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Laserlicht im Auto – mit Sicherheit und Weitblick in die Zukunft

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Bereits der Begriff ‚Laser‘ lässt an Zukunft und Superlative denken. Und das zu Recht, denn damit lassen sich Lichtanwendungen umsetzen, die mit bisherigen Lichtquellen wie LEDs nicht möglich waren.

Gemeinsam haben die Projektpartner OSRAM und BMW eine Lichtquelle und eine Scheinwerfertechnologie für das Laserfernlicht im Auto entwickelt. Mit dem BMW i8 und dem neuen BMW 7er wurde die anspruchsvolle Innovation seit Mitte 2014 in den Markt und 2015 in die Großserie eingeführt. Im Zusammenspiel mit anderen Fahrassistenzfunktionen sorgt die Laserlicht-Technologie für einen deutlich verbesserten Sichtbereich des Fahrers bei Dunkelheit und erhöht dadurch nachweislich die Verkehrssicherheit. Gleichzeitig haben die beiden Unternehmen ein integriertes Sicherheitssystem realisiert, das im Falle eines Unfalls, einer Fehlfunktion oder einer manuellen Manipulation den Austritt blauer Laserstrahlung verhindert. Dies wird durch mehrere redundante Sicherheitsmechanismen garantiert.

Darstellung der Innovation
Mit der Produktion des ersten Lasermoduls mit LARP-Technologie (Laser Activated Remote Phosphor) konnte erstmals eine weiße Lichtquelle für Beleuchtungszwecke auf Basis von Laserlicht industriell realisiert werden, die Energieeffizienz und höchste Leuchtdichte kombiniert. Damit werden Beleuchtungsanwendungen möglich, die bis dato in den realisierten Abmessungen und Leistungsdaten unmöglich waren.

Vor der Entwicklung des LARP Moduls galt es allerdings zunächst ein Paradoxon zu lösen: Ein Laser liefert nur einfarbiges Licht. Weißes Licht ist jedoch die Mischung aus mehreren Farben. Daher gibt es an sich keinen weißen Laser. Zur Lösung wurden mehrere blaue Laser (450nm Wellenlänge) auf einen Konverter fokussiert, der blaues Laserlicht in weißes, tageslichtähnliches Licht umwandelte. Durch die Bündelung wurde dabei ein extrem kleiner, weißer Lichtpunkt erzeugt, der einer idealen weißen Lichtquelle sehr nahe kommt. Das Prinzip war theoretisch bekannt und klang nahezu einfach - in der technologischen Umsetzung und Industrialisierung war es aber eine der größten Herausforderungen in der Unternehmensgeschichte von OSRAM. Es galt mehrere Technologiebausteine zu entwickeln, die jeweils für sich an die Grenze des Machbaren in puncto Fertigungspräzision und Materialbelastung stießen.

Herzstück des LARP-Moduls ist der Konverter, der im Laufe des Projektes mit samt aller Herstellungsprozesse und der dafür notwendigen Maschinen neu entwickelt wurde. Er besteht aus:

Einem hauchdünnen, wenige Millimeter großen Keramikplättchen, das bei über 2000°C gebrannt wird und die lichtumwandelnden Elemente in seiner Matrix enthält.
Einer passiven Kühlung des Keramikplättchens durch Wärmeleitung, die dafür sorgt, dass letzteres unter der extrem hohen Belastung durch die auftreffende Laserstrahlung stets unter 200°C Betriebstemperatur bleibt, da ansonsten die Lichtumwandlung nicht mehr funktioniert.
Einer Echtzeit-Überwachung des Keramikplättchens, als Teil der Sicherheitsarchitektur.

Auch fahrzeugseitig mussten bei BMW viele neue Lösungen erarbeitet und dazu teils unkonventionelle Wege eingeschlagen werden. Highlights hierbei waren:

Ein kamerabasierter, selektiver Fernlichtassistent, der die Blendung entgegen kommender oder voran fahrender Verkehrsteilnehmer verhindert. Durch Schwenken und Dimmen des Lichtstrahls werden andere Verkehrsteilnehmer vom Fernlicht dynamisch ausgespart. Somit werden sowohl die Ausleuchtung und Reichweite als auch die Aktivierungsdauer des Fernlichts und damit der Sicherheitsgewinn entscheidend erhöht.
Die Entwicklung eines mehrstufigen optischen, mechanischen und elektronischen Sicherheitssystems, Dieses wurde nach Automobilstandards validiert und bildet die Grundlage der Zulassungsfähigkeit. Im Falle von Manipulation am Scheinwerfer oder Beschädigungen, beispielsweise bei einem Unfall, wird sichergestellt, dass zu keinem Zeitpunkt blaues Laserlicht aus dem Scheinwerfer austritt.
Die optische, mechanische und thermische Auslegung des Systems, um unter allen weltweiten Betriebsbedingungen störungsfrei zu funktionieren.

Industrialisierung, Markteinführung und Partnerschaft
Der größte Aufwand der Innovation bestand in der fertigungstechnischen Umsetzung und insbesondere im Hochlauf der Produktionskapazität. Hierzu mussten sämtliche Prozessschritte in Pionierarbeit definiert, die passenden Maschinen spezifiziert, angeschafft und nach Automobilstandards abgenommen werden.

