Der Ausbau des Internets der Dinge (IoT), des Industriellen Internets der Dinge (IIoT) und der Industrie 4.0 schreitet weiter voran – gestützt durch unsere Fähigkeit, Daten immer präziser zu erfassen und zunehmend automatisierte Analysen durchzuführen. Dank der Fortschritte bei Software, Algorithmen und maschinellem Lernen sind heute Sensornetzwerke möglich, die einen Großteil der Zeit unabhängig voneinander laufen. Eine manuelle Eingabe ist nur dann erforderlich, wenn das System ein Problem erkennt und den Anwender benachrichtigt.

Diese hochentwickelten Sensornetzwerke und die damit verbundenen Datenverarbeitungsfunktionen können überall – von intelligenten Gebäuden (Smart Buildings) bis hin zur Fertigung – zum Einsatz kommen. Sie ermöglichen den Umgebungen oder Prozessen, sich automatisch zu optimieren, indem sie die Daten ihrer Sensoren analysieren und mit historischen Daten vergleichen. In vielen Branchen hat dieser Automatisierungsgrad zu erheblich effizienteren Abläufen geführt.

Bessere Sensoren als Herzstück des IoT

Im Mittelpunkt des IoT, IIoT und der Industrie 4.0 stehen die Sensoren, die Informationen sammeln. Hier könnte die Nanotechnologie einen erheblichen Beitrag leisten, indem sie die Messgenauigkeit dieser Sensoren erhöht. Software und Datenanalyse werden ständig weiterentwickelt, sodass Systeme für das höhere Datenaufkommen gerüstet sind, das sich aus präziseren Sensoren ergibt. Und je genauer das Auslesen der Daten erfolgt, desto genauer wird das gesamte vernetzte System.

2D-Materialien wie Graphen bieten eine große Oberfläche, um Veränderungen in der Umgebung präziser zu erfassen.

2D-Materialien wie Graphen bieten eine große Oberfläche, um Veränderungen in der Umgebung präziser zu erfassen. Adobe Stock 197713820, ollaweila

Die höhere Effizienz, die sich durch den Einsatz von Nanotechnologie in der Sensorik erzielen lässt, ist hinlänglich bekannt. Die kleinen Abmessungen, insbesondere bei 2D-Materialien wie Graphen, bieten eine große Oberfläche, um Veränderungen in der Umgebung präziser zu erfassen.

Natürlich gibt es viele Arten von Sensormechanismen. Einige Prinzipien arbeiten auf Distanz, andere nutzen Molekül-Absorption oder Reaktionen auf physikalische Veränderungen. Interessant ist, dass Nanomaterialien Eigenschaften besitzen, die diese Sensormechanismen effektiver machen. Dies kann durch die Messung entfernter optischer Veränderungen, das Adsorbieren von Atomen auf einer Oberfläche oder durch Komprimieren, Strecken oder Biegen erfolgen. Die Wahl der richtigen Nanomaterialien bedeutet, dass eine oder sogar jede dieser Optionen möglich sind.

Die erhöhte Empfindlichkeit dieser Materialien basiert auf ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit und Ladungsträgerbeweglichkeit. Wird etwas erkannt, verändert der Sensormechanismus die elektrische Leitfähigkeit des Nanomaterials, die sich schließlich messen lässt. Durch den Einsatz von Nanomaterialien mit besonders hoher Leitfähigkeit und Ladungsträgerbeweglichkeit lassen sich sehr empfindliche Sensoren herstellen, bei denen bereits kleinste Änderungen der Leitfähigkeit des Materials eine erkennbare Reaktion auslösen.

Einführung des IoNT

Die bereits genannten Bereiche des IoT und IIoT sind nicht die einzigen, in denen die Nanotechnologie eine Rolle spielen kann. Damit lässt sich auch ein physisches Netzwerk aufbauen, das den Datenaustausch über Komponenten ermöglicht, die auf Nanoebene kommunizieren. Dieses Konzept wird als IoNT (Internet of Nano Things) bezeichnet. Obwohl es in seiner Entwicklung noch nicht so ausgereift ist wie andere Aspekte des IoT, stößt es auf großes Interesse – vor allem in der Medizin- und Kommunikationstechnik. Mögliche Anwendungsfälle könnten in diesem Bereich beispielsweise entstehen, wenn eine Fernerkundung erforderlich ist oder bei der Messung von Punkten im menschlichen Körper.

Wie funktioniert das IoNT?

Das IoNT besteht aus mehreren Komponenten und kommuniziert auf zwei Wegen. Dies ist zum einen die molekulare Kommunikation, bei der Informationen in Molekülen codiert sind, und zum anderen die elektromagnetische Nanokommunikation, bei der Daten über elektromagnetische Wellen übertragen werden. Die Komponenten selbst lassen sich in vier große Kategorien unterteilen, die zum Informationstransfer beitragen: Nanoknoten, Nanorouter, Nano-Mikroschnittstellen und Gateways.

Nanoknoten sind die kleinste und einfachste Komponente und gelten als grundlegende Nanomaschinen. Diese können Daten übertragen und rudimentäre Berechnungen durchführen. Aufgrund ihrer geringen Größe und Energiebeschränkung verfügen sie jedoch nur über wenig Speicherplatz und sind nur in begrenztem Umfang in der Lage, Daten zu übertragen. Ein Nanoknoten lässt sich allerdings an einem bestimmten Ort platzieren und seine Daten lassen sich an einen nahegelegenen Nanorouter senden, der diese dann über eine größere Entfernung überträgt. Dadurch lassen sich Nanoknoten häufig als Sensorkomponenten des Systems verwenden.

Der Nanorouter ist eine wesentlich leistungsfähigere Nanomaschine, die die Daten mehrerer Nanoknoten zusammenfasst, die Austauschbefehle zwischen diesen Knoten steuert und die Daten an eine Nano-Mikroschnittstelle überträgt. Die Schnittstelle wiederum sammelt Daten von mehreren Nanoroutern und sendet diese über Nanokommunikation und/oder bekannte Netzwerkprotokolle an die Mikroanalyse. Schließlich bildet das Gateway die Steuerung für das Gesamtsystem und ermöglicht den Zugriff auf die Informationen über das Internet.

Nanotechnologie hat eine große Zukunft

Mit dem fortschreitenden Wachstum des IoT, IIoT und der Industrie 4.0 wird ein Punkt erreicht, an dem die Datenerfassung präziser sein und die Informationsübertragung über wesentlich kleinere Architekturen erfolgen muss als bisher. An diesem Punkt wird es zu einer sehr hohen Nachfrage nach Nanotechnologie- und IoNT-Lösungen kommen, die dann ihren Weg in die kommerzielle Umsetzung finden. Die Vorarbeit von Entwicklern auf der ganzen Welt wird dazu beitragen, dass die Technologie bereitsteht, den zu erwartenden hohen Bedarf zu decken.