Digitalisierung, Schlüsseltechnologien

Digitalisierung und Schlüsseltechnologien sind wichtige Treiber für Innovationen, Wachstum und Beschäftigung in Deutschland. Sie sichern die starke Position und weltweite Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Industrie. Forschungsergebnisse in Informations- und Kommunikationstechnologien, Mikroelektronik, Quantentechnologien, Photonik, Produktions- und Werkstofftechnologien sowie in der Mensch-Technik-Interaktion schaffen neues Innovationspotenzial für neuartige und originelle Produkte, Verfahren und Dienstleistungen in Industrie und Gesellschaft.

Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) prägen alle Lebens- und Wirtschaftsbereiche. Sie treiben Innovationen, sorgen für Produktivitätsgewinne und tragen dazu bei, wirtschaftliches Wachstum, Wohlstand und Arbeitsplätze zu sichern. Für Deutschlands Wettbewerbsfähigkeit ist die gelungene Entwicklung und Integration digitaler Technologien in industriellen Anwenderbranchen ein entscheidender Treiber innovativer Wertschöpfungsketten in vielen Wirtschaftszweigen.

Die Bundesregierung trägt mit ihrer Forschungs- und Innovationspolitik zu nachhaltigen Erfolgen in diesem Bereich bei. Die Politik steht im Einklang mit der Hightech-Strategie und der Digitalen Agenda 2014–2017. Ziele sind u. a. die Unterstützung der Wirtschaft, insbesondere des Mittelstands, und der Wissenschaft bei der Umsetzung von Industrie 4.0 und bei der Entwicklung innovativer Dienste und Dienstleistungen – z. B. durch Cyber-physische Systeme, neue Produktionsmethoden, Big-Data-Technologien und Methoden des maschinellen Lernens.

Schlüsseltechnologien sind aufgrund ihrer volkswirtschaftlichen Hebelwirkung von besonderer Bedeutung für die deutsche Wirtschaft. Insbesondere kleine und mittelständische Unternehmen profitieren von einer breiten Nutzung der Schlüsseltechnologien bei der Entwicklung international wettbewerbsfähiger Produkte und Dienstleistungen. Daher ist es ein wichtiges strategisches Ziel der Förderung, neue Entwicklungen aus der Wissenschaft aufzugreifen, die Technologiepipeline zu füllen, technologische Souveränität auszubauen und zu sichern sowie Brücken zwischen Technologien und Anwendungsfeldern zu bauen, um Forschungsergebnisse rasch in wirtschaftliche Erfolge umzuwandeln.

Weizenbaum-Institut für die vernetzte Gesellschaft – Das Deutsche Internet-Institut

Das Weizenbaum-Institut für die vernetzte Gesellschaft hat im September 2017 in Berlin seine Arbeit aufgenommen. Das neue Institut soll die ethischen, rechtlichen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Aspekte von Internet und Digitalisierung erforschen. Dafür stellt das BMBF Fördermittel in Höhe von bis zu 50 Mio. Euro in den ersten fünf Jahren bereit.

Das Weizenbaum-Institut ist als „lernendes Zentrum“ angelegt. Es soll der nationalen und internatio-nalen Forschung Impulse geben sowie neue Themen aufnehmen. Als zentraler Akteur in der Forschungslandschaft soll das Institut selber aktuelle Schwerpunkte setzen. Mit einem interdisziplinären Ansatz verfolgt es das Ziel, die Gesellschaft und ihre Institutionen, Unternehmen und die Politik mit praxisnahen Anwendungsmodellen zu unterstützen. Darüber hinaus vernetzt das Institut die einschlägige Forschungslandschaft und fördert den wissenschaftlichen Nachwuchs, beispielsweise mit Forschungsaufenthalten exzellenter Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler. Die Direktorenstellen des Instituts sollen international ausgeschrieben werden. Das Konzept für das Weizenbaum-Institut wurde von einem Konsortium aus fünf Hochschulen und zwei außeruniversitären Forschungseinrichtungen aus Berlin und Brandenburg entwickelt (Freie Universität Berlin, Humboldt-Universität zu Berlin, Technische Universität Berlin, Universität der Künste Berlin, Universität Potsdam, Fraunhofer FOKUS und dem Wissenschaftszen-trum Berlin für Sozialforschung als Koordinator) und hat sich in einem zweistufigen wettbewerblichen Verfahren durchgesetzt.

Mit dem Aufbau des Instituts setzte die Bundesre-
gierung ein zentrales Ziel ihrer Digitalen Agenda 2014–2017 um. In regelmäßigen Abständen soll das Institut zur Qualitätssicherung evaluiert werden.

Weitere Informationen im Internet:
vernetzung-und-gesellschaft.de

Schlüsseltechnologien

Schlüsseltechnologien sind wichtige Treiber für Innovationen und sichern die starke und weltweit wettbewerbsfähige industrielle Basis in Deutschland. Innovative Entwicklungen aus der Informations- und Kommunikationstechnologie, der Mikroelektronik, der Photonik, der Biotechnologie, den Produktionstechnologien sowie den Werkstoff- und den Nanowissenschaften bilden die Grundlage für neue Produkte, Verfahren und Dienstleistungen in vielen industriellen und gesellschaftlichen Anwendungsbereichen.

Vor allem in Anwendungsbereichen wie Automobil, Medizintechnik, Maschinenbau und Logistik unterstützen die Schlüsseltechnologien als Innovationsmotor die industrielle Basis und sind aufgrund ihrer volkswirtschaftlichen Hebelwirkung von besonderer Bedeutung für die Sicherung des Wohlstands in Deutschland.

Die Bundesregierung fördert die Erforschung und Entwicklung zukunftsträchtiger neuer Technologien, die einen essenziellen Beitrag zur Lösung der globalen gesellschaftlichen Herausforderungen, insbesondere in den Schwerpunkten Klima- und Ressourcenschutz, Medizin, Mobilität und Sicherheit, leisten. Durch die gezielte Förderung der Kooperation zwischen Wissenschaft und Industrie sollen in den Schlüsseltechnologien Inventionen zu Innovationen weiterentwickelt werden. Auf diese Weise können z. B. mithilfe neuer Materialien leistungsfähigere Batterien für Elektroautos entstehen, die zur Verringerung des CO2-Ausstoßes im Straßenverkehr beitragen. Die Bundesregierung fördert Schlüsseltechnologien gezielt zur Umsetzung der fünf prioritären Zukunftsaufgaben der Hightech-Strategie.

Wertschöpfung generiert Wohlstand. Als interdisziplinäre Querschnittstechnologie spielen deshalb die Produktionstechnologien eine zentrale Rolle. Erfolgreich wird zukünftig das Unternehmen sein, dem es gelingt, vielfältige Wissensdisziplinen systemisch in komplexen Produktionsnetzwerken zu verknüpfen und bedarfsgerechte Produkte zu entwickeln. Produktionstechnologien nutzen und integrieren innovative Erkenntnisse aus allen Schlüsseltechnologien und geben ihrerseits wertvolle Impulse für deren Weiterentwicklung. Je nachhaltiger es gelingt, Kompetenzen in Produktionstechnologien und Produktionssystemen zu stärken, desto besser wird die Wettbewerbsposition der Unternehmen im globalen Umfeld und desto größer ist der Effekt auf Wohlstand und Beschäftigung in Deutschland (siehe auch III 1.3 Arbeit, Produktion und Dienstleistung).

Der innovations- und industriepolitischen Bedeutung der Schlüsseltechnologien (engl. Key Enabling Technologies, KET) wird auch auf europäischer Ebene Rechnung getragen. So sind Förderung und Ausbau der Schlüsseltechnologien Bestandteil der Wachstumsstrategie Europa2020, der Innovationsunion und der Digitalen Agenda für Europa.

Softwaresysteme, Wissenstechnologien, Industrie 4.0

Intelligente Softwaresysteme sind ein wichtiger Teil der Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) und Innovationstreiber in allen wesentlichen Wirtschaftszweigen. Das BMBF unterstützt die Weiterentwicklung von IT-Systemen in den Schwerpunkten Industrie 4.0, maschinelles Lernen, Big Data, Höchstleistungsrechnen, Internet der Dinge und zuverlässige IT-Systeme. Durch KMU-innovativ: Informations- und Kommunikationstechnologien wird die Beteiligung von kleinen und mittleren Unternehmen an der Förderung sichergestellt (siehe auch III 3.1 Innovativer Mittelstand).

Außerdem unterstützt das BMBF mit mehreren Förderinitiativen die Entwicklung von neuen Methoden und Werkzeugen für offene und dynamisch veränderliche IT-Systeme. Die ersten Fördermaßnahmen konzentrieren sich auf Forschungsvorhaben zu Resilienz und Ausfallsicherheit sowie zu Konstruktionsprinzipien und Laufzeitmethodik. Der europäische EUREKA-Cluster ITEA 3 stärkt die europäische Industrie bei der fortgeschrittenen vorwettbewerblichen Forschung und Softwareentwicklung im Bereich der eingebetteten softwareintensiven Systeme. Zugleich bündelt er die Potenziale in Industrie und Forschung aus den beteiligten Ländern. Das vom BMBF mitgetragene Programm fördert vor allem Projekte, die Europas Position in der weltweiten Standardisierung von softwareintensiven Systemen und Diensten unterstützen.

