Nachhaltig produzierbare kovalente organische Netzwerke fangen Kohlendioxid

Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und der Universität Siegen hat eine neue Verbindung synthetisiert, die ein sogenanntes kovalentes organisches Netzwerk bildet. Die auf Phosphonsäure basierende Verbindung ist stabil und kann beispielsweise zur Speicherung von Kohlendioxid eingesetzt werden.

Kovalente organische Netzwerke (Covalent Organic Framework, kurz COF) sind eine Klasse poröser kristalliner Materialien, die Gerüststrukturen bilden. Der Begriff „kovalent“ bedeutet dabei, dass in ihnen chemische Bindungen zwischen einzelnen Bausteinen des Netzwerks durch gemeinsam genutzte Elektronenpaare entstehen. Ein Forschungsteam um Dr. Gündoğ Yücesan, Heisenberg-Nachwuchsgruppenleiter am Lehrstuhl für nanoporöse und nanoskalierte Materialien an der HHU und Prof. Dr. Jörn Schmedt auf der Günne, Leiter des Instituts für Anorganische Materialchemie an der Universität Siegen, stellt nun einen einfachen Zugang zu dieser Familie von Netzwerken vor, deren Mitglieder besonders stabil sind und die ein hohes Anwendungspotenzial versprechen. An der in Nature Communications veröffentlichten Studie waren ebenfalls Forschende aus Berlin, Bremen, Saarbrücken, der Türkei und dem Vereinigten Königreich beteiligt.

Die Klasse der Polyphosphonatgerüstverbindungen zeichnet sich durch Phosphor-Sauerstoff-Phosphor-Bindungen aus, die aus Bausteinen einfacher organischer Phosphonsäuren bestehen und – quasi wie Klemmbausteine – durch Erwärmen auf Temperaturen von nur rund 200 Grad Celsius zusammengesetzt werden können.

Dr. Yücesan: „Diese COFs haben die besondere Eigenschaft, dass sie auch bei Anwesenheit von Wasser und Wasserdampf trotz der milden Synthesebedingungen stabil sind und somit – im Gegensatz zu bisher entwickelten Verbindungen – in wässriger und Elektrolyten eingesetzt werden können.“

Ein weiterer Meilenstein war die Entwicklung eines nachhaltigen Syntheseverfahrens. Yücesan: „Zum ersten Mal wurde eine Festphasensynthese von COFs entwickelt, die komplett ohne Lösungsmittel auskommt. Diese Methode ermöglicht eine kostengünstige und skalierbare Produktion im Kilogramm- bis Tonnenmaßstab, was sie im Vergleich zu anderen mikroporösen Materialien wirtschaftlicher macht.“

Eine Herausforderung für die Forschenden lag darin, dass die Verbindungen nicht gut kristallisierten, beziehungsweise amorph sind. Die Vernetzung nachzuweisen, gelang mit der Methode der kernmagnetischen Resonanz. Dazu Prof. Dr. Schmedt auf der Günne: „Wenn wir nicht die gemeinsamen Zustände benachbarter Phosphoratomkerne hätten nutzen können, wäre die Vernetzungsstruktur der Substanz im Dunkeln geblieben und die Eigenschaften unverstanden.“

Die Polyphosphonate dieser Art haben ein hohes Anwendungspotenzial. Das klimaschädliche Treibhausgas Kohlendioxid wird durch deren Netzwerke gebunden Durch eine leichte Druckänderung kann es wieder freigesetzt werden. „Solche Substanzen werden für die Abgasreinigung und zur Vermeidung von Treibhausgasemissionen benötigt“, stellen die Studienautoren fest.
(Text: Arne Claussen, HHU)

Originalpublikation: https://www.nature.com/articles/s41467-024-51950-1

Universität Siegen betreut landesweites Pilotprojekt zu KI an Schulen

Das Schulministerium startet in NRW ein Pilotprojekt, um den Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI) in den Fächern Mathematik und Deutsch zu erproben. Die wissenschaftliche Leitung übernehmen zwei Arbeitsgruppen der Universität Siegen. Das Land fördert das Projekt mit über einer Million Euro.

Wird generative Künstliche Intelligenz (KI) wie etwa ChatGPT durchdacht und verantwortungsvoll eingesetzt, hat sie ein großes Potential für die Weiterentwicklung des Schulunterrichts. Sie kann Lehrkräfte zum Beispiel dabei entlasten und unterstützen, Lernprozesse von Schüler*innen zu begleiten. Ob es darum geht, im Fach Mathematik eine Geometrieaufgabe zu lösen oder darum, im Fach Deutsch eine schriftliche Argumentation zu verfassen: KI kann Schüler*innen während solcher Arbeitsprozesse individuell und wiederholt Rückmeldungen geben – vorausgesetzt, sie wird von den Lehrkräften kompetent eingebunden.

Wie das gelingen kann, soll in Nordrhein-Westfalen nun im Rahmen eines Pilotprojektes mit 25 Schulen der Sekundarstufe I erprobt werden. Das Projekt KIMADU (Künstliche Intelligenz im Mathematik- und Deutschunterricht) wurde vom Ministerium für Schule und Bildung (MSB) initiiert und wird vom Land NRW mit über einer Million Euro gefördert. Die wissenschaftliche Leitung übernehmen die Teams von Prof. Dr. Ingo Witzke (Mathematikdidaktik) und Prof. Dr. Torsten Steinhoff (Didaktik der deutschen Sprache) der Universität Siegen.

