Die Technologie-Roadmap „Prozess-Sensoren 2015+", die im November 2009 veröffentlicht wurde, zeigt den hohen Bedarf an eine konsequente Weiterentwicklung und Verbesserung zu anforderungsgerechten Prozess-Sensoren aus Anwendersicht sehr genau auf (siehe dazu den Beitrag „Zielvorgaben - Der Innovationswettlauf für neue Prozesssensoren ist gestartet" in CITplus Ausgabe 4/2010, S. 44 ff). Was sich seit Veröffentlichung der überarbeiteten Technologie-Roadmap getan hat, will dieser Beitrag aufzeigen.

Die Roadmap liefert Perspektiven für Forschungs- und Entwicklungsförderung und gibt Ansätze für die Normungsarbeit. Sie sollte damit auch für Politik, Industrieverbände und Gremien interessant sein. Neben der technologischen Weiterentwicklung der Prozess-Sensoren darf auch die Erhöhung des Vertrauens in die komplexe Technologie von den Anwendern bis ins Management nicht vernachlässigt werden.
Was tut sich seit einem knappen Jahr nach Veröffentlichung der überarbeiteten Technologie-Roadmap? Wie wird diese Vision zur Mission? Wie kann die Umsetzung der dort zusammengestellten Entwicklungsziele von den Geräteherstellern wirtschaftlich und damit attraktiv für den Markt voranschreiten? Wie lassen sich außerdem Forschungsprojekte initiieren, wenn eine Weiterentwicklung bestehender Technologien nicht mehr allein ausreicht, sondern gemeinsam ein neues Messprinzip gefunden werden muss?

Roadmaps - Navigatgionssysteme für Forschung und Entwicklung
Längst haben sich Technologie-Roadmaps als nützliche Werkzeuge zur Früherkennung von technologischen, marktlichen, politischen und gesellschaftlichen Entwicklungen bewährt. Sie vereinen kommerzielles und technologisches Wissen und liefern eine „Straßenkarte" mit sinnvollen und lohnenden Wegen in die Zukunft. Neue Technologie hat die beste Chance, wenn die Wünsche der Anwender mit technologischen Möglichkeiten zusammengebracht werden. Da Forschungs- und Entwicklungsstrategien einen nicht unbeträchtlichen Vorlauf haben, ist es wichtig, rechtzeitig vorauszudenken und die vielversprechenden Wege zu kennen. Technologie-Roadmaps weisen den Weg zu jenen Entwicklungsprojekten, die sich an momentan bestehende Aufgaben anschließen.
Um den globalen Wettbewerbsvorteil zu sichern hat die Prozessindustrie mit ihren Unternehmen aus den Bereichen Chemie, Pharmazie, Petrochemie, Gasverarbeitung, Lebensmittel-, Zellstoff-, Papier-, Glas-, Stahl- und Zementherstellung sowie ihren Zulieferern den Einsatz zuverlässiger Prozessautomation für eine gute Prozessführung erkannt. Neben der Technologie-Roadmap „Prozess-Sensoren 2015+" sind weitere Roadmaps zum Themenkomplex Automation aktuell überarbeitet worden und neu erschienen, die dieses verdeutlichen: z. B. die VDI-VDE GMA Technologie-Roadmap „Automation 2020, Bedeutung und Entwicklung der Automation bis zum Jahr 2020" oder die Integrierte „Automation 2020+" des ZVEI (Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e. V.), die nun in zwei Teilen erschienen ist.

Wünsche der Anwender
Um die „tiefhängenden Früchte" der Technologiewünsche zu ernten, kommt man in Einzelfällen mit verfahrenstechnischen Anpassungen oder gerätetechnischen Weiterentwicklungen ein Stück weit voran - in der Regel innerhalb bilateraler Projekten zwischen Anwendern und Zulieferern für Prozess-Sensoren. Darüber hinaus müssen völlig neue Wege beschritten werden, die aufgrund des großen Neuigkeitsgrads grundlegend ansetzende Vorentwicklung und Forschung notwendig machen. Es kommt darauf an, diese Projekte rechtzeitig in der strategischen Entwicklung zu verankern.