In der IT-Branche sind Fachkräfte stark nachgefragt, die das fachliche Know-how mit Managementfähigkeiten verbinden und damit zu Führungskräften werden können. Bei der BMBF-Maßnahme Software Campus können herausragende Masterstudierende und Doktorandinnen sowie Doktoranden der Informatik sowie informatiknaher Disziplinen ein Programm zur Qualifikation für Führungsaufgaben in der Wirtschaft durchlaufen. Darüber hinaus nutzt das BMBF seit 2017 zielgerichtet das Innovationspotenzial der bis dahin in der Forschungsförderung nicht berücksichtigten freien Programmiererinnen und Programmierer mit dem Software-Sprint (siehe Infobox Software-Sprint).

Software-Sprint

Im IT-Bereich gibt es in Deutschland neben der großen Zahl an KMU eine wachsende Community an freien Programmiererinnen und Programmierern. Vor dem Hintergrund neuer digitaler Technologien und datengetriebener Anwendungen soll deren immenses Innovationspotenzial mit dem Software-Sprint zielgerichtet genutzt werden. Die Fördermaßnahme richtet sich an kreative Vordenker zur Entwicklung technologieorientierter Innovationen in Form von Software-Prototypen. Die Ergebnisse werden als Open-Source-Lösungen zur Verfügung gestellt. Sie sollen weitere Innovationen vorbereiten. Gleichzeitig wird damit das Potenzial einer Zielgruppe genutzt, die vom bisherigen Fördersystem nicht erreicht wurde.

Beim Software-Sprint werden alle sechs Monate schnell umsetzbare Projekte zur Förderung ausgewählt. Es geht um kleine iterative Innovationszyklen und eine Kultur des Ausprobierens. Der Bewerbungsprozess wurde beschleunigt und der bürokratische Aufwand bei der Beantragung, Durchführung und Abrechnung der Projekte deutlich verringert. Die Vorhaben werden im Rahmen einer vom BMBF geförderten Begleitforschung durch ein Coaching der Open Knowledge Foundation Deutschland e. V. ergänzt.

Der Fokus der Förderung liegt auf kreativen Ideen der freien Programmiererinnen und Programmierer in Bezug auf gesellschaftlich relevante Lösungen in der datengetriebenen Welt, etwa innovativen Modellen und Werkzeugen zur Erzeugung, zum Teilen und zur Nutzung von Daten. Damit sollen die beteiligten Akteure im souveränen Umgang mit Daten und Informationen unterstützt und eine stärkere Beteiligung der Öffentlichkeit an gesellschaftlichen Entwicklungen ermöglicht werden.

Industrie 4.0: Hohe Qualität und Spezialisierung von Produkten zeichnen die industrielle Produktion in Deutschland aus. Um diesen Wettbewerbsvorteil zu erhalten und auszubauen, fördert die Bundesregierung die Forschung zum Thema Industrie 4.0. In dieser Form der Industrieproduktion sollen alle Elemente einer Produktionskette sowie die damit verbundenen Dienstleistungen und Logistikprozesse zukünftig unter Beachtung der notwendigen IT-Sicherheitsanforderungen digital vernetzt und intelligent gesteuert werden.

Industrie 4.0 ist eines von zehn Zukunftsprojekten der Hightech-Strategie der Bundesregierung, das u. a. durch die von BMBF, BMWi, Wirtschaft, Gewerkschaften und Wissenschaften beim Nationalen IT-Gipfel initiierte Plattform Industrie 4.0 umgesetzt wird. Zur Realisierung von Industrie 4.0 veröffentlichte das BMBF seit 2012 neun Förderbekanntmachungen und initiierte daneben weitere große Verbundprojekte.

Im Rahmenprogramm Innovationen für die Produktion, Dienstleistung und Arbeit von morgen wird das Thema Industrie 4.0 auf einer breiten Basis erforscht (siehe auch III 1.3 Arbeit, Produktion und Dienstleistung). Weiterhin gehören die Testumgebungen zur Erprobung von Industrie 4.0 zu den Maßnahmen, mit denen insbesondere der Mittelstand an das Thema Industrie 4.0 herangeführt werden soll.

Plattform Lernende Systeme – Die Plattform für Künstliche Intelligenz: Lernende Systeme erkennen selbstständig Muster und Gesetzmäßigkeiten in Datensätzen und generieren so Wissen aus Erfahrung. Es zeichnen sich immense Potenziale lernender Systeme ab. Sie kommen bereits heute in ersten alltäglichen Anwendungen zum Einsatz wie etwa in der Medizin, in Fahrassistenzsystemen oder in der industriellen Produktion. Während der Nutzen lernender Systeme aus technischer Sicht klar erkannt wird, existiert noch eine Vielzahl juristischer, ethischer und gesellschaftlicher Fragen. Die Plattform Lernende Systeme bringt 150 führende Expertinnen und Experten aus Wissenschaft, Wirtschaft, Politik und Gesellschaft zusammen. Im Rahmen der Plattform werden die Chancen, Herausforderungen und Rahmenbedingungen für den Einsatz lernender Systeme erörtert. Aus den Ergebnissen werden Handlungsempfehlungen für die verantwortungsvolle Nutzung lernender Systeme erarbeitet.

Beim maschinellen Lernen, einem Teilgebiet der künstlichen Intelligenz, wertet ein Computersystem große Datenmengen (Big Data) aus, indem es Muster und Merkmale extrahiert. Dieser Bereich wird durch spezifische Qualifizierungsmaßnahmen und Kompetenzzentren unterstützt.

  • Qualifizierungsmaßnahmen: Das BMBF unterstützt mit einer Fördermaßnahme in 30 Vorhaben die Verknüpfung von Forschung mit Aus- und Weiterbildung im Bereich des maschinellen Lernens (ML). Ziel ist es, durch die Entwicklung von Algorithmen für konkrete Forschungsthemen die Kompetenzen von Hochschulabsolventinnen und -absolventen in der Wirtschaft zu verbessern. Damit soll die Verfügbarkeit von Fachkräften und wissenschaftlichem Nachwuchs erhöht und der Umgang mit den komplexen Methoden deutlich verbessert werden.
  • Kompetenzzentren und Future Innovation Lab: Auf Basis einer Bekanntmachung werden maximal zwei Kompetenzzentren für die praxisrelevante Anwendung von ML-Verfahren gefördert. Die Kompetenzzentren mit einer herausragenden ML-Exzellenz sollen langfristige Strategien entwickeln sowie die praxisnahe Einbindung in die verschiedenen Wissenschaftsdisziplinen fördern. Das Future Innovation Lab soll in einem neuartigen organisatorischen Rahmen innovative Ideen umsetzen sowie Nachwuchsforscherinnen und -forschern einen Raum für kollaborative Projekte in flachen Hierarchien bieten.
  • Forschungsvorhaben: Von 2018 an werden Forschungsvorhaben für die praxisrelevante Anwendung von Verfahren des ML vom BMBF gefördert. Damit soll die breite Anwendbarkeit deutlich gesteigert und neue disruptive Anwendungen und Technologien ermöglicht werden.

Big Data: Die Menge der in Wissenschaft und Wirtschaft produzierten Daten wächst exponentiell. Big Data hat – nicht zuletzt aufgrund der großen, heterogenen Datenmengen – eine Breitenwirkung, die über die reine IKT-Wirtschaft weit hinausgeht. Die gesamte Gesellschaft kann von dieser Entwicklung profitieren, gleichzeitig müssen hohe Anforderungen an den verantwortungsvollen Umgang mit Big Data gestellt werden.

  • Forschungsvorhaben: Im Ergebnis der Bekanntmachung Management und Analyse großer Datenmengen fördert das BMBF zehn Forschungsvorhaben für einen branchenübergreifenden Einsatz von Big-Data-Technologien zur Generierung wissenschaftlicher Fortschritte und Innovationen in dem interdisziplinären Forschungsbereich Data Science aus verschiedenen Anwendungsbereichen wie der Produktion, den Lebens- und Geowissenschaften.
  • Das BMBF fördert zudem im Förderkonzept Medizininformatik den Aufbau von Datenintegrationszentren und die Entwicklung von innovativen IT-Lösungen, um die großen Mengen medizinisch relevanter Daten zum Wohle von Patientinnen und Patienten zu nutzen (siehe auch III 1.4 Gesundheit und Ernährung).
  • Kompetenzzentren: Das BMBF fördert zwei Kompetenzzentren mit herausragender Expertise im Umgang mit großen Datenmengen. Das Berlin Big Data Center entwickelt automatisch skalierbare Technologien, die riesige Datenmengen organisieren und daraus fundierte Entscheidungen ableiten. Das Competence Center for Scalable Data Services and Solutions in Dresden und Leipzig entwickelt ein umfassendes Konzept für Big-Data-Services und anwendungsbezogene Lösungen. Neben den Kompetenzzentren stellt das Smart Data Innovation Lab in Karlsruhe zu Forschungszwecken eine umfangreiche Wissensbasis im Bereich Smart Data und Daten aus Industrieunternehmen zu Forschungszwecken bereit.
  • Begleitforschung: Das ständig wachsende Volumen verfügbarer Daten wirft Fragen von hoher gesellschaftlicher Relevanz auf, etwa zum Schutz der Privatsphäre, zur Intransparenz, zum Schutz vor Datenmanipulationen oder bei automatisierten Entscheidungen. Das BMBF evaluiert dazu bis 2019 die gesamtgesellschaftlichen und wirtschaftlichen Potenziale und Herausforderungen von Big Data mithilfe des interdisziplinären Begleitforschungsprojekts ABIDA (Assessing Big Data). Ziel ist, einen gesellschaftlichen Diskurs über einen verantwortungsvollen Umgang mit Big Data zu ermöglichen und Handlungsoptionen für Politik, Forschung und Entwicklung zu erarbeiten.
  • Im Förderprogramm Smart Data des BMWi werden neue Technologien für die rechtskonforme und sichere Verwertung von Big Data in Wirtschaft und Gesellschaft entwickelt und erprobt. Um das Forschungsprogramm national und international zu vernetzen und den Wissens- und Ergebnistransfer zu beschleunigen, wurde im Jahr 2016 das Smart Data Forum gegründet. Das Forum bündelt die Big-Data-Aktivitäten in Deutschland und bringt dabei alle wichtigen Stakeholder aus Wirtschaft, Wissenschaft, Politik und Gesellschaft im Dreieck Forschung, Innovation und Ausbildung zusammen.