„Mit dem landesweiten Pilotprojekt gehören 25 Schulen in NRW zu den Pionieren, die KI im Unterricht unter wissenschaftlicher Begleitung einsetzen. Wir erhoffen uns neue Erkenntnisse zu den Möglichkeiten individueller Förderung über das Lehren und Lernen mit KI, an denen sich andere Schulen orientieren können“, sagt Schulministerin Dorothee Feller. KI habe für den Unterricht ein großes Potential, brauche aber einen klaren Rahmen. Gleichzeitig sei wichtig, dass Schüler*innen von Anfang an reflektiert mit den neuen Möglichkeiten umgehen und sich der Grenzen bewusst sind.

Die beiden Siegener Projektleiter Prof. Dr. Ingo Witzke und Prof. Dr. Torsten Steinhoff möchten in dem Projekt Forschung auf hohem Niveau mit der Unterrichtspraxis in den Schulen verbinden. „Es geht uns darum, gute didaktische Orte zu identifizieren, um KI im Unterricht einzusetzen. Dazu müssen wir auch die Lern-, Aufgaben- und Prüfungskultur an den Schulen überdenken. Besonders wichtig ist uns dabei eine enge und auf gemeinsamen Zielvorstellungen basierende Zusammenarbeit mit den Schulen“, sagt Prof. Witzke. „Mathematische und sprachliche Kompetenzen bleiben auch in Zeiten von KI wichtig und können nun sogar noch besser gefördert werden. Voraussetzung dafür ist, dass KI den Lehrer*innen und Schüler*innen Lehr- und Lernprozesse nicht einfach abnimmt, sondern diese Prozesse konstruktiv – wie ein Tutor oder Partner – unterstützt. Dazu wollen wir einen Beitrag leisten“, sagt Prof. Steinhoff.

Das Forschungsinteresse von KIMADU richtet sich auf die Erarbeitung von Rahmenkonzepten für Mathematik- und Deutschaufgaben, die KI sinnvoll integrieren, die Beobachtung des Unterrichts und die Untersuchung der Entwicklung der Einstellungen und Kompetenzen von Lehrer*innen und Schüler*innen im Projektverlauf. Die teilnehmenden Schulen erhalten einen datenschutzkonformen Zugang zu verschiedenen Large Language Models (LLM), mit denen sie die Aufgaben im Unterricht erproben können. LLM sind Sprachmodelle, die mit großen Datenmengen trainiert wurden und auf dieser Basis Texte generieren. Das Siegener Projektteam plant zudem Besuche an allen 25 Schulen, wöchentliche Online-Sprechstunden sowie mehrere Fachtagungen zum gegenseitigen Austausch.

„Wir möchten an der Universität Siegen gemeinsam die konzeptionellen Grundlagen für gute KI-Lernarrangements schaffen. Der Unterricht selbst wird aber von den Fachlehrer*innen vor Ort umgesetzt“, sagt Witzke. „Dafür besuchen unsere Teams die teilnehmenden Schulen und tauschen sich intensiv und regelmäßig im Rahmen von Fachtagen und Online-Sprechstunden mit Lehrkräften aus“, so Steinhoff. Formate, die sich dabei bewähren, sollen am Ende in die schulinternen Medienkonzepte und Curricula aufgenommen werden, um das Lernen mit KI nachhaltig zu verankern. Die Ergebnisse der wissenschaftlichen Begleitung sowie Best-Practice-Beispiele werden projektbegleitend auf der Homepage www.lernen-digital.de veröffentlicht, damit alle Schulen in NRW davon profitieren können.

Das Projekt wird an den Schulen vom 1. Februar 2025 bis zum 31. Juli 2027 durchgeführt. Interessierte Hauptschulen, Realschulen, Gymnasien, Gesamt-, Sekundar- und Primusschulen aus allen Regierungsbezirken können sich bis zum 22. November 2024 für die Teilnahme bewerben. Weitere Infos zu den Voraussetzungen finden Sie unter: https://kimadu.de

Kontakt:
Prof. Dr. Ingo Witzke (Mathematikdidaktik, Universität Siegen)
E-Mail: witzke@mathematik.uni-siegen.de
Tel.: 0271 740-3579

Prof. Dr. Torsten Steinhoff (Didaktik der deutschen Sprache, Universität Siegen)
E-Mail: steinhoff@germanistik.uni-siegen.de
Tel.: 0271 740-2936

KI-Experte Dr. André Klahold neuer Honorarprofessor

Die Universität Siegen hat Dr. André Klahold zum Honorarprofessor ausgezeichnet. Klahold ist seit über 16 Jahren am Department für Elektrotechnik und Informatik tätig. Seine Ernennung soll die Synergien zwischen akademischer Forschung, Lehre und innovativer Unternehmenspraxis stärken.

Der KI-Experte und Unternehmer Dr. André Klahold ist neuer Honorarprofessor am Department Elektrotechnik und Informatik der Universität Siegen. Der Dekan der Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät, Prof. Dr. Holger Schönherr überreichte jetzt die Ernennungsurkunde – verbunden mit den Glückwünschen der Fakultät.

Klahold ist Geschäftsführer der InterRed GmbH, einem Softwareunternehmen im Bereich KI-basiertes „Multi-Channel-Publishing“. Seit 1988 beschäftigt er sich wissenschaftlich mit der Informatik und hat sich auf die Themenfelder Content Management, Künstliche Intelligenz und Computer Aided Writing spezialisiert. Nach seiner Promotion im Fach Informatik, die er 2006 mit summa cum laude abschloss, hat er am Siegener Lehrstuhl für Wissensbasierte Systeme und Wissensmanagement von Prof. Dr. Madjid Fathi zahlreiche Arbeiten mitbetreut und seit über 16 Jahren kontinuierlich Vorlesungen gehalten. Klahold  ist außerdem Senior Member des IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) und Autor zahlreicher Bücher und Fachartikel.

