Das Internet of Things (IoT), das Industrial Internet of Things (IIoT) und Industrie 4.0 wachsen derzeit erheblich, denn es gibt neue Möglichkeiten, um präziserer Daten zu erfassen sowie neue Methoden für die automatisierte Datenanalyse. Die jüngsten Weiterentwicklungen von Software, Algorithmen und maschinellem Lernen ermöglichen die Automatisierung von Sensornetzwerken. Dadurch wird kein Bedienpersonal benötigt, solange es vom System selbst nicht benachrichtigt wird. Diese neuen Ansätze im Hinblick auf Sensornetzwerke und Datenbearbeitung werden in den unterschiedlichsten Applikationen eingesetzt. Diese reichen von Smart Buildings bis hin zu industriellen Produktionsprozessen – wobei die Umgebungen jeweils anhand der Trends in den aktuellen Daten im Vergleich zu historischen Daten mühelos optimiert werden können. In vielen Fällen ist so die automatische Anpassung interner Bedingungen selbst möglich. Bedienpersonal wird nur noch benachrichtigt, wenn ein Problem auftritt oder die Daten einen unmittelbar bevorstehenden Ausfall anzeigen. Durch diese Möglichkeit konnte in etlichen Industriezweigen die Effizienz gesteigert werden.
Im Zusammenhang mit dem IoT denken zwar die wenigsten Menschen zuerst an Nanotechnologie, dieses Fachgebiet bietet jedoch einige Möglichkeiten, um zur Datenoptimierung beizutragen. Zudem gibt es weitere Bereiche, die aller Wahrscheinlichkeit nach künftig kommerziell eingesetzt werden. Diese reichen vom ursprünglichen Messpunkt bis hin zum Aufbau eines Netzwerks für den Informationsaustausch mittels Nanomaterialien.
Die Eigenschaften von Sensoren verbessern
Im Zentrum des IoT und der Industrie 4.0 stehen die Sensoren selbst. Der Bereich, der voraussichtlich am meisten von Nanotechnologie profitieren wird, ist die ursprüngliche Datenmessung. Angesichts der Weiterentwicklung von Software und Datenanalyse können damit wesentlich größere Datenmengen bewältigt werden. Je präziser der ursprüngliche Messpunkt, umso genauer ist das gesamte IoT-System.
Die Integration von Nanomaterialien als „Sensormaterialien“ in unterschiedliche Arten von Sensoren ist gut dokumentiert und ihr Einsatz trägt zu wesentlich größerer Effizienz bei. Nanoskalige Materialien – insbesondere Materialien mit einer zweidimensionalen Struktur wie Graphen – bieten oftmals eine große Oberfläche, die Veränderungen in der Umgebung erkennt. Doch die Sensormechanismen unterscheiden sich – einige fungieren als Fernsensoren, einige durch die Absorption von Molekülen und andere reagieren unter anderem auf physische Veränderungen.
Nanomaterialien weisen diverse Eigenschaften auf, durch die diese Mechanismen effizient funktionieren – sei es durch messbare optische Veränderungen beim Abstand, durch die Absorption von Atomen an der Oberfläche oder durch die Fähigkeit des Materials, gebogen, gedehnt oder komprimiert zu werden. Einige Nanomaterialien weisen zumindest einen, wenn nicht gar alle dieser Mechanismen auf. Die hohe Empfindlichkeit und die dadurch möglichen präziseren Messpunkte beruhen oftmals auf der hohen elektrischen Leitfähigkeit und der Ladungsträgermobilität in Nanomaterialien. Wenn das Sensormaterial einen bestimmten Zustand erfasst – etwa durch Absorption oder physische Veränderung – bewirkt der Sensormechanismus eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit im Nanomaterial. Dies wird als messbare Reaktion erkannt. Da Leitfähigkeit und Ladungsträgermobilität in einem Nanomaterial oftmals hoch sind – das heißt, es werden normalerweise hoch leitfähige Nanomaterialien verwendet – ist die Empfindlichkeit hoch, denn schon sehr geringe Veränderungen lösen eine erkennbare Reaktion aus.
Das Internet of Nano Things (IoNT)
Der zweite Bereich, in dem Nanotechnologie mit dem IoT kombiniert werden kann, ist der Aufbau eines physischen Netzwerks aus Nanomaterialien, das den Datenaustausch durch die Kommunikation auf Nanoebene zwischen unterschiedlichen Komponenten fördert. Dies bezeichnet man als „Internet of Nano Things“ (IoNT) – das Internet der winzigen Dinge. Dieses ist noch nicht so weit entwickelt wie andere IoT-Systeme, allerdings weckt es Interesse in der Kommunikationstechnik und in der Medizin. Ein Beispiel dafür sind vor Ort eingebettete Applikationen mit entfernten Sensoren oder Anwendungen, bei denen unterschiedliche Messpunkte im menschlichen Körper erfasst werden.
