Technik im Fokus – serie

Was ist Kernenergie? Wie funktionieren Kernkraftwerke? Welchen Beitrag zur Energieversorgung liefern sie,  und was sind dabei die Risiken? Antworten auf diese und weitere Fragen geben die Autorinnen und Autoren in dem kompakten und gut verständlichen Buch. Neben der Darstellung der physikalischen und technischen Grundlagen behandeln sie die Themen Sicherheit, Entsorgung und nukleare Nichtverbreitung. Das Buch bietet so die Möglichkeit, die aktuellen Entwicklungen nach der Reaktorkatastrophe von Fukushima zu verstehen.

Aus welchen Werkstoffen bestehen die Computer der Zukunft? Wie wird Stahl maßgeschneidert?  Warum nutzen wir immer noch Holz als Werkstoff? Diese und ähnliche Fragen beantwortet das vorliegende Buch. Bauteile, Maschinen oder medizintechnische Produkte müssen aus geeigneten Werkstoffen gefertigt werden. Nur so ist ihre Funktionalität und Qualität gegeben, nur so sind Sicherheit, Zuverlässigkeit und Umweltverträglichkeit gewährleistet. Ergebnisse der Materialforschung tragen bei zur Lösung drängender Zukunftsfragen in Bedarfsfeldern wie Energie, Kommunikation und Mobilität. Dieses kompakte und allgemein verständliche Buch gibt einen Überblick über die Grundlagen und Anwendungen wichtiger Werkstoffe anhand aktueller Beispiele. Es zeigt auf, dass Werkstoffe unverzichtbare Innovationsmotoren für die Industrie sind.

Warum ist Wasserstoff ein Energieträger? Wie funktionieren Brennstoffzellen? Wie setzen wir Wasserstoff in den künftigen Fahrzeugen ein? Wie sicher ist die Technik?Das kompakte Buch beschreibt verständlich die physikalischen und chemischen Grundlagen der Wasserstofftechnologie und erläutert die zu erwartenden technischen Lösungen. Es stellt die Probleme dar und ermöglicht, die Anstrengungen von Industrie und Forschung zur breiten Einführung dieser Technik besser zu verstehen.Die Autoren erklären anschaulich die Funktionsweise der wichtigsten Komponenten in der Wandlungskette vom regenerativen Strom zum Fahrzeugantrieb und zeigen deren technische Entwicklungspotenziale auf. Unter Berücksichtigung der Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit bewerten sie die mit dem Energieträger Wasserstoff realisierbare Nachhaltigkeit des Energiekreislaufs.

Seit wann kennt man Keramikerzeugnisse? Warum verhalten sich Keramikwerkstoffe im Vergleich zu anderen Werkstoffen völlig anders? Was macht sie so besonders? Wie stellt man sie her? Welche modernen Anwendungen gibt es?Die Autorin gibt Antworten auf diese und weitere Fragen zu einem alten und doch hochmodernen Werkstoff. Sie beschreibt gut verständlich die physikalisch-chemischen Grundlagen, welche die Andersartigkeit von Keramik in Herstellung und Eigenschaften erklären. Und sie geht auf die vielfältigen Anwendungsbereiche ein, sei es in traditionellen Gebieten oder in modernen Anwendungen wie als Katalysatorträger, Dieselpartikelfilter oder in der Energiespeicherung.

Dieses Buch öffnet Ihnen die Augen, wie Künstliche Intelligenz die Automobilindustrie nachhaltig disrumpieren wird. Um diese Disruption zu meistern, müssen Automobilhersteller das volle Potential aus ihren Daten schöpfen, und in der Lage sein, täglich neue Dienste an ihre Kunden auszuspielen. Dieses Buch zeigt die dazu notwendigen Transformationen auf: Vom Aufbau einer tragfähigen Vision bis hin zur technologischen und organisatorischen Umsetzung im Unternehmen. Auf dieser Basis können sich die Automobilhersteller vom Blechbieger zum Techgiganten transformieren. In über 100 Fallbeispielen entlang der automobilen Wertschöpfungskette wird aufgezeigt, wo Künstliche Intelligenz einen Mehrwert liefern kann. Auf das autonome Fahren als wichtiger Enabler wird eingegangen sowie auf die wichtigsten Verfahren der Künstlichen Intelligenz, die für die Automobilindustrie relevant sind. Das Buch richtet sich an Entscheider in der Automobilindustrie, Studierende, Dozenten und alle, diesich ein Bild über eine der vielleicht größten industriellen Transformationen dieses Jahrhunderts machen möchten.