„Die Ernennung von Dr. André Klahold zum Honorarprofessor ist ein bedeutender Schritt zur Vertiefung der Zusammenarbeit zwischen Universität und Wirtschaft, wodurch wir die Innovationskraft und den langfristigen Erfolg unserer regionalen Unternehmen nachhaltig stärken“, sagte Prof. Dr. Holger Schönherr bei der Urkundenüberreichung.

Prof. Dr. Jöran Beel vom Lehrstuhl für Intelligente Systeme würdigte die bisherigen Verdienste von Dr. Klahold: „Seine praxisorientierten Vorlesungen sind bei unseren Studierenden äußerst beliebt und eröffnen ihnen einzigartige Perspektiven in zukunftsweisende Technologien und deren Anwendung in der Praxis.“

Hintergrund:
Die InterRed GmbH mit Hauptsitz in Haiger und Geschäftssitz in Siegen zählt zu den technologisch führenden Anbietern im Bereich des KI-basierten Multi-Channel-Publishing.  Mittlerweile arbeiten rund 70 Mitarbeiter*innen am Standort Siegen. Mit der Software aus Siegen werden Europas größte Tageszeitung, Deutschlands größte Tages- und Wochenzeitung, die auflagenstärkste deutsche Zeitschrift sowie Publikationen bei international tätigen Industrieunternehmen produziert.

Das Potenzial alter Elektroautos nutzen

Ein neues Graduiertenkolleg beschäftigt sich mit dem Recycling von E-Autos. Die Universität Siegen ist mit fünf Lehrstühlen beteiligt – mit dabei sind außerdem Wissenschaftler*innen aus Aachen, Münster und Wuppertal. Das Graduiertenkolleg „Circular E-Cars“ wird mit 8,4 Mio. Euro gefördert.

In Elektroautos werden im Vergleich zu herkömmlichen Automobilen deutlich mehr wertvolle Nichteisenmetalle sowie neuartige Verbund- und Kunststoffe verarbeitet. Das Recycling von Altfahrzeugen hat daher ein enormes Potenzial, das bislang aber nur unzureichend genutzt wird. Aktuelle, manuelle Demontageprozesse sind zeit- und kostenintensiv. Das neue Graduiertenkolleg (GRK) „Circular E-Cars“ setzt genau hier an: Zehn Lehrstühle sowie weitere Einrichtungen der RWTH Aachen, fünf Lehrstühle der Universität Siegen, zwei Arbeitsgruppen der FH Münster, Wissenschaftler*innen des Wuppertal Instituts und der Nachhaltigkeitsinitiative Humboldtn sowie Industrieunternehmen arbeiten im GRK zusammen. Gemeinsam möchten sie das Rheinische Revier zu einem europaweit führenden Standort für Forschung, Entwicklung und Innovation von metallfokussierten Kreisläufen von Elektroautos entwickeln. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Vorhaben in den kommenden vier Jahren mit 8,4 Millionen Euro – davon gehen 1,8 Millionen Euro an die Uni Siegen.

„Auf Siegener Seite sind wir mit einer Vielzahl von Kolleginnen und Kollegen an dem Graduiertenkolleg beteiligt. Spezielle Expertise können wir insbesondere im Bereich der additiven Fertigung sowie bei Methoden der künstlichen Intelligenz (KI) einbringen. Auch die hochmoderne Ausstattung unseres Forschungsgebäudes INCYTE, das im kommenden Frühjahr eröffnet wird, wird der gemeinsamen Forschungsarbeit zugutekommen“, sagt der Siegener Sprecher des GRK, Prof. Dr.-Ing. Axel von Hehl. „Die Einrichtung des Graduiertenkollegs ist ein großer Erfolg für alle Beteiligten und Ausweis einer hervorragenden partnerschaftlichen Zusammenarbeit. Dazu gratuliere ich herzlich. Die Förderung von Doktorandinnen und Doktoranden ist zudem ein wichtiges Anliegen unserer Universität“, sagt die Siegener Uni-Rektorin Prof. Dr. Stefanie Reese. Am Standort Siegen entstehen im Rahmen des Graduiertenkollegs fünf neue Doktorand*innen-Stellen.

„Die Vision des Vorhabens besteht darin, neue Wege in der Kreislaufwirtschaft verschiedener Stoffströme von E-Cars zu gehen und im Rheinischen Revier zu etablieren“, erklärt der Sprecher des Graduiertenkollegs, Professor Peter Letmathe vom Lehrstuhl für Controlling der RWTH Aachen.

Im Bereich der Rezyklierfähigkeit werden in „Circular E-Cars“ neuartige Verfahren zur Demontage von Elektroautos und zur stofflichen Verwertung der Komponenten entwickelt. Ressourceneffiziente, (teil)automatisierte Demontageprozesse sollen unter Einsatz von Augmented Reality und künstlicher Intelligenz entwickelt werden. Wissenschaftler*innen der Uni Siegen beschäftigen sich in diesem Zusammenhang speziell mit der Wiederverwertung von in E-Autos enthaltenen Aluminiumfraktionen. Sie möchten Wege finden, diese konsequent ohne Zusatz von Primäraluminium im geschlossenen Sekundärmaterialkreislauf zu führen. „Das kann nur gelingen, wenn Produkt- und Prozessgestaltung fundamental neu gedacht und alles auf das Qualitätsmerkmal Recyclingfreundlichkeit hin ausgerichtet wird. Dazu ist in den kommenden Jahren eine intensive anwendungsorientierte Grundlagenforschung notwendig, die wir zusammen mit den anderen GRK-Standorten vorantreiben möchten“, sagt Prof. von Hehl.

