de.wedoany.com-Bericht: Auf dem grünen Rasen der Fußball-Weltmeisterschaft 2026 zeichnet ein Fußball, der intern einen MEMS-Trägheitssensor, einen Ultrabreitband-Positionierungschip und eine drahtlose Ladespule integriert, mit einer Abtastrate von 500 Mal pro Sekunde die Ballberührungsmomente auf und ermöglicht mithilfe von 12 Basisstationen eine zentimetergenaue Ortung, die Kerndaten für die halbautomatische Abseitsentscheidung liefert.
Der in diesem Fußball eingebettete Trägheitssensor zeichnet mit einer Frequenz von 500 Mal pro Sekunde die Beschleunigungsänderungen auf, während der Ultrabreitband-Positionierungschip Impulssignale an die 12 Basisstationen rund um das Spielfeld sendet und die dreidimensionale Position des Balls auf Zentimeterebene festlegt. Die Ballberührungszeit und die Abseitslinie werden in weniger als einer halben Sekunde automatisch bestimmt.
Der Technologietransfer von MEMS-Sensoren begann im Kalten Krieg. Ende des Zweiten Weltkriegs setzte die deutsche V-2-Rakete erstmals mechanische Kreisel für die Trägheitsnavigation ein. Während des Kalten Krieges entwickelte das Labor von Professor Charles Stark Draper am Massachusetts Institute of Technology (MIT) präzise Trägheitsnavigationssysteme für strategische Waffenplattformen wie die Marschflugkörper Tomahawk, die U-Boot-gestützte ballistische Rakete Polaris und den strategischen Bomber B-52. Ende der 1980er Jahre entstand die Mikroelektromechanische Systeme (MEMS)-Technologie, bei der mit Halbleiterprozessen mikrometergroße mechanische Strukturen auf Siliziumwafer geätzt werden. 1993 brachte Analog Devices den ADXL50 auf den Markt, den weltweit ersten kommerziell in Massenproduktion gefertigten MEMS-Beschleunigungssensor, der in Fahrzeug-Airbags eingesetzt wird, um einen Aufprall innerhalb von 30 Millisekunden zu erkennen und die Zündung auszulösen. 2007 gelangte der von STMicroelectronics gelieferte MEMS-Dreiachsen-Beschleunigungssensor LIS302DL in das erste iPhone, um die Geräteausrichtung zu erfassen – der MEMS-Sensor hielt erstmals Einzug in den Alltag von Milliarden Verbrauchern. In den folgenden zehn Jahren schrumpfte die Größe von MEMS-Sensoren auf 3×3 Millimeter, die Kosten sanken auf 1 bis 2 US-Dollar, und sie fanden breite Anwendung in der Schrittzählung von Smartphones, der Stabilisierung von Drohnen, der Aktivitätsverfolgung von Fitnessarmbändern und der Bewegungssteuerung der Nintendo-Wii-Fernbedienung. Bei der Fußball-Weltmeisterschaft 2018 in Russland trugen die Spieler erstmals auf MEMS basierende Wearable-Sensoren. Bei der WM 2022 in Katar war der offizielle Spielball „Al Rihla" von Adidas mit einer von KINEXON und Adidas gemeinsam entwickelten 500-Hertz-Trägheitsmesseinheit ausgestattet, die 500 Mal pro Sekunde dreiachsige Beschleunigungsdaten aufzeichnete und den Ballberührungszeitpunkt präzise erfasste. Für die WM 2026 wird erwartet, dass die Abtastrate der im Ball integrierten Trägheitsmesseinheit auf 1000 Hertz oder mehr steigt und möglicherweise eine Neun-Achsen-Trägheitsmesseinheit integriert wird.
Die Ursprünge der Ultrabreitband-Positionierungstechnologie reichen bis in die 1960er Jahre zurück. Aufgrund der extrem kurzen Impulse und der extrem breiten Bandbreite sind UWB-Signale für Schmalbandempfänger schwer abzufangen und zu analysieren. Das US-Verteidigungsministerium setzte sie für Tiefflugradare mit geringer Erfassungswahrscheinlichkeit von Tarnkappenflugzeugen und für sichere taktische Kommunikation ein. 2002 erließ die US-amerikanische Federal Communications Commission (FCC) eine Verfügung, die die Freigabe des Frequenzbereichs von 3,1 bis 10,6 GHz für zivile Ultrabreitbandgeräte genehmigte. Danach wurde UWB hauptsächlich in B2B-Szenarien wie der Personenortung in Bergwerken, der Geräteverfolgung in Krankenhäusern und der Gabelstaplersteuerung in der Lagerlogistik eingesetzt. Im September 2019 integrierte Apple in die iPhone-11-Serie den selbst entwickelten U1-Chip, der räumliches Bewusstsein ermöglicht. Im April 2021 wurde der AirTag veröffentlicht, der ebenfalls den U1-Chip enthält und mithilfe zentimetergenauer Entfernungsmessung den Benutzer beim Auffinden von Gegenständen führt. Im selben Jahr brachte BMW einen auf UWB basierenden digitalen Autoschlüssel auf den Markt. Bei der WM 2022 in Katar installierte die FIFA in Zusammenarbeit mit KINEXON in jedem Spielort 12 UWB-Positionierungsbasisstationen. Der offizielle Spielball „Al Rihla" enthielt einen integrierten UWB-Sensor, der mit einer Frequenz von mehreren Dutzend Mal pro Sekunde Impulssignale an die Basisstationen sendete. Die dreidimensionale Position des Balls wurde über die Laufzeitdifferenz der Signale mit einer Genauigkeit im Zentimeterbereich berechnet. Für die WM 2026 wird erwartet, dass das UWB-Positionierungssystem die Aktualisierungsrate weiter erhöht und möglicherweise erstmals eine Echtzeit-3D-Darstellung der gesamten Flugbahn des Balls während des gesamten Spiels ermöglicht.