So funktioniert das System
Wie jedes System besteht auch das IoNT aus mehreren Komponenten. Zudem gibt es zwei Mechanismen, über die Komponenten normalerweise miteinander kommunizieren: Einerseits erfolgt eine elektromagnetische Nanokommunikation über das Senden und Empfangen elektromagnetischer Wellen, andererseits findet eine molekulare Kommunikation statt, bei der Informationen in Molekülen codiert sind. Die Komponenten selbst spielen in vier wichtigen Bereichen des IoNT eine Rolle, die die Übertragung von Informationen ermöglichen – dies sind Nanoknoten, Nano-Router, Nano-Mikro-Schnittstellengeräte und Gateways.
Nanoknoten sind die einfachsten und kleinsten Komponenten im IoNT und werden als einfaches Nanogerät betrachtet. Diese kleinen Nanogeräte werden für die Datenübertragung und für einfache Berechnungen eingesetzt. Allerdings begrenzt ihre winzige Größe – und ihr geringes Energieniveau – die Entfernung, über die sie Daten übertragen können. Zudem haben sie einen sehr kleinen internen Speicher. Dennoch können sie an einer bestimmten Stelle platziert werden, um Daten an einen größeren Nano-Router zu übertragen, der die Daten über größere Entfernungen übermittelt. Die Nanoknoten eignen sich daher oftmals als die eigentlichen Sensorkomponenten eines Systems.
Diese Nanoknoten geben die Daten an den Nano-Router weiter, bei dem es sich um ein Nanogerät mit wesentlich größerer Rechenleistung handelt. Dadurch fungiert es als Aggregator für alle Nanoknoten in der Umgebung, die die ursprünglichen Daten erfassen. Nano-Router können den Austausch von Befehlen zwischen Nanoknoten steuern und Informationen an das Nano-Mikro-Schnittstellengerät senden. Dieses Schnittstellengerät aggregiert sämtliche Daten der Nano-Router und übermittelt sie an die Mikroebene und umgekehrt. Dabei werden Verfahren der Nanokommunikation mit klassischen Netzwerkprotokollen kombiniert. Das Gateway fungiert dann als Controller des gesamten Systems, sodass über eine beliebige Stelle des Internets Zugriff auf die Daten möglich ist.
Fazit
Industrie 4.0 steht noch am Anfang und wird sich in den kommenden Jahren weiterentwickeln. So viel ist sicher. Zwar werden in vielen Branchen noch herkömmliche Ansätze bei der Datenübertragung, beim Cloud-Computing und bei der Datenbearbeitung eingesetzt. Doch irgendwann kommt – genau wie bei Computern – ein Punkt, da die Datenübertragung über wesentlich kleinere Architekturen erfolgen muss. Sobald der dringende Bedarf für die kommerzielle Nutzung dieses Ansatzes besteht, ermöglicht die geleistete Vorarbeit, dass das IoNT genutzt werden kann, wenn sich die Industrie 4.0 in allen Industriezweigen etabliert hat.
Über den Autor:
Liam Critchley ist Autor, Journalist und Spezialist für Wissenschaftskommunikation mit den Schwerpunkten Chemie und Nanotechnologie. Sein Augenmerk richtet sich insbesondere auf unterschiedliche Anwendungsbereiche, bei denen die Grundprinzipien der molekularen Ebene eingesetzt werden. Critchley ist am bekanntesten für seinen informativen Ansatz und die Erklärung komplexer wissenschaftlicher Themen für Fachpublikum und die breite Öffentlichkeit. Er hat über 350 Artikel zu unterschiedlichen Wissenschaftsbereichen und Branchen veröffentlicht, bei denen Chemie und Nanotechnologie eine Rolle spielen.
Critchley ist derzeit Senior Science Communications Officer bei der Nanotechnology Industries Association (NIA) in Europa. In den vergangenen Jahren hat er für die Websites von Unternehmen, Verbänden und Medien auf der ganzen Welt geschrieben. Bevor er zum Schreiben kam, erwarb Critchley zwei Masterabschlüsse in Chemie mit Schwerpunkt Nanotechnologie und Verfahrenstechnik.
Neben seiner Tätigkeit als Autor ist Critchley Mitglied des Advisory Board der National Graphene Association (NGA) in den USA, dem weltweiten Nanotechnology World Network (NWN) sowie Mitglied des Board of Trustees von GlamSci, einer gemeinnützigen Wissenschaftsorganisation in Großbritannien. Critchley ist auch Mitglied der British Society for Nanomedicine (BSNM) und der International Association of Advanced Materials (IAAM). Außerdem ist er als Gutachter für mehrere akademische Fachzeitschriften tätig.
Liam Critchley ist Autor, Journalist und Spezialist für Wissenschaftskommunikation mit den Schwerpunkten Chemie und Nanotechnologie. Sein Augenmerk richtet sich insbesondere auf unterschiedliche Applikationsbereiche, bei denen die Grundprinzipien der molekularen Ebene eingesetzt werden. Critchley ist am bekanntesten für seinen informativen Ansatz und die Erklärung komplexer wissenschaftlicher Themen für Fachpublikum und die breite Öffentlichkeit. Er hat über 350 Artikel zu unterschiedlichen Wissenschaftsbereichen und Branchen veröffentlicht, bei denen Chemie und Nanotechnologie eine Rolle spielen.