Institut für Datenwissen- schaften am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt

Das BMWi stellt zusätzliche Mittel in Höhe von rund 7 Mio. Euro jährlich für den Aufbau eines Instituts für Datenwissenschaften am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit dem Standort Jena bereit. Schwerpunkt der Arbeiten des neuen Instituts sind die Bereiche Datenmanagement sowie Analyse und Verarbeitung von großen und heterogenen Datenmengen. Weitere Forschungsarbeiten beziehen sich auf die Themen IT-Sicherheit, smarte Systeme (Industrie 4.0) sowie Citizen Science. Auch der Aufbau von drei weiteren, im Bereich der Digitalisierung tätigen DLR-Instituten in Hamburg, Dresden und Augsburg erweitert die für Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft wichtige deutsche Forschungskompetenz im Umgang mit exponentiell anwachsenden Datenmengen im Bereich der Luftfahrt.

Das Höchstleistungsrechnen (High Performance Computing, HPC) hat die Art des Forschens und die Entwicklung von marktfähigen Innovationen revolutioniert und sich längst als unverzichtbare Schlüsseltechnologie etabliert. HPC ist mitentscheidend für den Erfolg unserer Wissenschaftslandschaft und unserer Industrie. Die drei leistungsfähigsten Supercomputer Deutschlands sind unter dem Dach des 2007 gegründeten Gauss Centre for Supercomputing (GCS) vereint. Ihm gehören das Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS), das Leibniz Rechenzentrum der Bayerischen Akademie der Wissenschaften in Garching bei München (LRZ) und das Jülich Supercomputing Centre (JSC) mit ihren Supercomputern an (siehe auch Organisationenband). Grundlage für diese Allianz ist eine Initiative des BMBF mit den Wissenschaftsministerien von Baden-Württemberg, Bayern und Nordrhein-Westfalen. Der Bund und die drei Länder finanzieren jeweils zur Hälfte den schrittweisen Ausbau der deutschen Höchstleistungsrechenkapazität in diesem Verbund bis 2019 im Rahmen verfügbarer Haushaltsmittel mit insgesamt bis zu 400 Mio. Euro.

  • GCS ist der deutsche Partner im europäischen Verbund PRACE (Partnership for Advanced Computing in Europe). Damit nimmt Deutschland auch im europäischen und internationalen Maßstab eine Spitzenstellung ein, vor allem auf dem Gebiet der HPC-Simulationen und der softwaretechnischen, effektiven Nutzung großer HPC-Systeme.
  • Seit 2016 werden entsprechend der fünften HPC-Bekanntmachung des BMBF zehn Projekte gefördert, in deren Fokus die grundlagenorientierte HPC-Forschung zur Entwicklung innovativer und hardwareunabhängiger Programmiertechniken und von HPC-Methoden/-Werkzeugen für eine vereinfachte und effiziente Nutzung heterogener HPC-Systeme steht.

Forschungsdatenmanagement

Um die enorme Quantität an Daten in ihrem gesamten Lebenszyklus von der Erhebung über die Aufbereitung und Sicherung bis hin zur Nachnutzung für die Wissenschaft nutzbar zu machen, bedarf es an Hochschulen und außeruniversitären Forschungseinrichtungen eines sinnvollen Forschungsdatenmanagements. Vielerorts fehlen aber Erkenntnisse, wie einzelne Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beim systematischen Umgang mit Forschungsdaten im gesamten Lebenszyklus unterstützt werden können. Um diese Lücke zu schließen, hat das BMBF eine Förderrichtlinie erlassen, um zu erfassen, welche Modelle zum systematischen Forschungsdatenmanagement an Hochschulen und außeruniversitären Forschungseinrichtungen vorliegen und wie weit die Institutionen in der Entwicklung derartiger Strategien sind. Erforscht wird, welche Modelle und Managementoptionen möglich und welche fachlichen Ressourcen und sonstigen Mittel dafür notwendig sind, damit drängende Herausforderungen von strategischer Relevanz für das Forschungsdatenmanagement gezielt bewältigt werden können. Die Erkenntnisse dieser Forschung sollen u. a. auch eine Grundlage sein für eine Nationale Forschungsdateninfrastruktur (NFDI). Mit der NFDI soll es gelingen, die heute oft dezentral, projektförmig und temporär gelagerten Datenbestände von Wissenschaft und Forschung für das deutsche Wissenschaftssystem systematisch zu erschließen. Zudem soll die NFDI Standards im Datenmanagement setzen und als digitaler, regional verteilter und vernetzter Wissensspeicher Forschungsdaten nachhaltig sichern und nutzbar machen.

Kommunikationssysteme

Kommunikationssysteme und Netzwerktechnologien sind das Nervensystem der Digitalisierung und die Grundlage für Mobilität, Datenaustausch sowie Kapital-, Waren- und Dienstleistungstransfer. Aktueller Gegenstand von Forschung und Entwicklung ist die Erforschung von Technologien und Schnittstellen für die Nutzung des künftigen Mobilfunkstandards 5G. Dieser ermöglicht eine Kommunikation in Echtzeit und erfüllt gleichzeitig ganz neue Anforderungen an Datenrate, Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Sicherheit – wichtige Voraussetzungen für das Internet der Dinge und das Internet der Dienste.

Ziel der Forschungsförderung des BMBF im Bereich Kommunikationssysteme ist es, die Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands in den Kommunikationstechnologien, besonders in Anwendungsfeldern wie Industrie 4.0, Mobilität und Medizin, weiter zu stärken. Das Erforschen neuer leistungsfähiger, sicherer und energieeffizienter Kommunikationssysteme soll dazu beitragen, die weltweite Spitzenposition der deutschen Wissenschaft und Wirtschaft, auch im Bereich KMU und Mittelstand, zu halten und auszubauen. So lassen sich z. B. in Industrieanlagen komplex vernetzte Regelungssysteme durch echtzeitfähige Kommunikation wesentlich flexibler gestalten. Dadurch wird es leichter, Produkte zu individualisieren und die Ausfallsicherheit der Produktion zu erhöhen.

Das BMBF hat in der Forschungsinitiative Industrielle Kommunikation der Zukunft drei Schwerpunkte gesetzt, für die es im Rahmen verfügbarer Haushaltsmittel bis Anfang 2020 insgesamt bis zu 80 Mio. Euro an Fördermitteln bereitstellt:

  • Zuverlässige drahtlose Kommunikation in der Industrie – Es werden acht Verbundprojekte gefördert, in denen echtzeitfähige und hochverfügbare drahtlose Kommunikationslösungen insbesondere für die Industrie 4.0 erforscht werden. Darüber hinaus adressiert ein Begleitforschungsprojekt wichtige Querschnittsthemen wie die Sicherheit, die Standardisierung und den Transfer der Projektergebnisse.
  • 5G: Industrielles Internet – Kernthemen der acht Forschungsprojekte sind intelligentes Netzmanagement sowie die Virtualisierung von Netzkomponenten, um anwenderfreundliche und flexible Kommunikationslösungen vor allem auch für kleine und mittlere Unternehmen zu ermöglichen.
  • 5G: Taktiles Internet – In drei Verbundprojekten werden konvergente, sichere Netzwerkkonzepte auf Basis der neuen 5G-Technologien für Anwendungen und Geschäftsmodelle in Industrie 4.0 und Mobilität entwickelt.
  • IC4F, LIPS: Mit den Förderprojekten IC4F (Industrial Communication for Factories) und LIPS (Live Interactive PMSE) aus den Förderprogrammen PAiCE und Smart Service Welt II fördert das BMWi die Entwicklung von sicheren, robusten und echtzeitfähigen Kommunikationslösungen für die verarbeitende Industrie und für die Vernetzung von überregionalen Veranstaltungen im Kreativ-, Kultur- und Politikbetrieb.

Um auch die grenzüberschreitende Zusammenarbeit bei der Entwicklung einer leistungsfähigen und sicheren Kommunikation auszubauen und entsprechende Synergien zu erschließen, fördert das BMBF die Entwicklung entsprechender Technologien und Konzepte auch auf europäischer Ebene. Ein Beispiel ist das mit
20 Mio. Euro durch das BMBF geförderte Verbundprojekt SENDATE (Secure Networking for a Data Center Cloud in Europe), in dem 81 Partner aus Frankreich, Schweden, Finnland und Deutschland gemeinsam daran arbeiten, dass künftig viele kleine Datenzentren zu flexiblen, leistungsstarken Ensembles vernetzt werden können, um den Zugriff auf kommunikations- und cloudbasierte Dienste zu beschleunigen.