Das Prinzip der drahtlosen Ladetechnologie geht auf die Idee der elektromagnetischen Induktion von Nikola Tesla in den 1890er Jahren zurück. Tesla baute den Wardenclyffe Tower auf Long Island, New York, um mit niederfrequenten elektromagnetischen Wellen eine weltweite drahtlose Energieübertragung zu erreichen, was jedoch nach dem Rückzug der Investoren eingestellt wurde. Im 20. Jahrhundert fand die drahtlose Ladetechnologie zunächst Anwendung in Ladestationen für elektrische Zahnbürsten und medizinischen Implantaten wie Herzschrittmachern. 2008 wurde das Wireless Power Consortium (WPC) gegründet. 2010 veröffentlichte das Konsortium den Qi-Standard. 2017 unterstützte Apple mit dem iPhone 8 und dem iPhone X erstmals das Qi-Laden. 2007 veröffentlichte das Team um Marin Soljačić am MIT in der Zeitschrift Science eine Arbeit über magnetisch resonantes drahtloses Laden, die die Tür zum berührungslosen Laden von Elektrofahrzeugen öffnete. Unternehmen wie WiTricity commercialisierten die Technologie anschließend. In den 2020er Jahren begannen einige intelligente Trainingsbälle, drahtlose Ladelösungen zu verwenden, bei denen die Spule vollständig im Ballgehäuse eingeschlossen ist, ohne dass Elektroden freiliegen. Der offizielle Spielball der WM 2022 verwendete noch herkömmliche Batterien. Branchenexperten prognostizieren, dass der offizielle Spielball der WM 2026 möglicherweise eine drahtlose Ladelösung verwenden wird, bei der eine Empfangsspule und eine Mikrobatterie oder ein Superkondensator im Ball integriert sind.
China zeigt in den drei Technologiebereichen unterschiedliche Entwicklungsmuster. Im Bereich der MEMS-Sensoren ist China der weltweit größte Verbrauchermarkt. Goertek Microelectronics hält einen weltweiten Marktanteil von über 30 % bei MEMS-Akustiksensoren und ist in die Lieferkette von Apple und Samsung eingebunden. Unternehmen wie AAC Technologies, BYD Semiconductor und MEMSIC haben bei Beschleunigungssensoren, Drucksensoren und anderen Produktkategorien Durchbrüche erzielt. Bei hochpräzisen Produkten wie taktischen und navigationsfähigen MEMS-Trägheitssensoren ist China jedoch weiterhin auf Importe angewiesen. Die Kernentwurfswerkzeuge, Fertigungsprozesse und Test- und Kalibriergeräte werden von ausländischen Unternehmen wie Bosch, STMicroelectronics, TDK-InvenSense und Analog Devices dominiert. Im Bereich der UWB-Positionierung haben einheimische Unternehmen wie Jingwei Technology, Haoyun Technology, Tsingray Technology und Yibaide bereits Positionierungschips und Basisstationssysteme mit eigenem geistigem Eigentum entwickelt, die in B2B-Szenarien wie der Personenortung in Kohlebergwerken und der Gabelstaplersteuerung in der Lagerlogistik in großem Umfang eingesetzt werden. Xiaomi brachte 2021 die UWB-Technologie „One Finger Connect" auf den Markt. Das Kerngeistige Eigentum und die fortschrittliche Fertigung von High-End-UWB-Chips werden von ausländischen Unternehmen wie Apple, NXP und Qorvo dominiert. Im Bereich des drahtlosen Ladens ist China der am stärksten aufgestellte Bereich und der weltweit größte Produzent und Verbrauchermarkt für drahtlose Ladegeräte. Huawei, Xiaomi, OPPO und vivo haben bereits drahtlose Schnellladelösungen mit 50 W bis über 100 W in Massenproduktion gebracht. Bei der Festlegung des Qi-Standards sind Huawei, Xiaomi und ZTE die wichtigsten chinesischen Mitglieder. Im Bereich des drahtlosen Ladens von Elektrofahrzeugen haben Unternehmen wie BYD, ZTE New Energy und Teld bereits Demonstrationsprojekte für drahtloses Laden mit hoher Leistung durchgeführt. Die Lieferkette für drahtloses Laden bildet einen vollständigen Kreislauf, von den vorgelagerten Magnetmaterialien und Lackdrähten über die mittlere Modulmontage bis hin zur Herstellung der Endprodukte. Im Bereich der technischen Zertifizierung von offiziellen Spielbällen auf FIFA-Niveau und der Versorgung mit Kernsensoren sind chinesische Unternehmen jedoch noch nicht in die Liste der Kernlieferanten aufgenommen worden. Europäische Unternehmen wie Adidas und KINEXON dominieren diesen Markt weiterhin.
