Virtuelle Labore – Arbeiten mit teurem Equipment und gefährlichen Experimenten auch für Studierende

Christina Schindler und Cornelius Weiß am realen Ellipsometer im Reinraum. (Foto: Mark Siaulys Pfeiffer)

Wie in der Realität: Vom Ellipsometer, das im Reinraum des Labors steht, existiert bereits ein vollständiger digitaler Zwilling. (Grafik: Corneliu Weiß)

Hybride Labore können die knappen Ressourcen physischer Labore, die Raum und finanzielle Mittel benötigen, um eine virtuelle und digitale Komponente erweitern. Das virtuelle HM-Labor für das Studium der Mikro- und Nanotechnik ermöglicht Studierenden das Durchführen von gefährlichen Experimenten sowie den Umgang mit teurem Equipment.

Angewandte Wissenschaften, das bedeutet in den Studienfächern an der Hochschule München (HM) auch einen großen Anteil Praxis. Im Studium der Mikro- und Nanotechnik beispielsweise führen Studierende in ihren Praktika reale Experimente im Labor durch. Das ist in doppelter Hinsicht riskant: Zum einen, weil das Equipment im Bereich der Halbleiter- und Nanotechnik häufig sehr teuer ist, zum anderen, weil manche Versuche risikoreich sind wie etwa der Umgang mit ätzenden Säuren. Ein Forscherteam um Prof. Dr. Christina Schindler und Dr. Cornelius Weiß an der Fakultät für angewandte Naturwissenschaften und Mechatronik der HM ist daher dabei, einen digitalen Zwilling des HM-Labors zu erschaffen.

Virtuelle Labore eröffnen den Studierenden viele Möglichkeiten

Die 1:1 Abbildung von Laboren im virtuellen Raum eröffnet viele Möglichkeiten: Die Studierenden können sich damit besser auf ihre Präsenzzeit vorbereiten und sich vorab mit der Laborumgebung vertraut machen. Offene Fragen können sie bereits im Vorfeld klären. Fehler, die aus Sicherheitsaspekten gefährlich wären, bleiben in einem virtuellen Labor ohne beispielsweise gesundheitliche Folgen. Und die Einarbeitung in die Materie findet spielerisch statt. Ganze Versuche oder einzelne Versuchsteile können wie in einem Videospiel getestet und so erlernt werden. „Den großen Vorteil von VR (Virtual Reality) sehe ich persönlich darin, komplexe fachspezifische Inhalte und naturwissenschaftliche Phänomene, die sonst schwer zu greifen oder zu visualisieren sind, anschaulich und auch spielerisch zu vermitteln,“ sagt Weiß zur Didaktik.

Geplant ist, irgendwann einen kompletten digitalen Zwilling der Hochschule München programmiert zu haben – doch bis dahin werden noch einige Jahre vergehen. Derzeit ist erst einmal ein digitaler Zwilling des so genannten Reinraums in Arbeit, eines Labors, in dem die Konzentration luftgetragener Teilchen, Partikel oder Keime sehr gering gehalten wird und der daher nur mit Schutzkleidung betreten werden darf. In einer 360°-Begehung lässt sich der Reinraum erkunden und die digitalen Zwillinge einzelner Geräte wie des Ellipsometers oder des Profilometers können bereits genutzt werden.

Internationale Kollaboration

Spannend sind auch die Möglichkeiten internationaler Zusammenarbeit: In einem Double Degree Programm des Masters Mikro- und Nanotechnik an der HM mit dem Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) in Québec, Kanada, werden Studienleistungen wechselseitig anerkannt und zugleich zwei Abschlüsse verliehen. Den Studierenden soll künftig der wechselseitige Zugriff auf die virtuellen Labore der jeweils anderen Institution ermöglicht werden, damit sie verschiedenes Equipment nutzen und sich etwa auf einen Auslandsaufenthalt vorbereiten können.