Dringende Technologiewünsche ­erfordern weitsichtige Forschung und Entwicklung
Aus der Technologie-Roadmap „Prozess-Sensoren 2015+" greife ich drei dringende, übergreifende Technologiewünsche heraus, die im wesentlichen nur durch Forschungs- und Entwicklungsprojekte in enger Zusammenarbeit von Anwendern, Geräteherstellern und Forschung gestemmt werden können

-Online-Erfassung völlig neuer Messgrößen
-Bestimmung räumlich verteilter Prozessinformationen
-Online-Spurenanalytik („Online-ppb")

Besonders im Bereich Biotechnologie wird deutlich, dass es für die Online-Erfassung vieler neuer Messgrößen heute noch keine Prozess-Sensoren gibt: Hier besteht nicht nur ein Trend zu Bioprozessen für bisher konventionell chemisch hergestellte Produkte (Weiße Biotechnologie) mit einem hohen Bedarf nach einer prozesstauglichen Zielproteinanalyse sondern auch zu sogenannten „disposable Bioreaktoren", für die ebenso wie die Reaktoren dann auch die integrierten Prozess-Sensoren als Einwegsysteme ausgelegt werden müssen. Dieses fordert entweder eine drastische Verbilligung der Prozess-Sensoren, die Austauschbarkeit der medienberührenden Sensorteile oder ganz neue, nichtinvasive Sensortechnologien. Aber auch für klassische Messgrößen, wie z. B. Konzentrationen und Füllstände, existieren noch keine robusten Lösungen, wenn die technischen Einsatzbereiche anspruchsvoller werden.
Als einer der größten Entwicklungswünsche zeigt die Roadmap die Messung räumlich verteilter Prozessinformationen fast für alle Messgrößen auf. Die heute eingesetzten, punktuellen Messverfahren reichen für einen modernen, prozessanalytischen Ansatz nicht mehr aus, sondern müssen dazu in Verfahren umgewandelt werden, mit denen sich lineare, flächige oder in letzter Konsequenz sogar räumliche Strukturen eines Objektes abbilden lassen und tiefenaufgelöste Information zur Verfügung stehen. Mit der Umsetzung technologischer Lösungen entstehen gleichzeitig neue Fragen zur Systemintegration und Informationsverarbeitung, z. B. nach Entscheidungskriterien oder der Art der Visualisierung für den Anlagenfahrer. Der weitere Forschungs- und Entwicklungsbedarf geht damit über die Entwicklung der Sensortechnologie selbst noch weit hinaus.
Für viele Anwendungen wachsen die Anforderungen an die Prozess-Messtechnik gleichzeitig in zwei Richtungen: Die Erfassungsgrenzen werden niedriger und die zeitliche Auflösung immer kürzer. Mit dem Stichwort „Online-ppb" kann diese Anforderungen zur Online-Spurenanalytik recht gut charakterisiert werden. Der wachsende Bedarf ist im Bereich der Gasanalytik derzeit am deutlichsten zu beobachten, wo die Überwachung von Komponenten in Gasen mit immer niedrigeren Erfassungsgrenzen erforderlich ist. Die Messaufgabe stellt sich für Komponenten in der Raum- oder Betriebsluft oder Spuren von Sauerstoff in Inert-Prozessen sowie für technische Gase als Einsatzstoffe (z. B. Biogase, Gase für Brennstoffzellen), die Katalysatorgifte in kleinen Konzentrationen enthalten können. Daraus resultieren Forderungen nach Messbereichen bis in den niedrigen ppm- oder ppb-Bereich für einzelne Komponenten. Die heute marktgängigen Technologien wie z. B. elektrochemische Sensoren stoßen diesbezüglich schon jetzt an ihre Grenzen. Einige aktuelle Analyseverfahren sind erfreulicherweise bereits weit fortgeschritten, müssen aber konsequent weiter vorangebracht werden, wie z. B. Quantenkaskadenlaser für laserbasierte Analysatoren oder Miniaturisierungen, die das Überführen von Laboranwendungen in Prozessanwendungen erlauben.

Eine Zwischenbilanz
Die Thesen und Anforderungsblätter der Technologie-Roadmap „Prozess-Sensoren 2015+" bilden die Basis für neue Sensorsysteme und demonstrieren das große Innovationspotenzial in der Prozessindustrie und ihrer Zulieferer. Seit der Erstveröffentlichung sind mehr als 65 Fachveröffentlichungen und Präsentationen erschienen. Die Technologie-Roadmap hat damit bereits einen Innovationswettlauf gestartet. Nach Aussagen der beteiligten Gerätehersteller wurden im gleichen Zeitraum mehr als 15 Markteinführungen mit konkretem Bezug zur Roadmap sowie weitere Forschungs- und Entwicklungsprojekte in einem vergleichbaren Umfang initiiert. Dieses ist erfreulich, da eine Geräteentwicklung im Mittel 5 - 7 Jahre dauert. Der konkrete Bezug auf die Roadmap in der Forschungslandschaft, z. B. bei Fördereinrichtungen oder die Integration der Thematik in Forschung und Lehre sind derzeit nur schwer zu recherchieren und konkret zu belegen - sie sind aber enorm wichtig. Die Anwender haben mit den bestehenden prozessanalytischen Tools bereits heute gute Möglichkeiten, spezifischere Informationen über ihre Prozesse zu erlangen und diese für Prozessführung und Prozessoptimierung konsequent zu nutzen. Die dadurch optimierte Produktqualität wird sich in Form von reduzierten Herstellkosten und überlegenen Herstellverfahren lohnen.

