Die Digitalisierung durchdringt unseren Alltag und verändert die Welt. Ziel des ETH-Bereichs ist es, die Entwicklung voranzutreiben, damit die Schweizer Wirtschaft und Gesellschaft bestmöglich davon profitieren können – von effizienter Umweltbeobachtung über neue Fertigungstechniken bis zu einem besseren Internet und dem Schutz medizinischer Daten.

Digitaltag 2017 auf dem Campus der EPFL. (Fotos: Murielle Gerber/EPFL)

Wer in Fehraltorf über die Strasse geht, realisiert kaum, dass unter seinen Füssen ständig Daten aufgezeichnet und nach oben gefunkt werden. Der Pegelstand in den Entwässerungskanälen, die in städtischen Gebieten unter drei Viertel aller Strassen verlaufen, wird in der Zürcher Gemeinde mit Sensoren erfasst. Die Ultraschall-Füllstandsmesser unter den Schachtdeckeln übermitteln alle fünf Minuten den gemessenen Wert drahtlos an eine Basisstation, welche die Daten an einen Internetserver weiterleitet.

Die Sensoren in der Kanalisation sind Teil eines einzigartigen Feldexperiments, das Eawag-Umweltingenieur Frank Blumensaat leitet. «Die Digitalisierung eröffnet uns noch nie dagewesene Möglichkeiten», sagt der Fachmann für Siedlungswasserwirtschaft, der auch Dozent an der ETH Zürich ist. «Immer mehr Daten können ressourcenschonend mittels räumlich verteilter Sensoren erfasst und übertragen werden.» Innovativ ist die in Fehraltorf entwickelte Kombination aus robusten und energieeffizienten Sensoren und Datenübertragung aus dem Untergrund via Niedrigenergiefunk, kurz LPWAN für «Low Power Wide Area Network» des Internets der Dinge (Internet of Things, IoT). Damit wollen die Eawag-Forschenden den gesamten Wasserhaushalt im Stadtgebiet in einer bisher nicht erreichten Genauigkeit erfassen.

Ziel ist es, mehr Informationen zu den Abläufen in schwer zugänglichen Bereichen zu gewinnen und diese sinnvoll zu nutzen, zum Beispiel zur Frühwarnung vor Überflutungen bei Starkregen oder vor Kontamination. Man kann mit Hilfe des Sensornetzwerks aber auch herausfinden, wie viel Abwasser in Bäche, Flüsse und Seen gelangt und wie sich diese Belastung minimieren liesse. Das Projekt dient zudem zur Ausbildung von Studierenden, die als Ingenieure von morgen das neue Wissen in die Planungsbüros bringen sollen.

Digitaltag 2017 auf dem Campus der EPFL: Eine Teilnehmerin zeigt stolz, wie sie mit einer App zeichnen kann, die sie selbst auf einem Smartphone im Workshop programmiert hat.

«Die Rückmeldungen aus der Praxis sind gut»

Im Wald ist die Digitalisierung schon länger präsent – neu auch bei der Bekämpfung des Borkenkäfers. Will der Förster wissen, wie es um die Situation der Schädlinge in seinem Gebiet steht, kann er die Angaben zur aktuellen Borkenkäferentwicklung auf einer Webseite der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL abrufen. «Die Informationen beruhen auf einer Computersimulation für die ganze Schweiz», erklärt Beat Wermelinger, Leiter der Forschungsgruppe Waldentomologie an der WSL. Die täglichen Temperaturdaten liefert MeteoSchweiz für einen hochaufgelösten Raster von 2x2 km.

«Die Temperatur ist der wichtigste Faktor für die Insektenentwicklung», erklärt der Spezialist. Anhand der Temperatursummen lässt sich bestimmen, wann sich die Bruten in der Rinde der Fichten fertig entwickelt haben und die Käfer ausfliegen. «Unser Modell zeigt den täglichen Entwicklungsstand einer Population je nach Höhenlage und Exposition und wie sich der Ausflug der Käfer zeitlich verteilt.» Als Bekämpfungsmassnahme müssen die befallenen Bäume gefällt werden, solange die Insekten noch in den Stämmen leben, denn eine einzelne Fichte kann bis zu 50 000 Käfer beherbergen. «Da helfen Fallen, die einige Tausend Exemplare fangen, wenig», so der Fachmann.