Neben der technischen Seite werden im GRK zudem gezielt Geschäftsmodelle, Industriestandorte und Arbeitsmarktkompetenzen untersucht, wobei ein Fokus auf kleinen und mittleren Unternehmen liegt. Circular E-Cars bindet mehrere Transformationsplattformen ein, um regionale Unternehmen einzubeziehen und damit den erfolgreichen Transfer von wissenschaftlichen Ergebnissen in tragfähige Geschäftsmodelle zu gewährleisten – darunter die deutschlandweit einzigartige Transformationsplattform REVIERa, die den Strukturwandel im Rheinischen Revier durch ein Netzwerk von über 50 Akteurinnen und Akteure vor Ort unterstützt. Der Wissenstransfer soll außerdem durch die im Graduiertenkolleg ausgebildeten Promovierenden begleitet und sichergestellt werden. In 22 Promotionsvorhaben werden verteilt über die Standorte in sogenannten Lösungspartnerschaften mit Unternehmen und verschiedenen Akteur*innen aus Praxis und Wissenschaft alle Elemente zirkulärer Wertschöpfungsketten von E-Autos erforscht.

Circular E-Cars ist auf die Bildung eines Innovationsökosystems ausgerichtet, das langfristig mindestens 7.000 Arbeitsplätze im Rheinischen Revier in der Kreislaufwirtschaft schaffen soll und die Zukunftsfähigkeit der Region substanziell erhöht.

Hintergrund
Die Universität Siegen beteiligt sich mit dem Lehrstuhl für Materialkunde und Werkstoffprüfung (LMW), dem Lehrstuhl für Produktentwicklung (LPE), dem Lehrstuhl für Mikro- und Nanoanalytik (LMN), dem Lehrstuhl für International Production Engineering and Management (IPEM) und dem Lehrstuhl für Höchstfrequenztechnik und Quantenelektronik (HQE) an dem Graduiertenkolleg.

Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. Axel von Hehl (Lehrstuhl für Materialkunde und Werkstoffprüfung der Universität Siegen, Siegener Sprecher des Graduiertenkollegs „Circular E-Cars“)
Tel.: 0271-740 5389
E-Mail: Axel.vHehl@uni-siegen.de

LMD-Technologie und Forschungsbrauerei

Zweifellos einen Höhepunkt in der noch jungen Erfolgsgeschichte des Campus Buschhütten setzte die Smarte Demonstrationsfabrik Siegen (SDFS) mit dem 1. Impulsforum. Teilnehmer*innen aus Industrie und Wissenschaft trafen sich im Rahmen einer kleinen Industriemesse am Campus Buschhütten, der seit der Gründung vor fünf Jahren als Brückenbauer zwischen Theorie und Praxis in der Produktionstechnik fungiert. Unternehmen der Region Südwestfalen und die Universität Siegen arbeiten im Sinne des Wissens- und Technologietransfers erfolgreich zusammen.

In ihrem Grußwort betonte Prof. Dr. Stefanie Reese, Rektorin der Universität Siegen, wie wichtig der Campus Buschhütten als Schnittstelle sei, um Lösungen für die Herausforderungen unserer Zeit zu finden. „Wie schaffen wir die digitale Transformation? Wie können wir im Sinne der Nachhaltigkeit ressourcenschonend produzieren? Welche Rolle spielt KI dabei, und wie können wir neue Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter bei diesen Prozessen mitnehmen und ausbilden?“

Der Campus Buschhütten leiste einen praktischen Beitrag zur Lösung dieser Fragen, erklärte die Rektorin. Das Projekt habe Strahlkraft. „Denn der Transfer von Wissenschaft in die Praxis wird hier umgesetzt.“ Hier könne man die Attraktivität des Ingenieurwesens erleben. „Es herrscht spürbarer Innovationsgeist“, so Reese. Sie lobte nicht nur die Arbeit von Prof. Dr. Peter Burggräf (Lehrstuhl für International Production, Engineering and Management/IPEM) als  Mitinitiator des Campus Buschhütten sowie die von Prof. Dr. Axel von Hehl (Lehrstuhl für Materialkunde und Werkstoffprüfung/LMW), sondern auch das unermüdliche Engagement der Familie Barten, an deren Unternehmensstandort (Fa. Achenbach) der Campus sein Zuhause hat. Zum Netzwerk gehören neben der Universität Siegen auch die RWTH Aachen University und nahezu 80 Unternehmen aus Produktion und IT.

Beim Impulsforum wurden spannende Projekte vorgestellt.  Dazu kamen Vorträge und Diskussionen mit hochkarätigen Gästen, unter anderen dem BDI-Präsident Prof. Dr. Siegfried Russwurm. Zudem wurden auch zwei neue Anlagen präsentiert, die Teil des Forschungsprojekts „Cyber Production Management Lab“ (CPML) sind. Das CPML-Projekt wird vom Nordrhein-Westfälischen Ministerium für Wirtschaft, Industrie, Klimaschutz und Energie (MWIKE) gefördert. 

Dabei handelt es sich zum einen um eine Laser Metal Deposition-Anlage (LMD) zur Additiven Fertigung für Metall, inklusive der Beschichtung und Reparatur hochbeanspruchter metallischer Bauteile. Es ist eine High End Anlage, die der Erforschung des innovativen Themas 3D-Metalldruck dient. Nicht zuletzt aufgrund kritischer globaler Lieferketten und der damit einhergehenden Rohstoffknappheit gewinnt das Thema Kreislaufwirtschaft zunehmend an Bedeutung: Produkte und Maschinen und Anlagen sollen so lange wie möglich genutzt, bei Bedarf aufgearbeitet (Re-Manufacturing) und erst als letzte Möglichkeit als Rohstoff in den Kreislauf zurückgeführt werden (Recycling). Ein neues, in der Praxis noch weitgehend nicht eingesetztes Verfahren, die „Laser Metal Deposition Technologie“ (LMD), ermöglicht beispielsweise hocheffizient und flexibel das Aufschmelzen eines Metallpulvers mit Hilfe eines Lasers. Dieses Verfahren dient sowohl der Herstellung dreidimensionaler Bauteile als auch deren innovativen Beschichtung.