Wie funktioniert Photovoltaik? Welche Arten von Solarzellen gibt es? Wie wirtschaftlich sind Photovoltaikanlagen? Wie sieht die zukünftige Entwicklung aus?Das kompakte Buch vermittelt fundiertes Orientierungswissen über Funktionsweise, Anwendung und Grenzen der Photovoltaik. Es eignet sich für einen schnellen Einstieg in die Problematik und ermöglicht eine Einordnung unterschiedlicher Technologien und Anlagenvarianten.Die Autoren erklären anschaulich die wichtigsten Eigenschaften der Sonnenstrahlung und vermitteln die prinzipielle Funktionsweise einer Solarzelle. Sie gehen auf die wesentlichen Unterschiede heutiger und zukünftiger Technologien von Solarzellen ein.In der 2. Auflage gehen die Autoren auf die aktuellen Entwicklungen des EEG ein und stellen die Wirtschaftlichkeit unterschiedlicher Anlagenkonzepte mit und ohne Förderung anhand praxisnaher Beispiele dar.

Was ist Mikrosystemtechnik? Welche Rolle spielt sie in Technik und Wirtschaft? Welche Produkte gibt es? Wie stellt man sie her? Mikrosysteme werden heute erfolgreich in vielen Anwendungsfeldern eingesetzt:  von der Fahrzeugtechnik über die Biomedizintechnik und Kommunikationstechnik bis zum Umweltschutz. Es sind kleine Produkte mit großer Wirkung: die einzelnen Komponenten können einige Mikrometer groß sein, die ganzen Systeme meist einige Millimeter.  Der Autor beschreibt die technische Entwicklung der Mikrosystemtechnik und erläutert an Hand typischer Anwendungen ihre Bauweise, Funktion und Herstellung.  Und er geht auf die zukünftigen Trends dieser Schlüsseltechnologie ein.

Das 3D-Drucken entwickelt sich rasant. Längst ist der 3D-Druck für Interessierte eine Fertigungs-Technologie, die sie selbst nutzen möchten. Doch welche Möglichkeiten bietet 3D-Druck? Welche neuen Entwicklungen gibt es? Wie hat sich 3D-Druck etabliert? Was ist in den letzten Jahren selbstverständlich geworden? Was ist verbessert worden?Mit der zweiten, überarbeiteten und aktualisierten Auflage beantwortet die Autorin diese Fragen. Die 3D-Druck-Technologie wird – auch für Nicht-Techniker – verständlich  erklärt. Hinweise auf kostenlose 3D-CAD-Software-Programme und weiterführende Literatur laden dazu ein, das Gelesene zu vertiefen und selbst anzuwenden.

Computer umgeben uns heute in fast allen Lebensbereichen. Sie erleichtern uns nicht nur als PC oder Laptop die Arbeit, sondern sind auch eingebettet in zahlreiche Objekte unseres täglichen Lebens – vom Auto bis zur Waschmaschine. Doch wie funktionieren moderne Rechner eigentlich? Und wie werden diese hochkomplexen, aus Milliarden Komponenten bestehenden Geräte entworfen?Das Buch erklärt auf verständliche, informative und unterhaltsame Weise den Aufbau und die Funktionsweise heutiger Computersysteme. Einzelne inhaltliche Abschnitte werden durch Links zu Videos ergänzt, in denen Professor Rolf Drechsler relevante Themen prägnant und pointiert vorstellt.

Die Künstliche Photosynthese ist ein vielversprechender Ansatz für die nachhaltige, CO2-neutrale Produktion von Brenn- und Wertstoffen. Ihr Vorbild ist die biologische Photosynthese, über die Pflanzen aus Licht, Luft und Wasser die meisten Bausteine für den Energie- und Stoffkreislauf des Lebens gewinnen.Weltweit arbeiten heute Forscherinnen und Forscher an der Entwicklung von Verfahren, bei denen die Energie des Sonnenlichts für die Produktion von Brennstoffen wie Wasserstoff und Methanol oder für die Synthese von Kunststoffen genutzt wird.Das Buch beschreibt Motivationen, Grundlagen und Visionen zur Künstlichen Photosynthese in Wissenschaft, Kunst und Gesellschaft. Aktuelle Forschungsthemen, Pilotprojekte und mögliche Hürden für die Umsetzung im Kontext der Energiewende werden vorgestellt und bewertet.