Er betont aber, dass die Borkenkäfer eine ökologische Funktion erfüllen, indem sie als Pionierbesiedler frisch abgestorbene Bäume wieder in den Ressourcen-Kreislauf zurückführen. Die wegen des Klimawandels häufigeren Trockenperioden und möglicherweise vermehrt heftigen Stürme ermöglichen den Borkenkäfern aber die Besiedlung so vieler lebender, geschwächter Bäume, dass eine Bekämpfung der Insekten nötig ist. Dabei hilft die Webseite der WSL www.borkenkaefer.ch. «Die Rückmeldungen aus der Praxis sind gut», sagt Wermelinger.

«Die Vernetzung ist das Neue»

Die Digitalisierung macht nicht nur die Umweltbeobachtung effizienter, sondern auch die Wirtschaft zukunftsfähig. «Unsere Produktionsverfahren müssen für die Industrie 4.0 fit gemacht werden», sagt Pierangelo Gröning, Direktionsmitglied der Empa. Eine Fertigungstechnik, die sich dafür hervorragend eignet, ist der 3D-Druck. Computergesteuert erlaubt dieses boomende Verfahren die Herstellung von massgeschneiderten Einzelstücken, ohne dass ein Mensch in den Herstellungsprozess eingreift. Bei dieser sogenannten additiven Fertigung ist die Formgebung freier als bei herkömmlichen Prozessen und kann optimal an die Funktion des Stücks angepasst werden.

Digitaltag 2017 auf dem Campus der EPFL.

Dabei stellt sich eine besondere Herausforderung: «Beim 3D-Druck stellt man nicht nur ein Produkt her, sondern synthetisiert gleichzeitig das Material, aus dem das Stück besteht», erklärt Gröning, der die Forschung zum Thema «Advanced Manufacturing» koordiniert. An der Empa entwickeln Materialforschende spezielle Metalllegierungen, die für den 3D-Druck ideal sind. Dabei gilt es etwa zu beachten, dass sich das flüssige Material in Sekundenbruchteilen abkühlt, während dies beim konventionellen Giessverfahren viel länger dauert. «Wir können mit den neuen Verfahren Materialien herstellen, die sonst schmelzmetallurgisch gar nicht realisierbar sind», sagt der Fachmann. «Für die Materialwissenschaft bedeutet dies eine Art Renaissance in der industriellen Fertigung.»

Weil das Endprodukt als Unikat nicht getestet werden kann, braucht es ein neues Qualitätsmanagement – eine Prozesstechnik, die zusammen mit dem Produkt einen Datensatz abliefert, der belegt, dass das Stück die Spezifikationen erfüllt. «Das ist eine Chance für Länder mit hohen Qualitätsansprüchen wie die Schweiz», sagt der Materialwissenschaftler. Doch die neuen Fertigungsverfahren sind kompliziert und erfordern viele Prozessschritte. Sensoren liefern riesige Datenmengen, die der Computer in Echtzeit verarbeiten muss, um sofort eingreifen zu können. Dazu muss alles miteinander vernetzt sein. «Die zunehmende Vernetzung ist das Neue», sagt Gröning. Denn die Digitalisierung an sich gebe es ja schon seit den 1960er Jahren.

«Der Datenberg wächst enorm»

«Bei uns ist die Digitalisierung wahrscheinlich weiter fortgeschritten als in den meisten Schweizer Betrieben», sagt Gabriel Aeppli, Leiter des Forschungsbereichs Synchrotronstrahlung und Nanotechnologie am Paul Scherrer Institut (PSI). Bei den Experimenten an den Grossforschungsanlagen werden immer mehr Daten generiert. «In der Zeit, in der wir heute Terabytes sammeln, werden wir mit den künftigen Maschinen Petabytes – also tausendmal mehr – erzeugen», erklärt Aeppli. Er rechnet damit, dass 2022 am PSI an einem Tag so viele Daten gesammelt werden wie im Teilchenforschungszentrum CERN heute während eines Jahres. «Der Datenberg wächst enorm», sagt der Physiker.

