Wasser ist nicht nur überlebenswichtig für unseren Organismus, sondern spielt auch in unterschiedlichsten Abläufen des Alltags eine tragende Rolle – ob in den eigenen vier Wänden oder in der Industrie. Der Wasserverbrauch steigt tendenziell immer weiter, gleichzeitig ist die wertvolle nasse Ressource nicht unerschöpflich. Umso wichtiger ist es, Gebrauchs- und Abwässer aufzubereiten und wiederzuverwenden. Eine gute Möglichkeit dazu bieten keramische Membranen: Da sie auf mechanische Art und Weise trennen – also ähnlich wie ein Kaffeefilter – sind sie besonders energieeffizient. Allerdings war mit dieser Methode bisher bei einer Molekülgröße von 450 Dalton Schluss.

Erstmalig 200 Dalton kleine Moleküle abtrennbar

Forschende des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS haben diese Grenze jetzt ein gutes Stück weit verschoben: Das Team um Dr. Hannes Richter, Petra Puhlfürß und Dr. Ingolf Voigt erreicht mit der von ihnen entwickelten Nanofiltrationsmembran eine molekulare Trenngrenze von 200 Dalton – und erzielt damit eine ganz neue Qualität bei der Abwasseraufbereitung. Auch in industriellen Produktionsprozessen bringen die neuartigen keramischen Membranen Vorteile: Mit ihnen lassen sich Teilströme direkt im Prozess reinigen und das gereinigte Wasser lässt sich im Kreislauf führen – das spart Wasser und Energie. »Die Herausforderung bei der Entwicklung lag darin, eine Membran mit so kleinen Poren herzustellen, dass auch winzigste Moleküle zuverlässig abgetrennt werden können. Dabei müssen alle Poren möglichst gleich groß sein, da eine einzelne größere Öffnung ausreicht, um Moleküle hindurchrutschen zu lassen. Über eine Weiterentwicklung der Sol-Gel-Technik ist uns dies gelungen«, sagt Dr. Hannes Richter, Abteilungsleiter am Fraunhofer IKTS.

Transfer vom Labor in die Praxis

Die zweite Hürde lag darin, solche Membranschichten defektfrei über größere Flächen herzustellen. Während üblicherweise nur wenige Quadratzentimeter große Flächen beschichtet werden, haben die Dresdner für ihre Neuentwicklung eine Pilotanlage mit einer Membranfläche von 234 m² ausgerüstet. Diese Anlage wurde im Auftrag von Shell von der Firma Andreas Junghans – Anlagenbau und Edelstahlbearbeitung GmbH & Co. KG in Frankenberg gebaut und steht im kanadischen Alberta. Hier reinigt sie seit 2016 erfolgreich Abwasser, das bei der Förderung von Öl aus Ölsand verwendet wird. Derzeit planen die Forschenden eine erste Produktionsanlage mit einer Membranfläche von mehr als 5000 m². Die Jury des Joseph-von-Fraunhofer-Preises würdigte die erstmalige Umsetzung für Filtrationsanwendungen im Rahmen dieser Materialklasse mit der begehrten Auszeichnung.

Sprachqualität wie von Angesicht zu Angesicht

In einer völlig anderen Kategorie konnte dieses Jahr noch ein weiteres Forschungsteam aus einem Fraunhofer-Mikroelektronik-Institut punkten: Markus Multrus, Dr. Guillaume Fuchs und Stefan Döhla vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS haben mit einem großen Team von rund 50 Mitarbeitenden einen neuen Codec entwickelt, der die Sprachqualität beim mobilen Telefonieren deutlich verbessern soll. Zwar können sich moderne Smartphones heute in punkto Funktionalität schon fast mit einem PC messen – doch die Sprachübertragung blieb bei diesen Innovationssprüngen bislang außen vor und ist noch immer auf dem Stand von vor einigen Jahren. Der neue Standard Enhanced Voice Services, kurz EVS, soll das nun ändern: Statt dumpf und verzerrt hört man mit der neuen Technologie die Stimme des Telefonpartners so klar und natürlich wie im Gespräch von Angesicht zu Angesicht. Angestoßen und entwickelt wurde der Codec vom internationalen Gremium für Mobilfunkstandardisierung 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Ein großes Team des Fraunhofer IIS in Erlangen war an dem Vorhaben maßgeblich beteiligt. Die Anforderungen an einen solchen Standard sind hoch. Die Grundvoraussetzung besteht zunächst einmal darin, Sprache in guter Qualität zu übertragen – und zwar bei niedrigen Datenraten, so dass die Übertragung wirtschaftlich bleibt. Zudem sollte der Codec robust gegenüber Fehlern bei der Übertragung sein, damit das Gespräch bei schlechten Empfangsbedingungen nicht unterbrochen wird. Weiterhin sollte der Codec auch mit anderen Signalen gut auskommen – und etwa Musik in Warteschleifen in guter Klangqualität übertragen. Das ist jedoch alles andere als einfach, schließlich sind Sprach- und Audiocodierung zwei verschiedene Welten. Daher analysiert der Codec alle 20 ms, ob gerade Sprache oder Musik übertragen wird – und verwendet die jeweils passenden Algorithmen.

Übertragung des gesamten hörbaren Frequenzspektrums

Doch worin genau besteht nun der technische Unterschied zwischen den bisherigen Codecs und EVS? »Das menschliche Ohr nimmt Frequenzen bis ca. 20 kHz wahr«, erläutert Guillaume Fuchs, der die wissenschaftliche Entwicklung von EVS am Fraunhofer IIS vorangetrieben hat. »Der bisherige Codec übermittelt allerdings nur Tonsignale in einem Frequenzbereich bis 3,4 kHz – der Bereich zwischen 3,4 und 20 kHz wird schlichtweg abgeschnitten. Daher klingt die Stimme dumpf. Der neue Codec überträgt je nach Bitrate Frequenzen bis 16 bzw. bis 20 kHz.« Kurzum: Der Codec umfasst das komplette hörbare Frequenzspektrum – bei Datenraten, die mit bisherigen Mobilfunkcodecs vergleichbar sind.

Kein Unterschied zur natürlichen Sprache

In zahlreichen Hörtests wurde der Codec weltweit von mehreren Tausend Testpersonen bewertet. Das Ergebnis: Die Hörer beurteilten den neuen Standard signifikant besser als die bisherigen Verfahren. Mittlerweile ist der Codec in 3GPP standardisiert, Schätzungen zufolge sind bereits 50 bis 100 Mio. Geräte mit EVS ausgerüstet, unter anderem in Japan, Korea, den USA und Deutschland. Mit diesem Erfolg überzeugten die Erlanger Forscher auch die Jury des Joseph-von-Fraunhofer-Preises: Sie begründete die Preisvergabe unter anderem mit »dem weltweiten Einsatz und den hohen zu erwartenden Lizenzeinnahmen«.

Seit 1978 verleiht die Fraunhofer-Gesellschaft jährlich die »Joseph-von-Fraunhofer-Preise« für herausragende wissenschaftliche Leistungen ihrer Forscherinnen und Forscher, die anwendungsnahe Probleme lösen. In diesem Jahr wurden vier jeweils mit 50 000 € dotierte Preise vergeben.