Ein Material, das uns als Rubin oder Saphir verzaubert und in Uhren oder Lasern angewendet wird.Ein Material, das uns in Form von Implantaten ein besseres Leben ermöglicht.Ein Material, das mit seiner Härte und Wärmebeständigkeit unersetzliche technische Dienste leistet. Ein faszinierendes Material. Sein Name ist Aluminiumoxid.Im vorliegenden Buch finden Sie viele spannende und oft erstaunliche Informationen über dieses außergewöhnliche Material. Zuerst werden die notwendigen Fakten über den Stoff Aluminiumoxid genannt. Danach wird die Welt der Edelsteine Rubin und Saphir beschrieben. Und schließlich wird die Welt der Tonerde sowie der technischen Keramik beleuchtet.

Jeder kennt sie. Smartphones, die mit uns sprechen, Armbanduhren, die unsere Gesundheitsdaten aufzeichnen, Arbeitsabläufe, die sich automatisch organisieren, Autos, Flugzeuge und Drohnen, die sich selber steuern, Verkehrs- und Energiesysteme mit autonomer Logistik oder Roboter, die ferne Planeten erkunden, sind technische Beispiele einer vernetzten Welt intelligenter Systeme. Machine Learning verändert unsere Zivilisation dramatisch. Wir verlassen uns immer mehr auf effiziente Algorithmen, weil die Komplexität unserer zivilisatorischen Infrastruktur sonst nicht zu bewältigen ist. Aber wie sicher sind KI-Algorithmen? Diese Herausforderung wird in der 2.Auflage aufgegriffen:  Komplexe neuronale Netze werden mit riesigen Datenmengen (Big Data) gefüttert und trainiert. Die Anzahl der dazu notwenigen Parameter explodiert exponentiell. Niemand weiß genau, was sich in diesen „Black Boxes“ im Einzelnen abspielt. Im Machine Learning benötigen wir mehr Erklärung (explainability) und Zurechnung (accountability) von Ursachen und Wirkungen, um ethische und rechtliche Fragen der Verantwortung (z.B. beim autonomen Fahren oder in der Medizin) entscheiden zu können!  Seit ihrer Entstehung ist die KI-Forschung mit großen Visionen über die Zukunft der Menschheit verbunden. Sie ist bereits eine Schlüsseltechnologie, die den globalen Wettstreit der Gesellschaftssysteme entscheiden wird. „Künstliche Intelligenz und Verantwortung“ ist eine weitere zentrale Ergänzung der 2. Auflage: Wie sollen wir unsere individuellen Freiheitsrechte in der KI-Welt sichern? Dieses Buch ist ein Plädoyer für Technikgestaltung: KI muss sich als Dienstleistung in der Gesellschaft bewähren.

Was ist Energie? Wie sieht die Energieversorgung in Zukunft aus? Das kompakte Buch vermittelt die technischen, ökologischen und gesellschaftlichen Herausforderungen an ein zukunftsfähiges Energiesystem. Verständlich geschrieben, ermöglicht es einen fundierten Einstieg in Energietechnik und Energiepolitik.  Die vollständig überarbeite und neu strukturierte zweite Auflage nimmt die aktuellen politischen und technischen Entwicklungen auf. Ausführlich wird in die wichtigen Bereiche der Sektorenkopplung und saisonalen Energiespeicherung eingeführt. Ein Ausblick auf unser Energiesystem im Jahr 2050 schließt das Buch ab.

Faszination Satellitennavigation – welche Rolle spielt sie im täglichen Leben? Wie funktioniert diese Technik? Was wäre, wenn GPS abgeschaltet würde? Und wie steht es um das europäische Galileo-System?In den vergangenen 20 Jahren hat sich die Satellitennavigation von einer anfangs rein militärischen Technologie hin zur vollkommen selbstverständlich genutzten Alltagstechnik entwickelt. Die Bandbreite reicht vom Navigationsgerät im Auto über Smartphones und kleine Empfänger für Outdoorsportler bis hin zu hochgenauen Spezialgeräten zum Zwecke der Landvermessung. Der Autor erläutert die im Prinzip sehr einfache Funktionsweise, welche jedoch in der konkreten Umsetzung modernste Methoden der Nachrichten- und Elektrotechnik, der Geographie und der Physik erfordert.  In der zweiten Auflage wird verstärkt auf das europäische Galileo-System eingegangen und dessen aktueller Ausbaustand beschrieben.