Sichere Hardwareplattformen, auf Fehler und Sicherheit getestete Softwarebibliotheken und Anwendungen, die gegen Angriffe und Manipulation resistent sind, werden ebenfalls erforscht (siehe auch III 1.6 Sicherheit).

Elektronik und Elektroniksysteme

Elektronische Systeme gehören zu den wichtigsten Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Die Elektronik hat alle Lebens- und Wirtschaftsbereiche unserer Gesellschaft erobert. Elektronische Bauteile in Computern und in Mobiltelefonen, in der Industrie-, Haushalts-, Unterhaltungs- und Automobiltechnik erleichtern den Alltag und sind unverzichtbar für Innovationen in allen modernen Technologiebereichen. Auch in Zukunft werden Elektroniksysteme einen wichtigen Beitrag leisten, insbesondere zur Steigerung der Energieeffizienz, in der Elektromobilität und in der Digitalisierung weiter Bereiche von Gesellschaft und Industrie. Trotz des starken internationalen Wettbewerbs ist die deutsche Elektronikindustrie strategisch gut positioniert und setzt sowohl auf grundlagen- als auch anwendungsbezogene Forschung und Entwicklung.

Seit Anfang 2016 fördert die Bundesregierung die Mikroelektronik im neuen Rahmenprogramm für Forschung und Innovation Mikroelektronik aus Deutschland – Innovationstreiber der Digitalisierung. Bis 2020 ist im Rahmen verfügbarer Haushaltsmittel vorgesehen, bis zu 400 Mio. Euro für Innovationen in der Mikroelektronikindustrie und ihren Anwenderbranchen bereitzustellen.

Im Fokus der Förderung stehen u. a. neue Anwendungen der energieeffizienten Leistungselektronik. Geforscht wird zu innovativen Materialien, Bauelementen, Schaltungen sowie neuen Aufbau-, Verbindungs- und Prozesstechniken. Mit moderner Leistungselektronik lassen sich die Verluste, die bei der Umformung und der Verteilung elektrischer Energie entstehen, auf ein Minimum reduzieren.

Folgende Förderschwerpunkte wurden im Berichtszeitraum gesetzt:

  • Elektronik für autonomes elektrisches Fahren (Elektronom) zur Entwicklung elektronikgetriebener Technologien, mit denen elektrisch angetriebene, voll automatisierte und autonome Fahrzeugfunktionen realisiert werden können (siehe auch III 1.5 Mobilität).
  • Neue Elektroniksysteme für intelligente Medizintechnik (Smart Health) zur Stärkung der Innovationsdynamik der deutschen Industrie im Bereich der Mikroelektronik für medizintechnische Anwendungen.
  • Disruptive Fahrzeugkonzepte für die autonome elektrische Mobilität (Auto-Dis) zur Entwicklung modellhafter Technologieträger für ein neuartiges Konzept für fahrerlose Fahrzeuge.
  • KMU-innovativ: Elektronik; Autonomes elektrisches Fahren zur Gewährleistung der Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands in den Elektronikanwenderbereichen unter Beteiligung kleiner und mittlerer Unternehmen.
  • Technologien zur Systemintegration für zukünftige Elektroniksysteme (TechSys) zur Realisierung zukunftsorientierter elektronischer Systeme für anspruchsvolle Einsatzszenarien.
  • Elektronik- und Sensorsysteme für neuartige Robotikanwendungen (SensoRob).

Die Bundesregierung unterstützt die regionale Vernetzung und enge Zusammenarbeit von Wissenschaft und Industrie zur Sicherung der schnellen wirtschaftlichen Nutzung von Innovationen in der Mikroelektronik. Zugleich schafft sie die Grundlagen für neue Mikroelektroniktechnologien in Industrie und Anwendung von morgen und übermorgen:

  • In einem neuen Investitionsprogramm für die Mikroelektronikforschung ist vorgesehen, im Rahmen verfügbarer Haushaltsmittel bis zu 400 Mio. Euro zur Verfügung zu stellen. Kern des im April 2017 gestarteten Programms ist die Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland. In ihr ist geplant, mit Investitionen bis zu 350 Mio. Euro landesweit die Forschungskapazitäten von 13 außeruniversitären Forschungseinrichtungen zu vernetzen, zu bündeln und zu erweitern, um eine neue Qualität der Elektronikforschung am Standort Deutschland zu schaffen und Forschungsdienstleistungen entlang der Innovationskette aus einer Hand anzubieten. Die Etablierung einer zentralen Koordinierungsstelle ermöglicht den Partnern aus Forschung und Industrie den Zugang zum gesamten, signifikant erweiterten Technologieangebot der 13 Institute als One-Stop-Shop. Mit weiteren bis zu 50 Mio. Euro sollen Investitionen in wirtschaftsnahe Labore an Hochschulen finanziert werden.
  • Mit der European Strategy for Micro- and Nanoelec-tronic Components and Systems aus dem Jahr 2013 hat die Europäische Kommission einen Vorschlag zur zukünftigen Gestaltung der Förderung von Forschung und Innovation auf europäischer Ebene vorgelegt. Die Bundesregierung übernimmt eine aktive Rolle bei der Ausgestaltung und Umsetzung der europäischen Förderstrategie.
  • Der Bund und das Land Sachsen stärken die deutsche Beteiligung an dem europäischen Forschungsprogramm ECSEL (Electronic Components and Systems for European Leadership) und stellen dafür gemeinsam im Rahmen verfügbarer Haushaltsmittel bis zu 400 Mio. Euro bereit. Ziel des bis 2024 laufenden Programms ist es, den Weltmarktanteil der europäischen Mikroelektronik erheblich zu steigern.
  • Mit dem EUREKA-Cluster Pan European partnership in micro and Nano-Technologies and Applications (PENTA) ermöglichen die beteiligten europäischen Länder und der europäische Industrieverband bis 2020 transnationale Forschungsprojekte zur Mikroelektronik. Die Fördersumme beläuft sich auf mindestens 500 Mio. Euro, an denen sich der Bund im Rahmen verfügbarer Haushaltsmittel mit insgesamt 50 Mio. Euro beteiligen will.
  • Aufbauend auf der EU-Strategie von 2013 und den Ergebnissen der nationalen und europäischen Initiativen fördert das BMWi in einem „wichtigen Vorhaben von gemeinsamem europäischen Interesse“ (Important Project of Common European Interest, IPCEI) mit 1 Mrd. Euro Investitionen in Mikroelektronikinnovationen. Damit unterstützt es die erfolgreiche Umsetzung von Forschung in Innovation und die industrielle Wertschöpfung in Deutschland und Europa.

Mensch-Technik-Interaktion

Interaktive Technologien forcieren einen grundlegenden Wandel im Umgang und in der Interaktion mit Technologie. Basierend auf Schlüsseltechnologien wie den Informations- und Kommunikationstechnologien und der Elektronik optimieren sie das Zusammenspiel von Mensch und Technik. Auf diese Weise entstehen innovative Lösungen, die Menschen in immer mehr Lebensbereichen unterstützen – von der mitdenkenden Wohnung über die intelligente Mobilität und die Gesunderhaltung bis hin zur assistierten Pflege. Moderne Technologien optimal den Bedürfnissen des Menschen anzupassen ist eine große Herausforderung für die Gesellschaft. Das BMBF fördert die Entwicklung interaktiver Technologien im Förderschwerpunkt Mensch-Technik-Interaktion (MTI). Folgende Fördermaßnahmen wurden aufgelegt:

