Quelle in ein biologisches System. In Phase 2 soll der Schwerpunkt auf der umgekehrten Übertragungsrichtung liegen; biologische Signale sollen zu einer externen Einheit gesendet werden. Mögliche Anwendungsszenarien sind beispielweise Schweißsensoren, Lymph-Sensoren, Einweg-Elektrokardiogramm (EKG) Systeme. Alle diese Systeme erfordern ähnliche Schaltungsblöcke, jedoch mit unterschiedlichen Sensorkonzepten.

Aus Kombination der Arbeiten aus den Phasen 1 und 2 ergibt sich damit die Grundlage für ein bidirektionales biomedizinisches Interface zur Realisierung rückgekoppelter Systeme, welche in einer Low-Cost-Technologie auf Basis organischer Halbleiter hergestellt werden können. Das Projekt zielt nicht nur auf die Realisierung eines einzelnen Funktionsmusters ab, sondern auf die Herstellung einer Kleinserie von Schaltkreisen mit definierter Ausbeute und verlässlichen Spezifikation. Neben zuverlässigen Bauelementen sind hierfür im Entwurfsprozess auch Transistormodelle mit hoher Genauigkeit notwendig. Schwerpunkte im Projekt sind daher die Verbesserung der OTFT-Technologie, die Entwicklung strukturnaher und frequenzabhängiger Transistormodelle, sowie die Abbildung von Entwurfsregeln bzw. die Implementierung von Kompaktmodellen in Standard-Entwurfstools für das Schaltungsdesign. Hiermit soll die Grundlage für den Entwurf zuverlässiger Systeme für biomedizinische Sensorsysteme auf Basis organischer TFTs geschaffen werden.

Das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 ist gekennzeichnet durch eine starke Individualisierung der Produkte unter den Bedingungen einer hoch flexibilisierten (Großserien-) Produktion. Kunden und Produkthersteller werden zunehmend mit hochwertigen Dienstleitungen verbunden. Hierfür sind Innovationen im IKT-Bereich unerlässlich. Durch F&E im Bereich von Elektroniksystemen sind Technologien zu schaffen, welche eine extrem kostengünstige Vernetzung von Produkten der Konsumgüterindustrie (IoT – „Internet of Things“) ermöglichen. Hierzu sind laut den Förderzielen des BMBF neuartige Ansätze für elektronische Systeme zu unterstützen, z. B. in Form einer organischen Elektronik. Diese Systeme lassen eine im Vergleich zur klassischen Silizium-Technologie weitaus kostengünstigere Herstellung mikroelektronischer Systeme erwarten, da eine Produktion mit Verfahren der Druckindustrie angestrebt wird. In Kombination z. B. mit der OLED-Technologie ließe sich so ein System schaffen, welches für low-cost Produkte eine Benutzerschnittstelle in Form eines Displays und über eine RF-Schnittstelle eine Einbindung in eine digitale Kommunikation bis hin zum Hersteller ermöglicht. Die Möglichkeiten reichen vom Bereich der Logistik und dem Handel (bspw. Warnanzeige bei Unterbrechung von Kühlkette im Transport von Nahrungsmitteln direkt auf Produktverpackung) bis hin zu einer Kommunikation zwischen Endverbraucher und Dienstleistern während des gesamten Produktlebenszyklus.

Der Markt der gedruckten Elektronik (TOLAE: thin, organic and large area electronics) erwartet enorme Zuwachsraten [1]. Für die gestellten Anforderungen ist allerdings ein beträchtlicher Fortschritt der Technologie notwendig. Das Problem der nur geringen Mobilität der Ladungsträger in organischen Halbleitern verlangt für ausreichenden Einschaltstrom und auch für Hochfrequenzanwendungen im MHz-Bereich eine drastische Reduktion der Kanallänge. Der Schaltungsentwurf findet zurzeit typischerweise direkt bei den Anbietern der Technologie statt. Zur Entwicklung komplexer Schaltkreise ist allerdings dringend ein Übergang des Schaltungsentwurfs in eine übergreifende Design-Community, von Technologieunternehmen bis hin zu Anbietern von IP für Systemkomponenten, notwendig. Voraussetzung dafür sind standardisierte Kompaktmodelle für OFETs. Diese erlauben in Netzwerksimulatoren eine Analyse auch komplexer Schaltungen in vertretbarer Rechenzeit. Die Forderung nach numerischer Effizienz verlangt eine gründliche Untersuchung, welche physikalischen Effekte zur Modellbildung berücksichtigt werden müssen und welche dagegen vernachlässigt werden können. Diese Kompaktmodelle sind in Standard-Tools für das Schaltungsdesign zu implementieren, um damit einen übergreifenden Entwurfszyklus wie heute in der Standard-Silizium-Technologie zu ermöglichen.

Im beantragten Projekt sollen Kompaktmodelle für OFETs entwickelt werden, welche eine Beschreibung für Kurzkanalbauelemente bis in den MHz-Bereich erlauben. Damit wird der Entwurfsprozess organischer Elektronik unterstützt und werden die Voraussetzungen für das Design von kostengünstigen Schaltkreisen für die eingangs erwähnten Anwendungen zur mobilen Kommunikation einzelner Komponenten im Sinne von „Industrie 4.0“ geschaffen.