Welchen Beitrag kann die Solarthermie zur Energiewende leisten? Was kostet Solarwärme und und wo sind ihre Grenzen?Nach einem kurzen Überblick über die Möglichkeiten regenerativer Wärmeversorgung führen die Autoren in die physikalischen Grundlagen der Solarstrahlung und der Strahlungswandlung ein. Dann erläutern sie die Funktionsweise der Solarkollektoren und der wichtigsten anlagentechnischen Komponenten anhand zahlreicher Abbildungen.Weitere Kapitel beleuchten die Einsatzmöglichkeiten und auch die Wirtschaftlichkeit solarthermischer Anlagen - von der Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung bis hin zur Kühlung und zur Stromerzeugung.Das Buch vermittelt auch dem Laien einen guten Einstieg in diese wichtige und beim Umbau des Energiesystems unverzichtbare Technologie.

Das Buch vermittelt das Konzept einer globalen, virtuellen Universität in Kombination mit neuen Erkenntnissen aus der Lernforschung. Hierbei werden mithilfe von künstlicher Intelligenz bewegungsorientierte, virtuelle 3-D-Bilder eingebunden. Dadurch wird die Lernbereitschaft und damit auch die Kreativität des Einzelnen angeregt. So werden bereits heute Schweißer in Großunternehmen mittels Datenbrille und intelligenter Avatare ausgebildet. Über eine virtuelle Universität lassen sich Forschungsprojekte initiieren und koordinieren. Problemlösungen lassen sich mit der Verwendung von Avataren in virtuellen Hörsälen erarbeiten. Die Zertifizierung erfolgt nicht mehr über das Abfragen von Wissensinhalten, sondern über die Fähigkeit Probleme zu lösen.Weitere wichtige Aspekte einer virtuellen Universität sind, im Vergleich zu den klassischen Universitäten, die geringen Kosten, die Möglichkeit bei der Entwicklung des Contents die besten Wissenschaftler zu beteiligen sowie die immer mehr um sich greifende Sekundär- und Tertiärforschung.Eine virtuelle Universität bietet die Chance der Emanzipation gesellschaftlicher Praxis von Wissenschaft durch Wissenschaft und Immunisierung gesellschaftlich geltende Ideologien und Interessenstandpunkte gegen wissenschaftliche Aufklärungsansprüche.

Everybody knows them. Smartphones that talk to us, wristwatches that record our health data, workflows that organize themselves automatically, cars, airplanes and drones that control themselves, traffic and energy systems with autonomous logistics or robots that explore distant planets are technical examples of a networked world of intelligent systems. Machine learning is dramatically changing our civilization. We rely more and more on efficient algorithms, because otherwise we will not be able to cope with the complexity of our civilizing infrastructure. But how secure are AI algorithms? This challenge is taken up in the 2nd edition:  Complex neural networks are fed and trained with huge amounts of data (big data). The number of necessary parameters explodes exponentially. Nobody knows exactly what is going on in these "black boxes". In machine learning we need more explainability and accountability of causes and effects in order to be able to decide ethicaland legal questions of responsibility (e.g. in autonomous driving or medicine)! Besides causal learning, we also analyze procedures of tests and verification to get certified AI-programs.  Since its inception, AI research has been associated with great visions of the future of mankind. It is already a key technology that will decide the global competition of social systems. "Artificial Intelligence and Responsibility" is another central supplement to the 2nd edition: How should we secure our individual liberty rights in the AI world? This book is a plea for technology design: AI must prove itself as a service in society.

Was ist Glas? Wie wird es hergestellt? Wo wird Glas eingesetzt?  Hat Glas eine Zukunft? Die Autoren sind Experten ihres Faches. Trotzdem gelingt es ihnen, informativ und doch unterhaltsam Antworten auf diese Fragen zu geben. An ausgewählten Beispielen erläutern sie die vielfältigen Anwendungen von Glas. Und sie vermitteln, wie die physikalischen und chemischen Eigenschaften dieses Werkstoffes zur Entwicklung technischer, industriell gefertigter Produkte führen. So ermöglicht etwa die bis ins Extrem gesteigerte Lichtdurchlässigkeit einer Glasfaser die heutige Telekommunikation und das Internet. Besonders dünnes Glas, das zusätzlich verfestigt ist, wird für Bildschirme von Fernsehern, Laptops und Mobiltelefonen eingesetzt, Glaswerkstoffe mit thermischer Nullausdehnung sind der Werkstoff der Wahl für Teleskopspiegelträger und Kochflächen.