Trotz der kurzen Projektlaufzeit haben bereits zahlreiche Industrieunternehmen in Südwestfalen großes Interesse an der LMD-Technologie. Ziel ist es, den Campus Buschhütten zu einer regionalen Anlaufstelle für 3D-Druck inklusive der innovativen Beschichtung und Reparatur hoch beanspruchter metallischer Bauteile aufzubauen, Beratung zu leisten, die Eignung der Technologie für unternehmensindividuelle Anwendungen zu testen sowie Anlagenkapazitäten für die Fertigung von Prototypen zur Verfügung zu stellen.

Ein auch optisch besonderes Highlight ist die Industrie 4.0-Referenzbrauanlage bestehend aus einem zehn Hektoliter Sudwerk mit vier Gär- und Lagertanks. Das Projekt umfasst zunächst die Übertragung der Erkenntnisse zur Prozessoptimierung aus dem Maschinen- und Anlagenbau in das Brauwesen. Weiterhin kommen modernste Technologien und Verfahren zum Einsatz.  Ziel der kleinen Forschungsbrauerei ist es, zu einem Vorreiter in der Branche zu werden. Vorgestellt wurde der „DrinkTank“ vom Projektleiter und Doktorand am IPEM-Lehrstuhl Phillip Nettesheim.

Zu den Mitgliedern des entsprechenden Projekt-Arbeitskreises zählen auch das Forschungsinstitut Weihenstephan mit seinem Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie und die Krombacher Brauerei. Gebündelte Expertise und modernste Technologien werden so zusammengebracht, um nicht nur die Effizienz des gesamten Brauprozesses zu verbessern, sondern auch das Gebot einer verstärkten ökologischen Nachhaltigkeit fest im Blick haben. In der Region stärkt es die Tradition der Brauindustrie. Besucher*innen des Campus Buschhütten haben die Möglichkeit, das naturtrübe Landbier, das in der neu gegründeten Buschhütter Brauwerkstatt auf der Industrie 4.0-Referenzbrauanlage produziert wird, vor Ort zu verkosten.

KIRETT verbessert Erstversorgung bei Rettungseinsätzen

Leben retten mithilfe von künstlicher Intelligenz: Wissenschaftler der Universität Siegen haben im Rahmen des KIRETT-Projektes ein tragbares Gerät entwickelt, das bei Rettungseinsätzen praktische Handlungsempfehlungen zur Erstversorgung gibt.

Dieses Gerät hilft den Helfern: Im Rahmen des innovativen Projektes „KIRETT – Computerunterstützung durch künstliche Intelligenz bei Rettungseinsätzen zur Verbesserung der Erstversorgung“ konnten Forschende der Universität Siegen unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Roman Obermaisser neue Erkenntnisse für die Notfallmedizin gewinnen. Ziel des KIRETT-Projekts war es, zu erforschen, ob die Erstversorgung bei Rettungseinsätzen durch ein tragbares Gerät, ein sogenanntes Wearable, verbessert werden kann. Dieses erkennt Notfallsituationen wie Atemwegs-, Herz-Kreislauf- oder neurologische Komplikationen durch maschinelles Lernen und gibt dem Rettungspersonal mittels künstlicher Intelligenz klare Handlungsempfehlungen, wie es Patient*innen behandeln sollte.

Nach dreijähriger Laufzeit endet das Projekt nun – und die Ergebnisse sind überaus vielversprechend. KIRETT gehört zum Programm „Forschung für die zivile Sicherheit“ und wurde gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Initiative „KMU-innovativ“. „Die innovativen Techniken zur Situationserkennung und für Handlungsempfehlungen in einem energieeffizienten und zuverlässigen Wearable haben das Potential, die Erstversorgung in Rettungseinsätzen signifikant zu verbessern“, erklärt Prof. Roman Obermaisser.

Das Wearable vereint mehrere Funktionen während eines Rettungseinsatzes: Der KI-Algorithmus im Inneren des Gerätes nutzt alle bekannten Daten der Leitstelle, die manuellen Eingaben der Rettungskräfte, die mittels Fragebogen erhoben werden, und Vitaldaten der Patient*innen wie Sauerstoffsättigung und Herzfrequenz, die mittels Sensoren am Körper gemessen werden, um Prognosen zu erstellen und so die Effizienz und Qualität der Behandlung zu erhöhen. Der entwickelte Prototyp ermöglichte es den Rettungskräften, ihre volle Aufmerksamkeit auf den Notfallpatienten zu richten, indem er relevante Einsatzdaten automatisch im Behandlungsverlauf bereitstellte.

Besonders bei spezielleren, kritischen Einsatzlagen sollte die Versorgungssituation durch das Wearable optimiert werden: In einem Massenanfall von Verletzten-Szenario, bei dem viele Menschen gleichzeitig behandelt werden müssen, oder in seltenen Notfällen, wie etwa einem Schlangenbiss, können Unsicherheit, Erfahrungslücken, hohe Arbeitsanforderungen und Überforderung der Einsatzkräfte zu Verzögerungen führen. Besonders in diesen Einsätzen erhöht das Wearable die Sicherheit und spart wertvolle Zeit durch eine schnelle und gründliche Situationsanalyse.