  • Die Maßnahme Autonome Roboter für Assistenzfunktionen: Interaktive Grundfertigkeiten adressiert seit 2016 in Verbundvorhaben mit industrieller Beteiligung die Interaktion zwischen Mensch und Roboter. Die Ergebnisse sollen zu einer verbesserten Wahrnehmung, Navigation, Manipulation sowie Gebrauchstauglichkeit und Akzeptanz von Robotersystemen durch die Nutzenden führen. Diese Maßnahme bildet den ersten Förderschwerpunkt der aus drei Teilen bestehenden Initiative Roboter für Assistenzfunktionen. Aufbauend auf den interaktiven Grundfertigkeiten unterstützt Teil zwei – Interaktionsstrategien – seit 2017 Vorhaben mit dem Ziel, flexible und leistungsfähige Lösungen für eine optimale Interaktion von Mensch und Roboter zu entwickeln. Die Vorhaben setzen sich mit dem Erwerb und der Anpassung neuer Fertigkeiten und Kenntnisse, der Adaption an sich verändernde Situationen oder der robusten Interaktion in Mensch-Maschine-Gruppen auseinander.
  • Mit der Eröffnung des Robotik und Mechatronik Zentrums (RMC) erhält das vom BMWi geförderte DLR eines der weltweit größten und bedeutendsten Forschungszentren für angewandte Automation und Robotik. Das RMC entwickelt z. B. hochsensible Robotik für die Mensch-Maschine-Interaktion in der Industrie, in der Medizin und für das automatisierte Fahren. Die DLR-Ausgründung FRANKA-EMIKA erhielt für seinen intuitiv bedienbaren Roboterassistenten 2017 den Zukunftspreis des Bundespräsidenten.
  • Im Cluster Zukunft der Pflege: Mensch-Technik-Interaktion für die Praxis wird seit 2016 die Mensch-Technik-Interaktion in der gesamten Wertschöpfungskette im Bereich der Pflege adressiert. Im Juni 2017 wurde ein Pflegeinnovationszentrum etabliert, in dem neue bedarfsgerechte Pflege- und Assistenztechnologien systematisch untersucht, getestet und weiterentwickelt werden. Im Januar 2018 starteten dann vier Pflegepraxiszentren, die gemeinsam mit Partnern aus der Industrie sowie weiteren Einrichtungen der Gesundheits- und Pflegebranche innovative Pflegetechnologien erlebbar machen werden.
  • Seit 2017 fördert das BMBF im Förderschwerpunkt Individuelle und adaptive Technologien für eine vernetzte Mobilität Innovationen der Mensch-Technik-Interaktion, die auf die konkreten Anforderungen einer urbanen Mobilität der Zukunft ausgerichtet sind. Die hier geförderten Mobilitätslösungen müssen sich adaptiv an ihre Nutzerinnen und Nutzer anpassen und durch innovative Schnittstellen mit weiteren Verkehrsangeboten vernetzen lassen.
  • Das BMBF fördert seit 2016 mit der Maßnahme Interaktive körpernahe Medizintechnik Systeme, die unmittelbar oder nah am Körper getragen werden und mit denen Nutzer direkt interagieren können.
  • Die Maßnahme Digitale Plattformen: Interaktive Assistenzsysteme für den Menschen fördert Lösungen zur Erforschung, Entwicklung und Umsetzung von digitalen Plattformen, die sich am Themenfeld „Gesundes Leben“ des MTI-Forschungsprogramms Technik zum Menschen bringen orientieren oder sich dem häuslichen Alltag und Umfeld zuordnen lassen. Geförderte Projekte sollen im Jahr 2018 starten.
  • Ziel der Maßnahme Interaktive Systeme in virtuellen und realen Räumen – Innovative Technologien für ein gesundes Leben ist die Förderung von neuartigen, auf virtueller oder erweiterter Realität (VR oder AR) basierenden Kommunikationssystemen im Bereich ,,Gesundes Leben“, die einen Schwerpunkt auf die Entwicklung einer verbesserten Immersion oder Multi-User-Anwendungen legen. Geförderte Projekte sollen im Jahr 2018 starten.

Seit Dezember 2015 läuft das Forschungsprogramm zur Mensch-Technik-Interaktion Technik zum Menschen bringen. Im Zeitraum 2016 bis 2020 werden mit diesem Forschungsprogramm die bisherigen Fördermaßnahmen des BMBF im Bereich der MTI weiterentwickelt und intensiviert. Die Themenfelder des Forschungsprogramms orientieren sich an den gesellschaftlichen Herausforderungen, die die Bundesregierung in ihrer Hightech-Strategie als prioritäre Zukunftsaufgaben identifiziert hat. Im Zentrum stehen die Themen intelligente Mobilität, digitale Gesellschaft und gesundes Leben.

Kennzeichnend für die Fördermaßnahmen des BMBF zur Mensch-Technik-Interaktion ist ein integrierter Forschungsansatz. Neben den technischen Aspekten betrachtet das Forschungsprogramm auch die nicht-technischen Dimensionen, die mit einer verantwortungsvollen Forschung und Entwicklung verbunden sind. Dazu zählt die Auseinandersetzung mit den ethischen, rechtlichen und sozialen Fragen der MTI ebenso wie die Integration der Nutzerinnen und Nutzer sowie die internationale Perspektive. Diese Aspekte werden im Forschungsprogramm systematisch zusammengeführt; Wechselwirkungen werden deutlich gemacht.

Ein wesentliches Ziel des Forschungsprogramms ist eine signifikante Beteiligung von KMU, um das vorhandene Innovationspotenzial des deutschen Mittelstands zu erhalten, zu nutzen und auszubauen. KMU werden daher in den Fördermaßnahmen zur MTI besonders berücksichtigt. Mit der Förderlinie KMU-innovativ: Mensch-Technik-Interaktion ist 2017 ein eigener Technologie- und Anwendungsschwerpunkt zur MTI eingerichtet worden.

Weitere digitale Anwendungen

Digitale Inhalte und Dienste gewinnen in nahezu allen Wirtschaftsbereichen an Bedeutung. Aus der fortschreitenden Entwicklung und Konvergenz von bislang getrennten Technologien und Systemen ergeben sich neue Möglichkeiten für innovative netzbasierte Produkte, Dienste und Anwendungen. Auch bietet die zunehmende Digitalisierung die Chance, neue Nutzerkreise bzw. Kundinnen und Kunden zu gewinnen.

Das BMWi greift im Aufgabenbereich Entwicklung digitaler Technologien die Entwicklungstrends Internet der Dinge und Internet der Dienste auf. Adressiert werden Forschungs- und Entwicklungsprojekte, die digitale Zukunftsthemen frühzeitig aufnehmen und den Transfer von wissenschaftlichen Ergebnissen hin zu marktorientierten Spitzentechnologien mit hohem Anwendungspotenzial beschleunigen. Die Ergebnisse sollen zu neuen marktfähigen Produkten, Lösungen und Geschäftsmodellen führen – insbesondere für die mittelständische Wirtschaft.

2017 startete das Förderprogramm Smart Service Welt II – neue Anwendungsbereiche für digitale Dienste und Plattformen. Es ist mit 50 Mio. Euro ausgestattet und fördert 14 Projekte, die Lösungen für digitale Dienste und Plattformen mit den Schwerpunkten Beschäftigung, Mobilität, Wohnen und Leben, Grundversorgung sowie Energie und Medizin entwickeln. Das Programm unterstützt Unternehmen dabei, kreative Ideen und neue wissenschaftliche Erkenntnisse umzusetzen, beispielsweise mit Blick auf Digitalisierung in ländlichen und kleinstädtischen Kommunen.

Im Berichtszeitraum wurden weitere thematische Förderschwerpunkte gesetzt:

  • Digitale Technologien für die Wirtschaft (PAiCE): 17 Projekte zu durchgängigem Engineering, industriellen 3D-Anwendungen, Service-Robotik und echtzeitfähiger Kommunikation. Ziel ist es, innovative digitale Technologien besser und schneller in die Anwendung zu überführen.
  • Smart Data: Förderung von 16 Projekten zur Weiterentwicklung und Erprobung von Big-Data-Technologien für ausgewählte Anwendungsbereiche aus der Wirtschaft.
  • Smart Home: Förderung von vier Vorhaben zur Entwicklung integrierter Systeme der Haus- und Gebäudetechnik und neuer innovativer Dienste.
  • Smart Service Welt: Förderung von 20 Projekten zur Verknüpfung digitaler Anwendungsbereiche durch eine zielgerichtete, sichere Kombination von Cyber-physischen Systemen, Datenmanagementtechnologien und offenen Diensteplattformen.
  • IKT für Elektromobilität: Förderung von 21 Verbundprojekten in den Themenbereichen Logistik- und Mobilitäts- sowie Energieinfrastrukturen (siehe auch III 1.5 Mobilität sowie III 1.2 Nachhaltigkeit, Klima und Energie).

Ergänzend werden durch strategische Technologieprojekte punktuell neue und herausragende Technologien und Lösungen vorangetrieben, von denen sich das BMWi langfristige und strategische Wirkungen im IKT-Sektor verspricht. Ein Beispiel ist das Projekt SmartStage, das ein Gesamtkonzept zur wirtschaftlichen Integration, Nutzung und Wertschöpfung von Informationstechnologien in Textilien entwickelt.

Digitaler Wandel in der Bildung

Die Bundesregierung adressiert in der Digitalen Agenda die Stärkung der digitalen Medienkompetenz in vielfältigen Facetten. Bildungsangebote mit digitalen Medien stellen den lernenden Menschen in den Mittelpunkt und schaffen Voraussetzungen, dass Lernende und Lehrende mit schnell wechselnden Inhalten und sich wandelnden Wertschöpfungsprozessen Schritt halten können. Digitale Medien bieten somit hohe Flexibilität für eine schnellere Anpassung an neue Entwicklungen und einen veränderten Bedarf. Sie ermöglichen neue methodische Zugänge zum Lernen und zur Kompetenzentwicklung für spezifische Zielgruppen. Beispielsweise können digitale Medien einen wesentlichen Beitrag zur Inklusion von Menschen mit Behinderung in Schule und Beruf und auch zur digitalen Teilhabe der älteren Generation leisten.