Die Bahn ist komplex – aber kann sie nicht auch pünktlich sein?Müssen technische Systeme immer komplexer werden? Und wie können wir sie trotzdem beherrschen? Auf anschauliche Weise geht der Autor diesen Fragen nach. Er untersucht zahlreiche Modelle aus Natur und Technik und erläutert, worin deren Komplexität besteht. Die Tendenz großer Systeme, einen Zustand am Rande der Instabilität einzunehmen, wird ebenso erörtert wie die Mittel, dem entgegenzuwirken. Detailliert behandelt der Autor komplexe Netzwerke und schlägt dabei den Bogen zu realen Energie- und Verkehrsnetzen wie auch zum alltäglichen Chaos. Mit zahlreichen Abbildungen versehen, erlaubt das unterhaltsame Buch einen Einstieg in das Thema Komplexität und vermittelt Denkanstöße für eine vertiefte Beschäftigung.

Wie kann man Ressourcen optimal nutzen? Wie finde ich die richtige Lösung für ein kompliziertes Problem? Wie erreiche ich mit geringstem Aufwand mein Ziel?Ohne mathematische Formeln zu bemühen, geht der Autor diesen und anderen Fragen der Optimierung komplexer Systeme auf den Grund. Die betrachteten Anwendungsfälle reichen von Ablaufplanungen über den Aufbau eines Energienetzes und anderer technischer Strukturen bis hin zu Fragen des täglichen Lebens – wie dem leidigen Kofferpacken oder frustrierten Beziehungen.Leicht verständlich und gut illustriert werden effiziente Herangehensweisen an die verschiedensten Optimierungsprobleme beschrieben und zahlreiche Algorithmen zu ihrer Lösung vorgestellt. Auf fast spielerische Weise betrachtet der Autor von einem einheitlichen Standpunkt aus kombinatorische wie kontinuierliche Optimierungsfragen und schlägt zum Schluss einen Bogen zur philosophischen Betrachtung über die Schönheit unserer Welt.

Künstliche Intelligenz ist eine Schlüsseltechnologie, mit der sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie große Erwartungen verbunden sind. In diesem Buch werden sowohl die Perspektiven als auch die Grenzen dieser Technologie diskutiert. Das betrifft die praktischen, theoretischen und konzeptionellen Herausforderungen, denen sich die KI stellen muss. In einer Frühphase standen in der KI Expertensysteme im Vordergrund, bei denen mit Hilfe symbolischer Datenverarbeitung regelbasiertes Wissen verarbeitet wurde. Heute wird die KI von statistik-basierten Methoden im Bereich des maschinellen Lernens beherrscht. Diese subsymbolische KI wird an den Lehren, die aus der Frühphase der KI gezogen werden können, gemessen. Als Ergebnis wird vor allem für eine hybride KI argumentiert, die die Potentiale beider Ansätze zur Entfaltung bringen kann.

Artificial intelligence is a key technology with great expectations in science, industry, and everyday life. This book discusses both the perspectives and the limitations of this technology. This concerns the practical, theoretical, and conceptual challenges that AI has to face. In an early phase of symbolic AI, AI focused on formal programs (e.g., expert systems), in which rule-based knowledge was processed with the help of symbolic logic. Today, AI is dominated by statistics-based machine learning methods and Big Data. While this sub-symbolic AI is extremely successful (e.g., chatbots like ChatGPT), it is often not transparent. The book argues for explainable and reliable AI, in which the logical and mathematical foundations of AI-algorithms become understandable and verifiable.

Dieses kompakte Buch bietet eine verständliche Einführung in die Regelungstechnik und zeigt die praktische Anwendung ingenieurwissenschaftlicher Methoden. Mathematik dient dabei als Werkzeug, um gute und optimale Regelungen auszulegen. Ohne tief in mathematische Herleitungen einzutauchen, liegt der Fokus auf deren Anwendung und Interpretation. Ob neugierige Schüler, Betriebswirte, die technische Zusammenhänge verstehen möchten, Studierende, die den Fokus auf die Praxis suchen, oder Ingenieure, die ihr Wissen auffrischen wollen – hier finden alle eine anschauliche Einführung. Lernen Sie, Regler für Standardaufgaben effektiv auszulegen, und entdecken Sie die Faszination, technische Systeme zu verstehen und präzise zu regeln!