Getestet und erprobt wurde das tragbare Gerät in verschiedensten Einsatzszenarien durch die Feuer- und Rettungswache Siegen. In die finale Bewertung flossen qualitative Interviews mit den beteiligten Rettungskräften sowie eine quantitative Befragung ein. Sowohl die Qualität der Situationserkennung als auch die kontextabhängigen Handlungsempfehlungen wurden dabei unter die Lupe genommen. Die lokalen Partner spielten eine tragende Rolle, indem sie wertvolles Feedback und Unterstützung lieferten.

Gewinne für die Zukunft des Rettungsdienstes

Die Ergebnisse des KIRETT-Projekts legen den Grundstein für eine nachhaltige Verbesserung der Notfallmedizin. Ziel ist es, die neu entwickelten Technologien in zukünftigen Projekten und Anwendungen zu optimieren. Besonders die Kombination aus tragbaren Geräten und künstlicher Intelligenz bietet großes Potenzial für die Weiterentwicklung der medizinischen Versorgung. Ein mögliches Einsatzgebiet des KIRETT-Wearables wäre die präklinische Versorgung in ländlichen Gebieten bei Rettungsszenarien. In Regionen, in denen der Zugang zu medizinischer Versorgung begrenzt ist, könnte das Wearable die Erstversorgung durch weniger erfahrenes Personal unterstützen und so die Überlebenschancen der Patienten erhöhen. Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse und Erfahrungen können zudem in die Weiterentwicklung von Ausbildungsprogrammen für Rettungskräfte einfließen.

Für Prof. Roman Obermaisser sind die beiden wichtigsten Errungenschaften des Wearables der neuartige KI-basierte Algorithmus zur Erkennung von Komplikationen und die geringe Inferenzzeit für die Krankheitsprognose: „Bei Rettungseinsätzen ist Zeit der kritischste Faktor, der bei begrenzter Datenverfügbarkeit zu berücksichtigen ist, und hier soll das KIRETT-Gerät mit seiner Innovation einen wichtigen Beitrag leisten“, betont er.

Projektpartner von KIRETT

An dem KIRETT-Projekt haben sich folgende Partner beteiligt: CRS Medical GmbH (Aßlar), mbeder GmbH (Siegen), der Lehrstuhl für Embedded Systems (Prof. Dr. Roman Obermaisser) sowie das Institut für Wissensbasierte Systeme und Wissensmanagement (Prof. Dr.-Ing. Madjid Fathi) der Universität Siegen. Die assoziierten Partner waren der Kreis Siegen-Wittgenstein, die Stadt Siegen, das Deutsche Rote Kreuz Siegen und das Jung-Stilling-Krankenhaus in Siegen. Die Gesamtzuwendung für das Projekt betrug 1,3 Millionen Euro.

Kontakt:

Prof. Dr.-Ing. Roman Obermaisser
E-Mail: Roman.Obermaisser@uni-siegen.de
Tel.: 0271 740-3332

Habeck informiert sich über Siegener Spitzentechnologie

Wirtschaftsminister Robert Habeck (Grüne) besuchte die Firma eleQtron in Siegen. eleQtron entwickelt und betreibt Quantencomputer und ist eine Ausgründung der Universität Siegen.

Ortstermin im Siegerland: Das bedeutete für Bundeswirtschaftsminister Robert Habeck die Kombination vom industriellem Traditionsunternehmen und forschungsbasiertem Startup. Habeck besuchte zuerst eine Feuerverzinkerei in Kreuztal und dann das Unternehmen eleQtron in Siegen.

eleQtron ist 2020 als Spin-off aus der Forschungsgruppe vom Lehrstuhl für Quantenoptik der Universität Siegen entstanden und mittlerweile zu einem Start-up mit mehr als 55 Experten aus 17 Nationen verteilt auf die zwei Standorte Siegen und Hamburg gewachsen. Die Gründer sind Prof. Christof Wunderlich, Dr. Michael Johanning, Prof. Martin Hill und Dr. Rainer Baumgart unterstützt vom Siegerlandsfonds der Sparkasse Siegen.

Quantentechnologie ist eine der großen Zukunftstechnologien weltweit.Habeck informierte sich über die wirtschaftliche Bedeutung, die die Quantentechnologie in den kommenden Jahren haben könnte und den innovativen Ansatz von eleQtron.

eleQtron arbeitet gemeinsam mit dem Jülich Supercomputing Centre (JSC) am Forschungszentrum Jülich an einem weltweit einzigartigen modularen Superrechner, der aus einem Quantenmodul und einem klassischen digitalen Modul besteht. Die Gründer und CEO Jan Leisse sprachen mit dem Wirtschaftsminister auch über die wichtige Frage der Finanzierung eines solchen Startups und die Bedeutung der Quantentechnologie für die technologische Souveränität des Standorts Deutschland.

Habecks Besuch zeige die hervorgehobene Bedeutung von eleQtron als Deutschlands erstem Quantencomputerhersteller und der Quantencomputerindustrie, freuten sich Wunderlich, Johanning und Leisse.

CERN wird 70 Jahre alt – Uni Siegen feiert mit

Das weltgrößte Teilchenphysik-Labor CERN feiert 70-jähriges Jubiläum. Zu diesem Anlass lädt das Department Physik der Universität Siegen Schüler*innen zu einem Thementag ein und richtet einen Poster- und Videowettbewerb aus. Der Hauptgewinn: eine Reise an das CERN Labor nach Genf.

Es ist das Epizentrum bahnbrechender Entdeckungen und gleichzeitig das größte Teilchenphysik-Laboratorium der Welt: In diesem Jahr feiert das Schweizer CERN in Genf sein 70-jähriges Bestehen. Anlässlich dieses Meilensteins feiert die Universität Siegen unter dem Motto CERN@70 mit.

