Mit neuem Wissen liefern die Institutionen des ETH-Bereichs die Basis für politische Diskussionen über und Lösungen für die drängenden Probleme unserer Zeit. Innovative Technologien und deren Umsetzung in Produkte, Verfahren und Dienstleistungen garantieren, dass die Schweiz trotz Frankenstärke global wettbewerbsfähig bleibt. Der effiziente Wissens- und Technologietransfer trägt entscheidend zum Wohlstand unserer Gesellschaft bei.

Gemeinsam mit Leclanché, Romande Energie und dem Kanton Waadt testet die EPFL die neue Batterie in diesem Container. Sie kann bis zu 565 kWh Strom speichern, generiert von der Photovoltaikanlage auf dem Campus.

Die Energiestrategie 2050 des Bundes sieht vor, dass in Zukunft mehr Solarstrom produziert wird. Doch wenn die Sonne scheint, kann es zur Überproduktion kommen; die Einspeisung ins Stromnetz muss gestoppt werden, wertvolle Energie geht verloren. Um dieses Problem zu lösen, steht seit August 2015 auf dem Campus der EPFL ein grosser weisser Container, der es in sich hat – 9 000 Lithium-Ionen-Titanat-Zellen, die zusammen eine riesige Batterie bilden mit einer Leistung von 0,565 MWh und einer Spitzenleistung von fast 1 MW. Entwickelt und gebaut hat die Anlage der Batteriehersteller Leclanché, der seinen Hauptsitz in Yverdon-les-Bains hat.

«Das Besondere an dieser Batterie ist, dass sie eine sehr lange Lebensdauer hat», erklärt EPFL-Professor Mario Paolone. «Man kann sie 15 000-mal laden und jeweils zu 100 % entladen, ohne dass sie dabei einen wesentlichen Leistungsverlust zeigt, während die Batterien von Handys, Laptops oder auch von Elektromobilen stark abbauen.» Bei der Neuentwicklung der Firma Leclanché handelt es sich um eine Lithium-Ionen-Batterie, die anstelle des herkömmlichen Graphits eine Lithium-Titanat-Anode enthält.

Solarstrom bei schlechtem Wetter

Der Container kann bis zu 565 kWh Strom speichern und wieder abgeben. Das entspricht der Elektrizitätsproduktion von 2 500 m2 Solarpanelen innerhalb weniger Stunden oder dem Tagesverbrauch von etwa 100 Haushalten. Auf dem EPFL-Campus ist die Batterie mit dem bestehenden Solarpark über das 20-kv-starke EPFL-Energieversorgungsnetz verbunden. So kann Sonnenenergie bei Überproduktion gespeichert und bei schlechtem Wetter oder bei Verbrauchsspitzen wieder ins Netz eingespeist werden. Darüber hinaus kann die Batterie eine Steuerfunktion gegenüber dem Versorgungsnetz der EPFL einnehmen, indem sie Spannungsschwankungen und Leistungsengpässe eindämmt.

Doch dazu braucht es eine ausgeklügelte Steuerung von Batterie und Netz. Diese wollen die Forschenden an der EPFL nun in Zusammenarbeit mit Leclanché und dem Westschweizer Energieversorgungsunternehmen Romande Energie testen. Der Kanton Waadt unterstützt den Versuch mit 2 Mio. CHF. Zudem ist das Projekt in die Aktivitäten des SCCER FURIES (Future Swiss Electrical Infrastructure) integriert. «Normalerweise werden neue Steuerungstechniken mit Hilfe von Modellen und Simulationen getestet», erklärt Mario Paolone. «Hier auf unserem Campus können wir nun direkt, d. h. 1 : 1, die Prozesse zur Steuerung validieren, da die Batterie mit einem durchdringenden präzisen Dosiersystem verbunden ist.» Die Resultate würden dadurch viel genauer, ist der Energiespezialist überzeugt. «Dies macht die Anlage ziemlich einzigartig.»

Das Potenzial einer raffinierten Lösung, wie sich überschüssige Sonnen- oder Windenergie effizient für Verbrauchsspitzen speichern lässt, ist enorm. Nun soll die enge Zusammenarbeit zwischen Hochschule und Industrie auch eine erfolgreiche Umsetzung in die Praxis ermöglichen. «Innovation ist das Lebenselixier, der Schlüsselfaktor der Schweizer Industrie», sagte Hans Hess, Swissmem-Präsident, am «Industry Day 2015» der ETH Zürich. Dort präsentierten Forschende zukunftsweisende Erkenntnisse zu Sensorik, Robotik, Systembiologie und personalisierte Medizin, darunter Robert Riener, Professor am ETH-Labor für Sensomotorische Systeme in Zürich.