Mit der Bildungsoffensive für die digitale Wissensgesellschaft und den Initiativen und Praxisprojekten der Digital-Gipfel-Plattform Digitalisierung in Bildung und Wissenschaft treibt das BMBF den digitalen Wandel in der Bildung voran. Digitale Bildung wird einer der Schwerpunkte des neuen Rahmenprogramms zur Bildungsforschung sein. Als ein Bestandteil der Bildungsoffensive und zur Umsetzung der Digitalen Agenda der Bundesregierung hat das BMBF im Sommer 2016 die Dachinitiative Berufsbildung 4.0 gestartet, die u. a. die folgenden Maßnahmen systematisiert und bündelt:

  • Das Bundesinstitut für Berufsbildung (BIBB) identifiziert im Dialog mit Unternehmen in der BMBF/BIBB-Forschungsinitiative Fachkräftequalifikation und Kompetenzen für die digitalisierte Arbeit von morgen die sich durch die Digitalisierung verändernden Anforderungen an die Qualifikation der Facharbeiterinnen und Facharbeiter. Auf dieser Grundlage soll ein Früherkennungssystem aufgebaut werden. Zudem wird die Bedeutung digitaler Kompetenzen von Auszubildenden sowie Ausbilderinnen und Ausbildern für die erfolgreiche Bewältigung einer Berufsausbildung untersucht.
  • Mit dem Sonderprogramm zur Förderung von Digitalisierung in überbetrieblichen Berufsbildungsstätten (ÜBS) und Kompetenzzentren ist vorgesehen, im Rahmen verfügbarer Haushaltsmittel – zusätzlich zur regulären Modernisierungsförderung mit 42 Mio. Euro p. a. – 84 Mio. Euro im Zeitraum 2016-2019 für die Anschaffung digitaler Ausstattung sowie ausgewählte Pilotprojekte zur Anpassung von Lehr-/Lernprozessen zur Verfügung zu stellen. Dem BMWi stehen in den Jahren 2016 bis 2018 zusätzlich je 8 Mio. Euro für Digitalisierungsprojekte im Rahmen der Regelförderung zur Verfügung.
  • Das BMBF-Förderprogramm Digitale Medien in der Beruflichen Bildung – mit einem Fördervolumen von etwa 150 Mio. Euro – soll die Nutzung digitaler Medien in der beruflichen Aus- und Weiterbildung fördern und in die Breite tragen. Digitale Medien können einen wichtigen Beitrag zur Modernisierung und damit zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der beruflichen Bildung in Deutschland leisten. Die regelmäßig stattfindende Programmtagung eQualification bietet den geförderten Projekten in zahlreichen Workshops und Diskussionsforen die Möglichkeit des fachlichen Austausches und der Vernetzung.
  • Mit der Bekanntmachung Transfernetzwerke Digitales Lernen in der Beruflichen Bildung (DigiNet) soll der Wissens- und Technologietransfer im Kontext des digitalen Lernens und der Qualifizierung für die digitale Arbeitswelt zwischen Akteuren der beruflichen Bildung befördert und systematisiert werden. Die Förderrichtlinie Inklusion durch digitale Medien in der beruflichen Bildung des BMBF unterstützt den innovativen Einsatz digitaler Medien in der beruflichen Aus- und Weiterbildung von Menschen mit Behinderung. Durch digitale Medien soll eine nachhaltige und gleichberechtigte Integration der Zielgruppe in den ersten Arbeitsmarkt ermöglicht werden. Die Förderbekanntmachung Virtuelle und Erweiterte Realität (VR/AR) in der beruflichen Bildung soll eine breite – pädagogisch sinnvolle – Implementierung von VR- und AR-Technologien in der beruflichen Bildung erreichen.

Digitalisierte Lernangebote ermöglichen durch ihre besondere Anpassungsfähigkeit an individuelle Bedürfnisse der Lernenden grundsätzlich auch einen breiteren Zugang zu beruflicher und wissenschaftlicher Weiterbildung und erhöhen gleichzeitig die Attraktivität von Weiterbildungsangeboten. Insbesondere die Forschungen und Entwicklungen im vom BMBF finanzierten Bund-Länder-Wettbewerb „Aufstieg durch Bildung: offene Hochschulen“ liefern für digitales Lehren und Lernen neue Impulse (siehe auch III 4 Innovationsfreundliche Rahmenbedingungen). Neben Fragen der Gestaltung digitaler Medien, der Verbindung von Online-Lernen mit Präsenzlernen oder „professional Massive Open Online Courses (pMOOCs)“ werden auch Aspekte wie die Nutzung mobiler Endgeräte und sichere Online-Prüfungen bearbeitet.

Digitalisierung ist nicht nur ein ingenieurwissenschaftlich geprägter Prozess, sondern es geht auch um Stil, Design und Visionen. Das BMBF fördert daher seit Herbst 2017 Forschungs- und Verbundvorhaben zur Digitalisierung in der kulturellen Bildung mit insgesamt 10 Mio. Euro. Untersucht werden z. B. Fragestellungen zur medienkulturellen Alltagspraxis sowie die Konzeptualisierung und Konzeption digitaler künstlerisch-kreativer Tools für die Arbeit mit Jugendlichen.

Digitaler Wandel in der öffentlichen Verwaltung

Die Digitalisierung der Gesellschaft über alle Teilsysteme hinweg setzt Verwaltungsorganisation, Verwaltungsverfahren und Verwaltungshandeln einem nachhaltigen Innovations- und Transformationsprozess aus. Er bedingt neue Verwaltungsaufgaben, verlangt dafür grundlegende Verfahrensumgestaltungen und erfordert eine teils umfassende Anpassung des geltenden Rechtsrahmens.

Das Deutsche Forschungsinstitut für öffentliche Verwaltung Speyer (FÖV) fokussiert seine Forschung im Programmbereich „Transformation des Staates in Zeiten der Digitalisierung“ darauf, Staat und Verwaltung auf dem Weg der Digitalisierung wissenschaftlich zu begleiten. Das BMI fördert zudem das Kompetenzzentrum Öffentliche IT (ÖFIT) beim Fraunhofer-Institut FOKUS, das interdisziplinär und anwendungsorientiert an der Erforschung und Entwicklung der öffentlichen IT arbeitet. Ausgehend von der Evaluierung von Trends und Technologieentwicklungen werden für die digitale Staatlichkeit relevante, übergreifende Themen- und Anwendungsfelder identifiziert und analysiert, um gesellschaftspolitisch relevante Dynamiken der Digitalisierung und Handlungsräume für Politik und öffentliche Verwaltung aufzuzeigen. Dafür vereint das ÖFIT technische Fundierung mit einer gesamtgesellschaftlichen Betrachtungsweise aktueller digitalpolitischer Themen und einer prägnanten allgemein verständlichen Darstellungsweise für Entscheider in Politik und Verwaltung.

Modernitätsfonds

Die Mobilität ist eines der größten Innovationsfelder der Digitalisierung. Die digitale Vernetzung von Fahrzeugen und Infrastruktur auf Straße, Schiene, Wasserwegen und im Luftverkehr wird in Verbindung mit Mobilitäts-, Geo- und Wetterdaten den Verkehr revolutionieren. Das BMVI hat daher mit dem Modernitätsfonds (mFUND) ein datenbasiertes Forschungsförderprogramm gestartet, um die Entwicklung digitaler Geschäftsideen für die Mobilität 4.0 zu unterstützen. Bis Ende 2020 stehen hierfür 150 Mio. Euro zur Verfügung, mit denen innovative Anwendungen auf Basis bereits verfügbarer oder neu zu erhebender Daten vorangetrieben werden sollen.

Das BMVI ist das Ressort mit den meisten datenhaltenden Behörden und dem größten Datenvolumen innerhalb der Bundesverwaltung: Die Mobilitäts-, Geo- und Wetterdaten umfassen Informationen zu Verkehrsinfrastruktur, Wetter, Meeresumwelt sowie Satellitendaten aus dem europäischen Copernicus-Programm. Ziel des mFUND ist die Öffnung des Datenbestands des BMVI für alle interessierten Akteure.

Im Kontext des Open-Data-Gesetzes (E-Government-Gesetz) fördert der mFUND FuE-Vorhaben, die auf Basis der Daten des Geschäftsbereichs systematisch neue Nutzungs- und Vernetzungspotenziale aufzeigen und den Datenbestand der Zukunft identifizieren. Thematische Schwerpunkte der Förderung sind Datenzugang, datenbasierte Anwendungen und Daten-Governance.

Damit leistet der mFUND nicht nur einen wesentlichen Beitrag zur Digitalen Agenda der Bundesregierung, sondern auch zur nationalen Umsetzung der Open-Data-Charta der G8 und im Zusammenhang mit der Mitgliedschaft Deutschlands im Netzwerk Open Government Partnership. Als zukunftsweisendes Förderprogramm unterstützt der mFUND das Ziel der Bundesregierung, im Bereich Open Data internationaler Vorreiter zu werden.

Neue Materialien und Werkstoffe

Innovationen aus der Materialforschung tragen zur Lösung unserer Zukunftsaufgaben bei. Neue Werkstoffe helfen, die Material- und Energieeffizienz zu steigern, die Lebensqualität zu verbessern und die Wettbewerbsfähigkeit der Industrie zu erhöhen. Die Anwendungsfelder für neue Materialien und Werkstoffe (inklusive Nanomaterialien) sind vielfältig. Sie reichen von der Energietechnik über die Ressourcenschonung, die Mobilität, Gesundheit und Lebensqualität bis hin zum Bausektor. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ist in diesem Gebiet auf vielfältige Weise in der Forschung aktiv und vernetzt.