Dazu wurde bei OSRAM in Herbrechtingen eigens ein neuer Reinraum für die LARP Technologie gebaut. Neben dieser hohen R&D-Investition konnten rund 100 neue Arbeitsplätze geschaffen werden. Aufgrund der guten Marktresonanz wurde zusätzlich eine zweite Fertigungsstätte am Standort Berlin in Betrieb genommen. Bei BMW sorgt die Innovation, die an den Standorten Leipzig und Dingolfing in Fahrzeuge verbaut wird, für die Sicherstellung der Attraktivität der deutschen Produktionsstandorte.

Beide Projektpartner erkannten früh das Potential der Innovation und nahmen die Herausforderung an, diese neu entwickelte Technologie in anstehende Fahrzeugprojekte zu integrieren. Eine entscheidende Rolle spielten dabei ein stringentes Projektmanagement, der Wille zur Umsetzung und ein stetiges Zusammenwachsen von einer Kunden-Lieferanten-Beziehung zu einer ausdauernden und belastbaren Partnerschaft.

Sichtbares Ergebnis
Aktuell erreichen LARP-Module eine circa sechsfach höhere Leuchtdichte als gegenwärtig genutzte automobile LED-Lichtquellen. Es ist durchaus denkbar, dass zukünftig LARP-Module mit rund zehnfacher oder noch höherer Leuchtdichte herstellbar sind. Während die technologischen Fortschritte bezüglich Effizienz und Leuchtdichte bei LEDs zunehmend flacher verlaufen werden, bieten hier laserbasierten Lichtquellen noch einen sehr großen Ausblick in punkto Skalierbarkeit und Effizienz.

Im Fahrzeug wird das Laserfernlicht bei einer Geschwindigkeit größer 60 km/h automatisch zugeschaltet und erzielt circa die doppelte Reichweite des Fernlichts. Somit werden aus 300 Metern bis zu 600 Metern Sichtweite, was vor allem beim Fahren in der Dunkelheit einen zusätzlichen Sicherheitsgewinn und Fahrkomfort mit sich bringt, da ähnlich vorausschauend wie am Tag gefahren werden kann.

Weitere Perspektiven
Um die Lasertechnologie nachhaltig in den Straßenverkehr einzuführen, ist ein hoher Verwendungsgrad erforderlich. Die aktuellen Entwicklungen von OSRAM und BMW zielen daher auf eine Kostenreduktion und Vereinfachung des Modulaufbaus ab. Das Zusammenspiel von Sicherheit, Komfort, Energieeffizienz und Design, basierend auf dieser wahrnehmbaren Innovation, bieten die besten Voraussetzungen für den nachhaltigen Markterfolg. OSRAM hat dafür bereits weitere Generationen der Laser-Technologie entwickelt, die in Kürze auch in weitere Fahrzeugmodelle eingebaut werden sollen. BMW plant mehrere Fahrzeugreihen, die in den kommenden Jahren überarbeitet werden, mit Laserlicht auszustatten.

Neben der Automobilindustrie bietet OSRAM bereits erste LED / laserbasierte Weißlichtmodule für den medizinischen Bereich an. Auch im Entertainmentsektor ist die Laser-Technologie seit Frühjahr 2016 verfügbar. Durch die hohe Leuchtdichte ist hier beispielsweise eine neue Produktgeneration denkbar, die mit ihrer langen Lebensdauer die Wartungskosten von Scheinwerfern stark senken kann. Erste anwendungsspezifische Pilotprojekte wurden hierbei bereits intern und mit externen Partnern umgesetzt.

Daneben sind verschiedene weitere Anwendungen in anderen Mobilitätsformen denkbar, wie beispielsweise in Flugzeugen, Schiffen, Bahnen, etc. Auch stationäre Beleuchtungseinrichtungen wie Straßen-, Bühnen- oder Signalleuchten werden zukünftig von dieser Technologie profitieren.

Über OSRAM
OSRAM, mit Hauptsitz in München, ist ein weltweit führender Lichthersteller mit einer mehr als 100-jährigen Geschichte. Das Portfolio reicht von High-Tech-Anwendungen auf der Basis halbleiterbasierter Technologien, wie Infrarot oder Laser, bis hin zu vernetzten intelligenten Beleuchtungslösungen in Gebäuden und Städten. OSRAM beschäftigte Ende des Geschäftsjahres 2015 (per 30. September) weltweit rund 33.000 Mitarbeiter und erzielte in diesem Geschäftsjahr einen Umsatz von knapp 5,6 Milliarden Euro. Das Unternehmen ist an den Börsen in Frankfurt am Main und München notiert unter der WKN: LED 400 (Börsenkürzel: OSR).

Über BMW
Die BMW Group ist mit ihren Marken BMW, MINI und Rolls-Royce der weltweit führende Premium-Hersteller von Automobilen und Motorrädern und Anbieter von Premium-Finanz- und Mobilitätsdienstleistungen. Als internationaler Konzern betreibt das Unternehmen 30 Produktions- und Montagestätten in 14 Ländern sowie ein globales Vertriebsnetzwerk mit Vertretungen in über 140 Ländern.

Im Jahr 2015 erzielte die BMW Group einen weltweiten Absatz von rund 2,247 Millionen Automobilen und rund 137.000 Motorrädern. Das Ergebnis vor Steuern im Geschäftsjahr 2014 belief sich auf rund 8,71 Mrd. €, der Umsatz auf 80,40 Mrd. €. Zum 31. Dezember 2014 beschäftigte das Unternehmen weltweit 116.324 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter.

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

Das Projekt „Laserlicht im Auto – mit Sicherheit und Weitblick in die Zukunft“ wurde vom Deutschen Patent- und Markenamt eingereicht.