Patienten trainieren mit Robotern

Mit seinem Team und der Universitätsklinik Balgrist entwickelte Robert Riener einen Roboter, der Patienten mit neurologischen Schäden bei der Rehabilitation hilft. Oft sind die Betroffenen halbseitig gelähmt. Dank Physio- und Ergotherapie können manche lernen, ihren Arm wieder zu gebrauchen. Der Roboter hilft dem Therapeuten bei seinen Aufgaben. Er entlastet den betroffenen Arm und unterstützt die Bewegung von Schulter und Ellbogen – «aber nur so viel wie nötig», so Robert Riener. Kraftsensoren sorgen für eine angepasste Regelung. Und dank virtueller Realität bleiben die Patienten engagiert und erhalten direktes Feedback über ihre Bewegungen: In einem Computerspiel können sie unter Wasser Münzen einsammeln oder durch ein Labyrinth steuern, um eine Schatztruhe aufzuschliessen.

«ARMin» nannte Robert Riener seine Erfindung. Inzwischen hilft sie als «ArmeoPower» weltweit Patienten in Kliniken und Therapiezentren beim Training. «Die Produktentwicklung haben wir ge meinsam mit der Firma Hocoma durchgeführt», erzählt der Professor. Seit der Markteinführung 2011 wurden über 80 Geräte verkauft, «mit jährlich steigender Tendenz», sagt Lars Lünenburger, der Leiter der Sparte Kerntechnologien bei der Hocoma. Diese wurde 2000 als Spin-off der Klinik Balgrist gegründet, um den dort entwickelten Gangroboter auf den Markt zu bringen. Mit diesem «Lokomat» lernen gehbehinderte Patienten nach einem Schlaganfall oder einer Rückenmarksverletzung wieder das Gehen. Heute beschäftigt Hocoma 150 Mitarbeitende. «Wir sind Marktführer auf unserem Gebiet», sagt Lars Lünenburger stolz. Dies auch dank der engen Zusammenarbeit mit der ETH Zürich. «Wir haben zum Beispiel Doktorierende, die bei Hocoma vor Ort forschen», sagt Robert Riener. «So ergab sich eine hervorragende Zusammenarbeit, die zu neuen Forschungsfragen und innovativen Lösungsansätzen führt.» Hocoma ist zudem Hauptsponsor des «Cybathlon», eines Wettkampfs für roboterunterstützte Athleten mit Behinderung, den die ETH Zürich unter der Leitung von Robert Riener im Oktober 2016 durchführen wird.

Patente und Lizenzen sorgen dafür, dass die Erfindungen zunächst von den Erfinderinnen und Lizenznehmern kommerzialisiert werden können. Doch inzwischen kopieren Firmen in Ostasien auch die Trainingsroboter. Wichtiger als der Patentschutz sei deshalb der Technologievorsprung, der durch die Zusammenarbeit mit der ETH Zürich entsteht, so Lars Lünenburger.

Mehr Wissen über ein Allgemeingut

«Bei uns sind die Partner nicht Unternehmer», sagt Christoph Hegg, der stellvertretende Direktor der WSL in Birmensdorf. «Unser Wissens- und Technologietransfer richtet sich an die öffentliche Hand und die Gesellschaft.» Die Forschungsresultate sollen Behörden sowie Bürgerinnen und Bürger unterstützen und ihnen helfen. «Dabei geht es um öffentliche Güter, wie den Schutz vor Naturgefahren oder den Umgang mit der Landschaft, in der wir leben und die man sinnvollerweise nicht patentiert», so Christoph Hegg. Ein Beispiel ist der Wald und der Zustandsbericht, den die WSL zusammen mit dem BAFU alle zehn Jahre veröffentlicht.

Der Waldbericht 2015 kommt zum Schluss, dass es dem Schweizer Wald relativ gut geht. Im vergangenen Jahrzehnt setzten ihm keine grossen Stürme zu, die Situation war ruhig und verhältnismässig stabil. «Aber es gibt Bedrohungen am Horizont, auf die wir uns einstellen müssen», sagt Christoph Hegg. Damit meint er unter anderem den Klimawandel. Schreitet die Klimaveränderung wie erwartet fort, wird sich die Zusammensetzung der Baumarten im Schweizer Wald verändern. Probleme bereiten aber auch eingeschleppte Schädlinge wie der Asiatische Laubholzbockkäfer oder die Eschenwelke. Wenn sich invasive Organismen weiterhin ausbreiten, dürfte sich die Situation dereinst bedrohlich verschärfen, ist der WSL-Forscher überzeugt.

