Vision: Photonik für die Pflege von Ackerflächen
Optische Technologien werden einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung landwirtschaftlicher Prozesse und zur Nachhaltigkeit leisten. Zukünftig sollen optische Systeme visuelle Inspektionen durch Landwirtinnen und Landwirte ergänzen oder sogar ersetzen.
PhoenixD sieht miniaturisierte optische 5D‑Sensoren vor, die auf unbemannten Luftfahrzeugen (UAV) eingesetzt werden können und großflächige multi‑ und hyperspektrale Bildgebung von Anbauflächen ermöglichen – zusätzlich zum Einsatz von Applikationsdrohnen (z. B. zur Düngung). Die entsprechenden Sensordaten werden genutzt, um ausgefeilte Verteilungskarten zu erstellen, die z. B. Bodenfeuchte, potenzielle Gefahren wie Schädlinge oder Krankheiten sowie die Nährstoffversorgung auf Einzelpflanzen‑ bzw. Bestandsniveau abbilden.
Dies erleichtert Smart Farming hin zu einer ressourceneffizienten Anwendung von Wasser und Düngemitteln sowie zu höheren Erträgen, um den Herausforderungen durch klimawandelbedingten Umweltabbau und die stetig wachsende Weltbevölkerung zu begegnen. Smart Farming basiert auf der Zusammenarbeit unbemannter Luftfahrzeuge (UAV) und bodengebundener Fahrzeuge.
Vision: Adaptive Sensornetzwerke für (prädiktive) Analysen
Heute werden Sensoren vielfältig eingesetzt — etwa zur Messung der Konzentration von Spurengasen, zur Überwachung der Wasserqualität sowie zur Messung kleiner Magnetfelder oder der lokalen Schwerkraft. Photonische und quantenbasierte Systeme spielen dabei eine Schlüsselrolle.
Die Zukunft liegt in zahlreichen verteilten Sensoren, die miteinander kommunizieren, um eine umfassende, dynamische Übersicht über die Umgebung zu ermöglichen. So können Fahrzeuge beispielsweise „um die Ecke schauen“ und Verkehrssituationen vorhersagen; Forschende können mit hoher räumlicher Auflösung die Verteilung und Bewegung von Schadstoffen oder Viren im Abwasser, seismische Dynamiken und Gehirnwellen überwachen. Heutige hochleistungsfähige Präzisionssensoren sind jedoch komplex, groß und teuer; sie enthalten mitunter giftige Stoffe und sind nicht vernetzt. Die Zukunft gehört kostengünstigen, massenproduzierten, kleinen hybriden Sensoren, die energieautark sind und am Ende ihres Lebenszyklus nicht als Sondermüll entsorgt werden müssen.
Zukünftige Sensoren werden auf integrierter, adaptiver Photonik basieren, die die Intelligenz für lokale Datenanalysen an Bord trägt und Vernetzung zur Erstellung von Echtzeit‑Sensordatenkarten ermöglicht.
Vision: Photonische neuronale Netze
Photonische Systeme sind vielversprechende Kandidaten für die nächste Generation künstlicher neuronaler Netzwerke, da sie ultraschnelle Verarbeitung mit hoher Bandbreite und geringen Energieverbrauch für Anwendungen wie Spracherkennung, Bildklassifikation oder Computer Vision bieten. Herausforderungen wie geringe optische Nichtlinearität für Aktivierungsfunktionen, unpraktische Konzepte für integrierte photonische Hardware und der Mangel an geeigneten optischen Speichermöglichkeiten begrenzen den Fortschritt in diesem Bereich.
PhoenixD wird diese Herausforderungen durch die Erforschung neuartiger Materie‑Licht‑Wechselwirkungen und neuer Materialien für Systeme mit Echtzeitbetrieb angehen. Ein 5D‑Photonik‑Konzept soll einen entscheidenden Schritt hin zu biologisch inspirierten neuronalen Netzen mit synoptischer Plastizität ermöglichen. Vielseitige photonische Hardware für die neue Generation intelligenten all‑optischen Rechnens wird auf unterschiedlichen photonischen Hardwareplattformen bereitgestellt.