Wegen ihrer großen Bedeutung fördert das BMBF die Materialentwicklung mit dem Rahmenprogramm Vom Material zur Innovation bis 2025 mit rund 100 Mio. Euro pro Jahr. Die Förderung richtet sich an Kooperationsprojekte zwischen Unternehmen, Hochschulen und Forschungseinrichtungen, wobei insbesondere KMU stärker in den Innovationsprozess eingebunden sowie wissenschaftliche Nachwuchskräfte qualifiziert werden sollen. Schwerpunkte der Förderung sind beispielsweise der Ausbau von Werkstoffplattformen, die Entwicklung von Prozess- und Produktinnovationen und die Unterstützung anwendungsorientierter Projekte zu Werkstoffinnovationen.

Werkstoffplattformen sind übergreifende Cluster unterschiedlicher Projekte zu einer Werkstofftechnologie oder Materialgruppe. Eine erfolgreiche Werkstoffplattform entwickelt Werkstoffe bis zu einem technologischen Reifegrad, der es erlaubt, verschiedenste anwendungsorientierte Entwicklungen aufzugreifen. Themen für mögliche Werkstoffplattformen sind adaptive und intelligente Materialien, Hybridwerkstoffe, Carbon-Werkstoffe, katalytische Materialien, Magnetmaterialien sowie Biomaterialien.

Hinsichtlich der Prozess- und Fertigungstechnik werden Innovationen in der wirtschaftlichen Herstellung und Verarbeitung – beispielsweise durch Flexibilisierung, Hochautomatisierung und Digitalisierung – durch künftige Förderung mit adressiert. Parallel zu den spezifischen Themen der Materialforschung fördert das BMBF weitere Querschnittsaktivitäten.

Durch transnationale Verbundvorhaben (ERA-NET) fördert das BMBF vielfältige Maßnahmen mit dem Ziel, länderübergreifende Kooperationen europäischer Forschungsgruppen aus Wirtschaft und Wissenschaft zu unterstützen, um die internationale Wettbewerbsfähigkeit Europas als FuE-Standort zu steigern. Folgende thematische Förderschwerpunkte im Bereich neue Materialien und Werkstoffe wurden im Berichtszeitraum gesetzt.

  • ERA-NET M-era.Net II – Materialwissenschaft und Werkstofftechnologien – Materialien für die Additive Fertigung zur Entwicklung neuer Prozess- und Anlagentechnologien für die additive Fertigung innovativer Bauteile und Produkte mittels neuer Materialien.
  • ERA-NET M-era.Net II 2017 – Materialwissenschaft und Werkstofftechnologien – Materialien für Intelligente Textilien (smart textiles) mit den Schwerpunkten innovative Oberflächen, Beschichtungen und Grenzschichten, hochleistungsfähige Komposite und multifunktionelle Materialien.
  • ERA-NET M-era.Net II 2016 – Materialwissenschaft und Werkstofftechnologien – Batteriematerialien mit den Schwerpunkten innovative Oberflächen, Beschichtungen und Grenzschichten, hochleistungsfähige synthetische und biobasierte Komposite und funktionelle Materialien.
  • ERA-NET EuroNanoMed III – Nanomedizin mit den Schwerpunkten gezielter Wirkstofftransport, Diagnostik und Bildgebung und regenerative Medizin.

Nanosicherheitsforschung als Teil der Materialforschung

Als ein Teilbereich der Werkstoffforschung haben nanotechnologische Anwendungen bereits in eine Vielzahl von Produkten und Prozessen Einzug gehalten. Dabei werden gezielt neue funktionelle Eigenschaften ausgenutzt, die Objekte und Materialstrukturen mit Dimensionen im Nanometerbereich aufweisen. Die Erschließung des wirtschaftlichen Potenzials der Nanotechnologie setzt einen verantwortungsvollen Umgang mit ihr voraus. Der Nutzen nanotechnologiebasierter Produkte und potenzielle Risiken und Gefahren von Nanomaterialien für Mensch und Umwelt müssen sorgfältig abgewogen werden. Aus diesem Grund stellt die Nanosicherheitsforschung einen Schwerpunkt in der Förderung durch den Bund dar. Die langfristige, auf Initiative der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA) entwickelte Forschungsstrategie der für die Sicherheit von Mensch und Umwelt zuständigen Bundesoberbehörden begleitet die rasch voranschreitende Entwicklung neuer Materialien unter den Gesichtspunkten des Arbeits-, Verbraucher- und Umweltschutzes. Sie fokussiert auf die Charakterisierung und Bewertung von Materialinnovationen, die Unterstützung von Forschungseinrichtungen und Unternehmen, die Fortentwicklung von Rechtsvorschriften und Praxisempfehlungen und die gesellschaftliche Akzeptanz. Zudem greift sie das Konzept der nachhaltigen Chemie auf, das vom BMU gefördert wird. Die Forschungsstrategie ist Teil des Aktionsplans Nanotechnologie 2020 der Bundesregierung, in dem Aktivitäten zur Nanotechnologie und Nanosicherheitsforschung gebündelt werden und der die Gestaltung innovationsfreundlicher Rahmenbedingungen für deutsche Unternehmen inklusive KMU unterstützt.

Zusätzlich begleiten die für die Sicherheit von Mensch und Umwelt zuständigen Bundesbehörden mit FuE-Aufgaben die rasch voranschreitende Entwicklung neuer Materialien unter den Gesichtspunkten des Arbeits-, Verbraucher- und Umweltschutzes.

Das BMBF fördert nationale Vorhaben mit Bezug zur Nanosicherheitsforschung in der Fördermaßnahme NanoCare 4.0. Auf europäischer Ebene beteiligt es sich an Koordinierungsmaßnahmen wie ERA-Net SIINN und an Aktivitäten des EU-Rahmenprogramms für Forschung und Innovation Horizont 2020.

Batterieforschung

Batterien sind für viele Anwendungen unverzichtbar, der Bedarf an Batterien wächst rasant. Viele Anwendungen, wie beispielsweise die Elektromobilität, die stationäre Stromspeicherung und viele weitere Industrieanwendungen, sind ohne Batterien nicht umsetzbar. Die Batteriezellen sind das Herzstück einer Batterie und bilden damit ein wesentliches Element der Wertschöpfungskette. Die Batteriezellen bestimmen im Wesentlichen die Leistungsdaten, die Sicherheit und die Lebensdauer einer Batterie.

Die zuverlässige Versorgung mit Rohstoffen bzw. Material und die Produktion von Batteriezellen haben einen starken Einfluss auf die vor- und nachgelagerten Bereiche wie die Materialbereitstellung, den Maschinen- und Anlagenbau und im Falle der Elektromobilität die Automobilhersteller. Ein wichtiges Element ist dabei Forschung und Entwicklung, um wettbewerbsfähig bleiben bzw. werden zu können.

Die Anwendungsfälle der Batterie an unterschiedlichsten Stellen im Energiesystem lösen spezifische Forschungsfragen vom Material über Komponenten und Fertigung von Zellen über Bau von Batterie und Managementsystem bis hin zur Integration in Anwendungsfälle aus. Dieser Komplexität trägt die Forschungsförderung dadurch Rechnung, dass Aspekte der Batterieforschung in mehreren Programmen unterstützt werden, die sich dem Thema jeweils aus unterschiedlichen Richtungen nähern.

BMBF (Materialforschungsprogramm) und BMWi (Energieforschungsprogramm) haben den Wiederaufbau der Batterieforschung unterstützt und eine entsprechende Forschungsinfrastruktur etabliert. Thematische Förderschwerpunkte wurden im Berichtszeitraum wie folgt gesetzt:

  • Förderung im Schwerpunkt Energiewirtschaftliche Schlüsselelemente der Elektromobilität des BMWi sowie in der ressortübergreifenden Forschungsinitiative Energiespeicher im 6. Energieforschungsprogramm (siehe auch III 1.2 Nachhaltigkeit, Klima und Energie).
  • Förderung der „Exzellent Battery Zentren“ zur Materialforschung und Elektrochemie zur Unterstützung neuer Materialien und Konzepte für neuartige Batteriesysteme.
  • Förderung des Kompetenzclusters zur Batteriezellproduktion „ProZell“ zur Unterstützung der Umsetzung von neuen Batteriesystemen in den industrietauglichen Maßstab.
  • Mit der Förderinitiative Batterie 2020 unterstützt das BMBF Verbundprojekte zwischen Industrie, Hochschulen und außeruniversitären Forschungseinrichtungen zum Transfer von Forschungsergebnissen in die industrielle Praxis. Forschungsthemen sind z. B. die Material- und Prozesstechnik für Batteriesysteme sowie für sekundäre Hochenergie- und Hochleistungs-Batteriesysteme, zukünftige Batteriesysteme und Recycling.
  • Unterstützung internationaler Kooperationen zur Batterieforschung mit Israel, Taiwan, Japan und im europäischen Forschungsnetzwerk M-Era.Net.

Quantentechnologien, Photonik

Quantentechnologien der zweiten Generation: Die Quantenphysik ist die technologische Grundlage der modernen Informationsgesellschaft. Ohne quanten-physikalisches Verständnis und ohne quantenphysikalische Technologien wären wichtige Erfindungen des letzten Jahrhunderts nicht möglich gewesen. Mit neuen Experimenten und Messverfahren hat die Wissenschaft die Voraussetzungen dafür geschaffen, zuvor nicht ausreichend verstandene Eigenschaften und Phänomene der Quantenphysik aufzuklären und technisch zu nutzen. Auf dieser Basis werden heute neue Quantentechnologien der zweiten Generation denkbar.
Damit werden neue Technologien in der Informationsübertragung (Kryptografie und Kommunikation) und -verarbeitung (Computing), höchst präzise und sensible Mess- (Metrolologie und Sensorik) und Abbildungsverfahren möglich. Auch heutige Grenzen bei der rechnerischen Simulation komplexer Systeme dürften zu überwinden sein.