Mit der heutigen Technologie lassen sich diese Informationen nicht innert nützlicher Frist zugänglich machen. Um die Daten zu komprimieren, zu verarbeiten und zu speichern müssen die PSI-Fachleute neue Hard- und Softwareplattformen entwickeln. Die am PSI erarbeiteten Lösungen stehen auch der Schweizer Wirtschaft zur Verfügung. Aus der Digitalisierung gehen auch immer wieder Spin-off-Firmen hervor, etwa das Unternehmen Dectris, das Pixeldetektoren entwickelt, die sehr viele Daten produzieren, oder die Firma leadXpro, die neue Wirkstoffmoleküle für Medikamente sucht – ein Unterfangen, das sich auf eine besonders intensive Datenverarbeitung stützt.

«In einer Fabrik muss man die gleichen Probleme lösen, nur sind unsere Systeme wohl etwas komplizierter», sagt Gabriel Aeppli. «Wir haben die Leute, die diese Systeme entwerfen, organisieren und betreiben können. Damit bietet der ETH-Bereich nicht nur akademische Exzellenz, sondern auch praktisches Wissen.»

Auch Aeppli sieht im «Internet der Dinge» eine grosse Chance für die Schweiz. «Bei der anstehenden Sanierung der Synchrotron Lichtquelle Schweiz wollen wir die Industrie 4.0 einbauen», sagt der Leiter der Grossforschungsanlage. Die einzelnen Bestandteile sollen nicht mehr von Hand verdrahtet, sondern via WiFi vernetzt werden. Dabei werden die Erfahrungen der PSI-Ingenieurinnen und -Ingenieure ebenfalls der Wirtschaft zugutekommen. «In einer Fabrik muss man die gleichen Probleme lösen, nur sind unsere Systeme wohl etwas komplizierter», sagt Aeppli. «Wir haben die Leute, die diese Systeme entwerfen, organisieren und betreiben können. Damit bietet der ETH-Bereich nicht nur akademische Exzellenz, sondern auch praktisches Wissen.»

«Massgeschneidertes Internet»

Unser heutiges Internet verbindet Milliarden von Geräten, die immensen Gefahren ausgesetzt sind: Von allen Seiten lauern Angriffe, da die eingesetzten Techniken den Anforderungen einer mehr und mehr vernetzten Welt nicht länger standhalten. Es ist nur eine Frage der Zeit, bis das heutige Internet kollabiert, kritische Infrastrukturen unkontrollierbar werden, persönliche Daten im grossen Stil in falsche Hände gelangen und bis wir uns schliesslich wünschen, wir hätten ein für das 21. Jahrhundert massgeschneidertes Internet. Gibt es ein solches, wirklich sicheres Internet? Die an der ETH Zürich entwickelte SCION-Internetarchitektur ist die erste von Grund auf neu gestaltete Architektur zur weltweiten Vernetzung von Geräten, die Überlastangriffen (DDoS) problemlos standhält und auch im Bereich IoT-Sicherheit und Kommunikationsverfügbarkeit alle Anforderungen erfüllt.

Digitaltag 2017 auf dem Campus der EPFL.