Am Freitag, 20. September 2024, lädt das Center for Particle Physics Siegen des Departments Physik der Universität Siegen Schüler*innen der Oberstufe und ihre Lehrkräfte zu einem Thementag rund um das CERN und dessen Forschungshöhepunkte ein. Das Programm findet von 9 bis 12.30 Uhr im Hörsaal des Emmy-Noether-Campus ENC D-114 (Walter-Flex-Straße 3, Siegen) statt. Neben einer thematischen Einführung durch Prof. Dr. Alexander Lenz und Siegener Wissenschaftlern zu aktuellen Themen Elementarteilchenphysik wird es einen virtuellen Vortrag hochkarätiger CERN-Forscher geben.

Wem ein virtuelles Kennenlernen des Forschungslabors nicht reicht, für den hat das Department Physik eine besondere Überraschung: einen Poster- und Kurzvideowettbewerb für Schüler*innen der Oberstufe. Daran können Gruppen mit bis zu vier Schüler*innen teilnehmen und ein Thema des CERN-Forschungslabors präsentieren. Die Ergebnisse werden am Thementag im Hörsaal ab 9.15 Uhr gezeigt, die Siegerehrung findet gegen 12.15 Uhr statt. Als Hauptgewinn winkt für die Siegergruppe eine Reise zum CERN nach Genf inklusive Führungen durch das Labor. Darüber hinaus gibt es weitere spannende Preise zu gewinnen.

Die Teilnahme an CERN@70 an der Uni Siegen ist kostenlos – für gratis Getränke und Snacks ist gesorgt. Während der Veranstaltung werden außerdem Spiele für die Schüler*innen angeboten.

Fragen und Anmeldungen zum Wettbewerb nimmt Department-Sprecher Prof. Dr. Alexander Lenz per
E-Mail entgegen: alexander.lenz@uni-siegen.de.

Themenvorschläge des Departments Physik für Plakate oder Kurzvideos:

• CERNs Reise durch die Zeit: 70 Jahre wissenschaftliche Durchbrüche
• CERN im Jahr 2094: Wie wird die Zukunft der Teilchenphysik aussehen?
• Das größte Experiment der Welt: Ein Blick ins Innere des Large Hadron Colliders
• Die Geburt des Universums: Wie CERN den Urknall erforscht
• Antimaterie: Von Science-Fiction zur wissenschaftlichen Realität
• Das Rätsel der Dunklen Materie: Was wir bisher wissen
• Das Higgs-Boson: Der Schlüssel zum Verständnis der Masse
• CERN und das Internet: Wie die Teilchenphysik die Kommunikation revolutionierte
• Teilchenbeschleuniger: Von Grundlagenforschung zu medizinischen Behandlungen
• Frauen in der Teilchenphysik: Pionierinnen bei CERN
• CERNs globaler Einfluss: Wissenschaft ohne Grenzen

Weitere Informationen finden Sie hier.

Mit Satellitenbildern den Waldschäden auf der Spur

Raphael Brüggemann studiert Informatik mit Schwerpunkt Visual Computing an der Uni Siegen. In seiner Bachelorarbeit untersuchte er, ob Flächen mit Waldschäden durch spezielle Verfahren aus Satellitenbildern automatisch erkannt werden können – das hätte Vorteile für die Forstwirtschaft.

Landschaften verändern sich aufgrund des Klimawandels, was besonders in Form von Waldschäden sichtbar wird. Auf der Suche nach einem Thema für seine Bachelorarbeit nahm der 24-jährige Raphael Brüggemann, Informatikstudent an der Universität Siegen, die Kahlflächen unter die Lupe. Für seine Abschlussarbeit entwickelte er eine Methode zur automatischen Erkennung und grafischen Darstellung geschädigter Wälder. Dazu analysierte er Satellitenbilder von Lennestadt aus den Jahren 2018 bis 2022.

Professor Andreas Kolb, Inhaber des Lehrstuhls für Computergrafik und Multimediasysteme an der Universität Siegen, betreute die Bachelorarbeit persönlich: „Das Thema beschäftigt einen natürlich. Ich bin selbst mit den Hunden oft im Wald unterwegs und ich erinnere mich daran, wenn ich über eine kahle Fläche laufe, dass da früher mal 60 Jahre alte Nadelbäume standen“, betont er.

Für seine Studie wendete Brüggemann zwei Verfahren an: den k-Means-Algorithmus und neuronale Netze in Form von U-Nets. Beide Ansätze sind lernbasierte Analyseverfahren, die Satellitenbildpixel verschiedenen Farbgruppen zuordnen. Ziel war es, Grafiken zu erstellen, die die Landschaft in gesunde Waldflächen (grün), Kahlflächen (rot) und Infrastruktur (weiß) unterteilen.

Bei dem k-Means-Verfahren legte Brüggemann die Anzahl der Cluster und deren Zentren händisch fest. Bei U-Nets werden die Gruppen automatisch durch den Algorithmus erstellt. Die U-Nets-Methode erzielte eine sauberere Datenanalyse, da sie direkt ein Farbbild und eine Interpretation der Daten lieferte. „Ein U-Net ist ein spezielles neuronales Netzwerk, das eine U-förmige Struktur hat. Hierbei wird das Bild zuerst Schritt für Schritt verkleinert, um wichtige Merkmale zu erkennen, und dann wieder vergrößert, um das Bild in Bereiche gleicher Struktur aufzuteilen“, erklärt Kolb. Daher eigneten sich die U-Nets besser zur Lokalisierung der Schäden.