Diese neuen Technologien und Verfahren haben neben der Forschung zentrale Bedeutung und erhebliche Auswirkungen auf fast alle Wirtschaftsbereiche (u. a. Medizintechnik, Maschinen- und Anlagenbau, Elektrotechnik, Mobilität und Verkehr sowie Sicherheit und Verteidigung) und einen Großteil der Technologiefelder. Die neuen und sich rapide weiterentwickelnden Anwendungsmöglichkeiten der Quantentechnologien (Kryptografie, Computer, Metrologie und Sensoren sowie Simulation) haben das Potenzial, das (geopolitische) Kräfteverhältnis im internationalen Wettbewerb entscheidend zu beeinflussen. Teilweise handelt es sich bei den Quantentechnologien der zweiten Generation noch um theoretische Konzepte oder Laborexperimente, teilweise gibt es bereits Anwendungsfelder (z. B. im Bereich der Metrologie) bzw. stehen Anwendungen unmittelbar bevor (Satellitentechnologie, Laserkommunikation, Quantenkryptografie).

Aktuell fördert die Bundesregierung in diesem Bereich folgende Maßnahmen:

  • Im Rahmen der nationalen Initiative zur Förderung von Quantentechnologien Qutega wurden bisher drei Pilotprojekte bewilligt: Das Projekt „Qube-Sat“ soll verschlüsselte Quantenkommunikation auf kleinen und leichten Cube-Satelliten demonstrieren. Im Projekt „Opticlock“ aus der Quanten-Metrologie wird eine transportable optische Atomuhr entwickelt, um Netzwerke effizienter zu synchronisieren. Das Projekt „BrainQSens“ will mit Quanten-Sensorik die ultrapräzise Messung sehr schwacher Magnetfelder des Gehirns für medizinische Anwendungen ermöglichen.
  • 2017 wurde die Förderbekanntmachung Quantum Futur veröffentlicht. Diese adressiert neue Fragen der Quantentechnologie und verbindet die Förderung von Einzelvorhaben mit dem Aufbau von Nachwuchsgruppen, die das wissenschaftliche Profil der beantragenden Institution exzellent ergänzen. Außerdem werden unter der Marke „Quantum Futur“ Wettbewerbe und Akademien für junge Forscherinnen und Forscher stattfinden.
  • Ebenfalls 2017 hat das BMBF die Förderbekanntmachung Schlüsselkomponenten für Quantentechnologien veröffentlicht. Hier geht es um die Förderung komplexer und risikoreicher Vorhaben des Gerätebaus und der Prozessketten zur Herstellung künftiger Quantentechnologien. Die Maßnahme trägt dazu bei, optimale gerätetechnische Voraussetzungen für künftige Forschungsprojekte als auch vollständige Wertschöpfungsketten des Gerätebaus in Deutschland zu schaffen. Ein weiterer Förderaufruf des BMBF im Bereich der Kommunikationssicherheit betrifft das Thema Quantenkommunikation (siehe auch III 1.6 Sicherheit).
  • In der europäischen Forschungszusammenarbeit gestaltet das BMBF das derzeit diskutierte europäische Großprojekt Quantum Flagship (Flaggschiffprojekt Quantentechnologie) mit.
  • Beim ERA-Net-Projekt QuantERA hat das BMBF bis zu 4 Mio. Euro zur Verfügung gestellt; deutsche Teilnehmerinnen und Teilnehmer bilden insgesamt die größte Gruppe unter den ausgewählten Konsortien.
  • Das vom BMWi geförderte DLR befasst sich mit dem Thema Quantentechnologien im Zusammenhang mit der Erforschung und Entwicklung künftiger Satellitengenerationen für die Erdbeobachtung, Satellitenkommunikation und -navigation.

Quantenmetrologie und -sensorik

Basierend auf ihren langjährigen Erfahrungen bei der Entwicklung von Quantentechnologien, nimmt die Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) in diesem Innovationsprozess eine besondere Rolle ein. Die PTB forscht seit mehr als 50 Jahren intensiv im Bereich der Quantenmetrologie und -sensorik. Sie arbeitet dabei insbesondere mit Herstellerfirmen von Messtechnik zusammen, bei denen es sich überwiegend um hochinnovative KMU handelt. Die PTB entwickelt und betreibt Cäsium- Atomuhren, die weltweit zur Darstellung der Zeit dienen und zu den genauesten Uhren weltweit zählen. Bei der Forschung zur nächsten Generation optischer Uhren (mit einzelnen Ionen oder kalten Ensembles) nimmt die PTB eine Spitzenstellung ein. Die PTB ist an vorderster Front tätig bei der Realisierung der elektrischen Einheiten, seit 1990 im internationalen System der Einheiten, SI definiert über den von- Klitzing- (elektrischer Widerstand) und Josephson-Quanteneffekt (elektrische Spannung), und betreibt Quanten-Magnetfeldsensoren (SQUID: Superconducting Quantum Interference Device), die im internationalen Vergleich zu den genauesten gehören. 2018 wird voraussichtlich das internationale System der Einheiten (SI) revidiert, indem Zahlenwerte von Naturkonstanten festgelegt werden. Die PTB beteiligt sich führend mit an der Etablierung und Umsetzung des revidierten, auch „Quanten-SI“ genannten, weltweit gültigen Einheitensystems.

Photonik: Licht wird nicht nur für die Beleuchtung benutzt, sondern ist heute ein sehr flexibles und wirksames Werkzeug in der Forschung, in der Produktion, der Kommunikation und der Medizin. Die photonische Industrie erforscht und produziert Technologien für die Erzeugung, Steuerung und Messung von Licht. Auf diesem Gebiet sind deutsche Unternehmen und Institute international führend. Ihre Forschungsergebnisse und Produkte beeinflussen u. a. die Produktionstechnik, Bildverarbeitung und Messtechnik, Medizintechnik und Lebenswissenschaften, Beleuchtungstechnik, Energietechnik sowie optische Komponenten und Systeme etwa für die Computer- und Kommunikationstechnik.

Das BMBF-Forschungsprogramm Photonik Forschung Deutschland – Licht mit Zukunft ist in einem offenen Dialog mit der Fachwelt entstanden. Es ist die gemeinsame Strategie von Bundesregierung, Instituten und Unternehmen für die Photonikforschung bis 2021. Das Innovationssystem in der Photonik wird so weiterentwickelt, dass die Chancen der Schlüsseltechnologie optimal genutzt und das Innovationspotenzial der Photonik erschlossen werden kann. In der Photonik erhalten insbesondere Quantentechnologien mit der Überwindung aktueller Begrenzungen heutiger Metrologie- und Strukturierungsverfahren an Bedeutung.
Zu den Anwendungsgebieten gehören Interferometrie, Mikroskopie, Lithografie, Bildgebung, Sensorik und zeitliche Synchronisation. Die Bundesregierung stellt dafür im Rahmen verfügbarer Haushaltsmittel jährlich rund 100 Mio. Euro zur Verfügung.

Thematische Förderschwerpunkte wurden im Berichtszeitraum wie folgt gesetzt:

  • In der Maßnahme Open Photonik werden moderne Open-Innovation- und Open-Source-Ansätze für den Innovationsprozess gefördert, um Innovationsprozesse vielfältiger und offener zu machen und damit auch unerwartete Innovationen zu ermöglichen (siehe auch III 5 Transparenz und Partizipation).
  • Die Initiative Make Light unterstützt die Maker- Bewegung bei der Nutzung des Lichts, u. a. mit einem jährlichen Onlinewettbewerb und Maker-Treffen. Zur Fachmesse LASER World of PHOTONICS fand im Juni 2017 zum ersten Mal der in Kooperation mit der Make-Light-Initiative ausgetragene Wettbewerb Make Light MAKEATHON statt. 79 Studierende sowie Absolventinnen und Absolventen entwickelten innerhalb von 24 Stunden Hardware-Prototypen.
  • Gezielte Unterstützung von Forschung und Entwicklung im Bereich der optischen Technologien erfahren kleine und mittlere Unternehmen durch die regelmäßig wiederholte Maßnahme KMU-innovativ: Photonik (siehe auch III 3 Innovationsdynamik in der Wirtschaft).
  • Der Wettbewerb Light Cares – Photonische Technologien für Menschen mit Behinderung integriert mit einem modernen Open-Innovation-Ansatz die Nutzerinnen und Nutzer in den Entwicklungsprozess von auf photonischen Komponenten basierenden Hilfsmitteln. Die freie Verfügbarkeit der Lösungen im Sinne von Open Source steht im Fokus.
  • Aktuelle Förderschwerpunkte sind Optische Sensorik, Photonik nach Maß sowie Digitale Optik. Seit 2017 fördert das BMBF in der Fördermaßnahme Miniaturisierte optische Systeme hoher Integrationsdichte vorwettbewerbliche Verbundprojekte zu neuartigen, optisch mikrointegrierten Systemen.