Wie wird die Vision zur Mission?
Die Aussage „Wer Visionen hat, sollte zum Arzt gehen" des Altbundeskanzlers Helmut Schmidt (über Willy Brands Visionen im Bundestagswahlkampf 1980) wäre eine gravierende Fehleinschätzung bezüglich der ferner liegenden Technologiewünsche, die die Roadmap aufzeigt. Damit aus dieser Vision eine echte Mission für nutzbringende Forschungs- und Entwicklungsprojekte wird, muß man die Interessen von Anwendern, Geräteherstellern und der Forschung an dieser nur gemeinsam zu bewältigenden Aufgabe herausarbeiten und zusammenbringen.
Die Gerätehersteller haben wirtschaftliche Perspektiven zu berücksichtigen und sind auf marktgängige Produkte angewiesen. Sie haben heute weniger Zeit, um Entwicklungen gemeinsam mit Anwendern voranzutreiben. Sie haben den enormen globalen Wettbewerb sehr ernst zu nehmen und Marktperspektiven und -bedürftnisse zielsicher einzuschätzen, so dass fernliegende Entwicklungen besonders schwer fallen. Da schnelle Hersteller die Nase vorn haben, wurden immer wieder neue Standards geschaffen, um den Markt zu beeinflussen. Eine nachhaltige Perspektive wird von den Anwendern hier aber bevorzugt, und es wird gefordert, auf bestehende Technologien aufsetzen oder modulare Gerätekonzepte und Basisplattformen zu schaffen um sich auf die technologische Weiterentwicklung zu konzentrieren.
Das große Wissens- und Technologie­potenzial der Forschung, das an Universitäten und Forschungseinrichtungen beispielsweise auf den Gebieten chemische Analytik, Mikrosystemtechnik, Biotechnologie, Prozessmodellierung und vielen weiteren heute schon verfügbar ist, könnte viel konsequenter in die Entwicklung von Prozess-Sensoren einfließen. Hier leuchten viele, exzellente Leuchttürme - jedoch leider vielfach für sich allein. Forschungsperspektive und Forschungsbedarf müssen in anwendungsbezogenen Förderprojekten aussichtsreich und auf Augenhöhe zusammengebracht werden. Der Erfolg solcher Kooperationen ist immer dann beschieden, wenn Verwertungs- und Veröffentlichungsfragen sowie Regeln zur wissenschaftlichen Ethik von Beginn an deutlich formuliert werden und alle Partner dazu stehen.
Von den Anwendern, von denen die Vision zur Bereitstellung neuer Prozess-Sensoren ausgeht, wird natürlich eine hohe Bereitschaft zur Initiierung und Beteiligung an Entwicklungsprojekten erwartet. Besonders für Nischenanbieter von Prozessanalytik mit innovativen Produkten ist das schnell wachsende Vertrauen der Anwender wichtig - noch ehe es manches Startupunternehmen „erwischt". Die Anwender können dieses durch Vorantreiben zu mehr Prozessanalytik für Prozessführung und Prozessoptimierung begünstigen. Wie wichtig die daraus resultierenden Standortvorteile durch effiziente Anlagen und Verfahren sind, hat die zurückliegende Wirtschaftkrise bestätigt: Die Zeit wurde von den Unternehmen durch innere Restrukturierung, Intensivierung von Forschung und Entwicklung und einen Wettbewerbsvorsprung durch Beschäftigung mit Themen wie Umweltschutz oder Energieeffizienz sinnvoll genutzt. Nach der Krise ist vor der Krise?
Wenn sich die Exzellenz der Forschung und das lang akkumulierte Knowhow der Gerätehersteller und Anwender zu Forschungskonsortien auf Augenhöhe zusammentut und das gemeinsam vorangebrachte Wissen deutlich umrissen wird, kommen faire und gut durchdachte Technologietransferprojekte mit Sicherheit zum Erfolg!

Der Beitrag baasiert auf einem Übersichtsvortrag des Autors anläßlich der ProcessNet-Jahrestagung 2010 und der 28. Dechema-Jahrestagung der Biotechnologen in Aachen.

Veranstaltungen: Prozessanalytik und Automation
-"EuroPACT 2011, Second European Conference on Process Analytics and Control Technology", 27.-29. April 2011, Glasgow, UK, www.dechema.de/events/Tagungen/Europact+2011.html
-„Automation 2011, Der Automatisierungskongress in Deutschland", 28. und 29. Juni 2011 in Baden-Baden, www.vdi-wissensforum.de