Douglasien statt Fichten?

Der Waldbericht liefert auch eine solide Grundlage für politische Diskussionen. So ist zurzeit heftig umstritten, ob die Douglasie in der Schweiz gefördert werden soll. Der ursprünglich aus Nordamerika stammende Nadelbaum ist robust gegen Trockenheit und damit wahrscheinlich besser an die künftigen klimatischen Bedingungen angepasst. Allerdings könnte ein Überhandnehmen der Douglasie Tiere und Pflanzen gefährden, die auf einheimische Bäume angewiesen sind. Was aus Sicht der Holzwirtschaft sinnvoll ist, kann ökologisch bedenklich sein.

Wollen wir einen reinen Schweizer Wald oder einen Wald, der seine Funktion möglichst gut erfüllt? Dies sei kein wissenschaftlicher, sondern ein politischer Entscheid, bei dem Wertevorstellungen zum Tragen kämen, sagt Christoph Hegg. Die Wissenschaft solle Fakten und Zusammenhänge darlegen. «Aber der Forscher ist ja auch Bürger und hat ein Recht auf eine persönliche Meinung», so der Experte. Diese Doppelrolle sei eine Herausforderung, denn wissenschaftliche Fakten und persönliche Bewertung müssten klar als solche deklariert werden.

Die Basis für einen politischen Entscheid lieferte auch die Eawag, das Wasserforschungsinstitut des ETH-Bereichs, mit seinen Untersuchungen der Mikroverunreinigungen in Schweizer Flüssen und Seen. Kosmetika, Hormone, Medikamente und Biozide, die wir als Konsumierende mit dem Abwasser entsorgen, werden teilweise nur etwa zur Hälfte in den Kläranlagen abgebaut. Der Rest gelangt in die Gewässer und kann damit auch im Trinkwasser enden. «Wir konnten zeigen, dass es Lösungen für dieses Problem gibt», sagt Adriano Joss von der Abteilung Verfahrenstechnik der Eawag.

Kläranlagen aufrüsten

Die gleichen Verfahren, die bei der Trinkwasseraufbereitung zum Zuge kommen, können verhindern, dass die organischen Spurenstoffe die Kläranlagen passieren. «Sowohl die Ozonung wie auch die Behandlung mit Pulveraktivkohle sind umsetzbar und zahlbar», fasst Adriano Joss zusammen. Die Ergebnisse der Eawag-Forschenden überzeugten das BAFU, Parlamentarier und Bundesrat, so dass im neuen Gewässerschutzgesetz, das 2016 in Kraft trat, eine Aufrüstung von Kläranlagen vorgeschrieben wird. Rund 100 der etwa 700 Kläranlagen in der Schweiz erhalten in den nächsten 20 Jahren eine zusätzliche Reinigungsstufe.

Die Einführung der sogenannten vierten Reinigungsstufe biete auch eine Chance für den Wissens- und Industriestandort Schweiz, so Adriano Joss. Vor allem Ingenieur- und Bauunternehmen profitieren, denn die Aufrüstung erfordert Investitionen in Milliardenhöhe. Neun Franken pro Einwohner zahlen sämtliche Schweizer Gemeinden in einen Fonds, der die Ausgaben für den Ausbau der Kläranlagen zu 75 % decken wird. Damit übernehme die Schweiz eine Vorreiterrolle, sagt Adriano Joss, während beispielsweise in Deutschland die Aufrüstung der Anlagen heftig umstritten sei. In weiteren Studien wollen die Forschenden noch mehr Erkenntnisse sammeln, um die Verfahren zur Entfernung der Mikroverunreinigungen im Abwasser zu optimieren.

Maschine für individuelle Produkte

Die meisten Schweizer Unternehmen sind kleine und mittlere Firmen. Ihnen bietet der ETH-Bereich die Möglichkeit, Neuentwicklungen in Grossanlagen zu untersuchen, die sie sich alleine nie leisten könnten. Fortgeschrittene Produktionsverfahren – «Advanced Manufacturing» – heisst das Zauberwort, das den Produktionsstandort Schweiz aufrechterhalten und festigen soll. «Wir an der Empa fokussieren uns auf neuartige Beschichtungstechnologien und das 3D-Drucken», sagt Pierangelo Gröning, Direktionsmitglied der Empa. «Schweizer Firmen sind im Bereich der Beschichtungen weltweit führend.» Damit dies auch in Zukunft so bleibt, baut die Empa ein Kompetenzzentrum mit produktionsnahen Anlagen auf.