Mehrere Unternehmen testen SCION bereits, darunter Swisscom und eine grosse Schweizer Bankfiliale, die seit August 2017 nur noch über SCION mit dem Rechenzentrum kommuniziert. «Soweit wir wissen, ist SCION die erste neu vorgeschlagene Internetarchitektur, die in produktivem Einsatz genutzt wird», so Adrian Perrig, Professor und Leiter des Instituts für Informationssicherheit der ETH Zürich. Sein Konzept basiert auf sogenannten Isolationsdomänen – d.h. regional unabhängige Konglomerationen aus mehreren autonomen Netzwerken, die sich auf ein gemeinsames Regelwerk geeinigt haben. Grosse Unternehmen, aber auch Länder können eine Isolationsdomäne bilden und sich so abgrenzen. «Damit kann man sich vor externen Störungen und Angriffen schützen», sagt der ETH-Forscher. «Verblüffenderweise ist das Routing und Forwarding in SCION sogar effizienter als im heutigen Internet, trotz den zusätzlichen Sicherheitsfunktionen.» So sind etwa die Wege der Datenpakete vom Sender zum Empfänger im Voraus festgelegt, was das Umleiten der Daten verunmöglicht.

Wichtig für die Anwendung ist, dass SCION kaum neue Infrastruktur benötigt. «Es braucht nur an den Kanten des Netzes einige SCION-Router, die internen Verbindungen bleiben bestehen», erklärt Perrig. «Wir brauchen also die gleichen Strassen, fahren aber mit anderen Autos.» Die Software für das neue, zuverlässigere Internet ist als Open Source erhältlich. «Wir zielen auf eine weltweite Nutzung von SCION», begründet er seinen Verzicht auf ein Patent, das mögliche Anwender abschrecken könnte. Er hat aber zusammen mit Prof. David Basin und Prof. Peter Müller eine Spin-off-Firma gegründet, die Anwender unterstützt.

«DNA-Daten sind kein Spielzeug»

Ein sicheres Netz ist besonders wichtig, wenn es um den Austausch sensibler, persönlicher Daten geht. «Die Genomik wird zur nächsten grossen Herausforderung für den Schutz der Privatsphäre», sagt Jean-Pierre Hubaux, Professor an der Fakultät für Informatik und Kommunikationssysteme der EPFL. Er befasste sich mit dem Datenschutz in mobilen Netzen, als vor sechs Jahren zwei Genetiker ihn mit der Aussage konfrontierten: «Es gibt Wichtigeres zu tun!» Obwohl die DNA-Sequenzierung stark zunehme, kümmere sich fast niemand um den Schutz dieser heiklen Daten, bemängelten sie. Hubaux, der ursprünglich Informatik studiert hatte, nahm die Herausforderung an, büffelte Genetik und ist heute ein weltweit führender Experte auf dem Gebiet des Schutzes genetischer Daten.

Im Rahmen der Initiative des ETH-Bereichs zu «Personalized Health and Related Technologies» leitet Hubaux ein Projekt, das den Datenschutz gewährleisten soll, wenn Patientenangaben zwischen Spitälern und Forschungsinstitutionen ausgetauscht werden, wie es die Initiative des Bundes «Swiss Personalized Health Network» (SPHN) vorsieht. «Wir haben schon einige Softwarepakete entwickelt», sagt der Projektleiter. Nun müssen die Fachleute testen, wie sich die Lösungen in die Spitalumgebung integrieren lassen. «Wir haben in unserem Konsortium einen Genetiker, um zu gewährleisten, dass unsere Arbeit brauchbar ist. Zudem spreche ich oft mit den IT-Spezialisten im Spital», erzählt Hubaux. «Das ist ein spannender Dialog.»

Der Austausch von genetischen Patientendaten soll insbesondere die personalisierte Krebstherapie ermöglichen. Kennt man die DNA-Mutationen, die mit bestimmten Tumorarten in Verbindung gebracht werden, und weiss man, welche Therapie am erfolgreichsten war, lässt sich diese Erfahrung bei neuen Behandlungen gezielt anwenden. Doch die genetischen Daten sind besonders sensibel, da sich damit eine Person eindeutig identifizieren lässt. Und weil das Erbgut von Verwandten ähnlich ist, kann man mit der eigenen DNA auch Informationen über Familienmitglieder weitergeben. «DNA-Daten sind kein Spielzeug», warnt Hubaux. «Sie enthalten Informationen über ernsthafte Krankheiten – wir sprechen von Leben und Tod.»