Diese Methode könnte in Zukunft für Waldbauern und Forstbetriebe nützlich sein: „Ich gehe davon aus, dass man das Verfahren in die Praxis übertragen kann. Für die U-Nets-Methode müsste man das Verfahren weiter automatisieren, um tagesaktuell sehen zu können, wie sich die Vegetation verändert“, erklärt Brüggemann. Im Idealfall könnten Forstbetriebe auf diese Weise sogar einschätzen, welche Pflanzenarten wo wachsen.

Informatik studieren an der Uni Siegen

Praxisnahe Themen wie dieses haben Raphael Brüggemann in seinem Informatikstudium an der Uni Siegen besonders begeistert: „Mein Höhepunkt war es, selbst Programmieren zu dürfen. Wir hatten dazu ein sehr spannendes Thema in Kooperation mit der Krombacher Brauerei“, berichtet der 24-Jährige. Ab dem dritten Semester wählen Informatik-Studierende eine von sechs Vertiefungen. „Spätestens ab dem Zeitpunkt ist der ganze Studiengang noch spannender!“, so Brüggemann.

Und was muss man für ein Informatikstudium mitbringen? „Ein Grundverständnis für Mathematik und Interesse an Informatik sollten natürlich vorhanden sein. Wenn man vorher schon mal programmiert hat, ist das auf jeden Fall von Vorteil. Wer sich für Computer begeistert, ist hier gut aufgehoben“, bringt es der Bachelorstudent auf den Punkt. Die Möglichkeiten nach dem Abschluss sind vielfältig: „Selbst nach den Vertiefungen können Sie jederzeit in eine andere Richtung gehen. Sie bleiben Informatiker – da gibt es keine Barrieren“, bestätigt Prof. Andreas Kolb und räumt gleichzeitig mit einem Klischee auf: „Man hat oft die Vorstellung, dass ein Informatiker den ganzen Tag im Keller vor dem Rechner sitzt und nie das Tageslicht sieht, aber das stimmt nicht: Informatik hat auch immer etwas mit Anwendungen zu tun. Man muss eng mit den Leuten kommunizieren, die diese Anwendungen benötigen“, betont er.

Infos zur Einschreibung

Aktuell läuft die Online-Einschreibung für alle Bachelor- und Masterstudiengänge. Bei der Wahl des richtigen Studiengangs steht die Zentrale Studienberatung allen Studieninteressierten zur Verfügung

Kontakt:
Prof. Andreas Kolb
Lehrstuhl für Computergrafik und Multimediasysteme
E-Mail: andreas.kolb@uni-siegen.de
Tel.: 0 271 / 740 – 2404

Siegener Gastwissenschaftler erhält Georg-Forster-Forschungspreis

Besondere Auszeichnung für Prof. Abdelhadi Soudi: Der Gastwissenschaftler am Zentrum für Sensorsysteme (ZESS) der Universität Siegen hat den Georg-Forster-Forschungspreis erhalten und wurde von Bundespräsident Frank-Walter Steinmeier empfangen.

Barrieren abbauen und Brücken schlagen – das ist das Ziel der Forschung von Prof. Abdelhadi Soudi. Der Gastforscher am Zentrum für Sensorsysteme (ZESS) der Universität Siegen wurde nun für seine wegweisende Arbeit mit dem renommierten Georg-Forster-Forschungspreis der Alexander von Humboldt-Stiftung ausgezeichnet.

Prof. Soudi, der hauptberuflich an der Ecole Nationale Supérieure des Mines de Rabat in Marokko tätig ist, nahm den mit 85.000 Euro (davon 25.000 Euro für die Uni Siegen) dotierten Preis im Humboldt Carré in Berlin entgegen. Besonderer Höhepunkt war der Empfang durch Bundespräsident Frank-Walter Steinmeier im Schloss Bellevue.

Am ZESS arbeitet Prof. Soudi eng mit der Forschungsgruppe von Prof. Kristof Van Laerhoven zusammen.
Ihre Arbeit konzentriert sich auf zwei Hauptbereiche: Das ist zum einen die Untersuchung des Potenzials von Large Language Models wie ChatGPT im Bereich der natürlichen Sprachverarbeitung mit Blick auf die maschinelle Übersetzung, Stimmungsanalyse und automatische Textvereinfachung. Und zum anderen die Entwicklung von Assistenztechnologien zur Verbesserung der Kommunikation zwischen hörenden Menschen und Gehörlosen, Schwerhörigen sowie Taubblinden. Ziel ist die Entwicklung eines integrierten Hardware-/Softwaresystems mit der Bezeichnung Accessible Translation Language Assistance Solution Technology (ATLAST), das es hörenden Nutzern ermöglicht, in ihrer Muttersprache mit einem Computer zu sprechen oder zu texten, während ein Nutzer einer Gebärdensprache die Gebärdensprache auf einem anderen Computerbildschirm empfängt.

Prof. Van Laerhoven betont: „Die Auszeichnung würdigt eine erfolgreiche, langfristige wissenschaftliche Zusammenarbeit, die ohne die ausgezeichneten institutionellen Rahmenbedingungen des ZESS nicht möglich gewesen wäre.“ Die Forschung habe sowohl soziale als auch wissenschaftliche Bedeutung. Sie ziele darauf ab, benachteiligten Gruppen die vollständige Integration in Bildung, Gesellschaft und Beruf zu erleichtern.

Hintergrund
Der Georg-Forster-Forschungspreis wird jährlich an international renommierte Wissenschaftler*innen aus Entwicklungs- und Schwellenländern in Anerkennung ihrer akademischen Leistungen verliehen. Der Forschungspreis ist nach dem deutschen Ethnologen Georg Forster (1754-1794) benannt und wird vom Bundesministerium für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung finanziert.