«Was im Labor funktioniert, kann im grossen Massstab Probleme verursachen», sagt der Empa-Forscher. «Das hat uns bewogen, die Lücke zwischen Labor und Anwendung zu verringern.» Die Schweiz und Europa müssten technologisch einen Schritt voraus sein, wenn sie sich in der Produktion gegen den Rest der Welt behaupten wollten. «Dazu braucht es eine enge Zusammenarbeit zwischen Forschungsinstitutionen wie der Empa und der Industrie», so Pierangelo Gröning.

Die Anlagen im neuen Kompetenzzentrum sollen nicht nur kleine Muster, sondern reale Objekte beschichten können, z. B. den Zylinderkopf eines Motors. So kann man überprüfen, ob eine neue Schicht den Verbrennungsprozess tatsächlich – wie gewünscht – effizienter macht. «Wir bieten die Analytik an, dank der man diese Prozesse besser versteht und die Beschichtungen weiter entwickeln kann», sagt Pierangelo Gröning.

Noch bevor das neue Kompetenzzentrum im April 2016 eingeweiht wird, hat die Empa bereits Pläne für eine nächste Ausbauphase. Im Innovationspark auf dem Flugplatzareal Dübendorf könnte ein Zentrum für die 3D-Drucktechnologie entstehen, finanziert in einer «Public-Private Partnership». 3D-Drucker erlauben die Einzelstückfertigung und führen so zu einer Individualisierung des Produkts – «eine umwälzende Technologie», ist der Experte überzeugt. Entwicklungsziel ist ein autonomer 3D-Drucker, der ohne Eingriffe vor Ort von überall auf der Welt betrieben werden könnte. «Die Schweiz ist prädestiniert, diese Maschine zu bauen», sagt Pierangelo Gröning.

Neue Materialien durchleuchten

Wollen die Unternehmen ihre Produkte während der Entwicklungsphase genauestens unter die Lupe nehmen, ist das PSI in Villigen die richtige Adresse. Hier steht mit der Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) ein Super-Mikroskop. «Wir verkaufen sogenannte Strahlzeit», sagt Stefan Müller, der Wissenschaftskoordinator beim PSI. Während ein paar Stunden können Firmen ihre Material proben an der SLS mit extrem hellen und gebündelten Strahlen im Wellenlängenbereich von Röntgenlicht bis ultraviolettem Licht untersuchen lassen. «Bei uns hat man eine viel bessere Auflösung und erhält so viel mehr Informationen mit grösserer Aussagekraft, als wenn man ein Bild mit einem Standard-Röntgengerät machen lässt», sagt Stefan Müller, der auch Geschäftsführer der SLS Techno Trans AG ist, die interessierte Firmen berät. Zu diesen zählte 2015 eine Schweizer Firma, die einen günstigen 3D-Drucker bauen will. Bevor das Gerät marktreif ist, muss garantiert sein, dass man damit reproduzierbare Objekte drucken kann, die bestimmte Eigenschaften aufweisen und entsprechende Anforderungen erfüllen.

«Das ist die richtige Aufgabe für uns», sagt Stefan Müller. «Mit der Tomographie-Strahllinie Tomcat können wir zeigen, wie die verschiedenen Schichten aufgebaut sind und wie die Grenzflächen aussehen.» Die Untersuchung der winzigen Materialprobe ist zerstörungsfrei im Gegensatz zum sonst üblichen Reisstest, der zudem viel weniger Informationen liefert. «Aufgrund unserer Rückmeldungen kann die Firma die Steuerung des Druckprozesses anpassen und optimieren», erklärt Stefan Müller.

Rund 10 % der gesamten Strahlzeit der SLS wird durch die Industrie genutzt. Den Hauptteil beanspruchen Pharma-Firmen für die Untersuchung von Proteinen und medizinischen Wirkstoffen. Mit Hilfe der Messungen in Villigen lässt sich herausfinden, welche Wechselwirkungen zwischen Proteinen und Wirkstoffen bestehen – ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung neuer Medikamente. «In der Pharma-Industrie sind wir weltweit sehr bekannt», sagt Stefan Müller. Nun versuche man, vor allem im Bereich der Materialforschung neue Kunden zu akquirieren. «Dabei wollen wir vermehrt kleine und mittlere Firmen ansprechen», sagt der Experte: «Das Potenzial ist noch lange nicht ausgeschöpft.»