Digital Twins im Labor: Chancen und Herausforderungen

Die Anforderungen an moderne Labore steigen kontinuierlich. Neben hoher Sicherheit und regulatorischer Konformität rücken Effizienz, Flexibilität und Nachhaltigkeit immer stärker in den Fokus. Gleichzeitig werden Laborprozesse komplexer, technischer und datenintensiver. In diesem Spannungsfeld gewinnen Digital Twins – digitale Zwillinge realer Labore – zunehmend an Bedeutung. Sie versprechen bessere Planbarkeit, höhere Transparenz und fundiertere Entscheidungen über den gesamten Lebenszyklus eines Labors hinweg. Doch was genau steckt hinter dem Konzept, und wo liegen Chancen wie auch Herausforderungen?

Was ist ein Digital Twin im Labor?

Ein Digital Twin ist ein virtuelles, dynamisches Abbild eines realen Labors, das kontinuierlich mit Daten aus der physischen Umgebung versorgt wird. Anders als ein statisches 3D-Modell bildet der digitale Zwilling nicht nur Geometrien ab, sondern auch Funktionen, Zustände und Prozesse.

Im Laborumfeld kann ein Digital Twin unter anderem folgende Elemente integrieren:

• Raumstrukturen, Möblierung und Geräteanordnung

• Technische Gebäudeausrüstung wie Lüftung, Energie- und Medienversorgung

• Betriebs- und Nutzungsprozesse

• Umgebungsparameter wie Temperatur, Luftströmungen, Druckverhältnisse oder Emissionen

• Zustandsdaten von Anlagen und Geräten

Durch diese Verknüpfung entsteht ein virtuelles System, das nicht nur visualisiert, sondern auch analysiert, simuliert und prognostiziert. Der Digital Twin entwickelt sich damit zu einem zentralen Instrument für Planung, Betrieb und Optimierung von Laboren.

Einsatzbereiche von Digital Twins im Labor

Bereits in frühen Projektphasen können Digital Twins erhebliche Mehrwerte schaffen. Unterschiedliche Layout-Varianten lassen sich virtuell vergleichen, Arbeitsabläufe simulieren und sicherheitsrelevante Aspekte prüfen, bevor bauliche Entscheidungen getroffen werden.

Typische Anwendungsbeispiele sind:

• Simulation von Luftführung und Abzugsleistung

• Prüfung von Sicherheitsabständen und Fluchtwegen

• Bewertung zukünftiger Nutzungsänderungen oder Erweiterungen

  
  

Der Nutzen liegt vor allem in der Reduktion von Planungsfehlern, der besseren Abstimmung zwischen Fachdisziplinen und einer erhöhten Planungssicherheit.

Betrieb und Wartung

Im laufenden Betrieb dient der Digital Twin als digitales Kontroll- und Analyseinstrument. Sensordaten aus der realen Umgebung werden mit dem virtuellen Modell verknüpft, sodass Abweichungen frühzeitig erkannt werden können.

Typische Einsatzfelder:

• Zustandsüberwachung technischer Anlagen

• Predictive Maintenance zur vorausschauenden Wartung

• Analyse von Energie- und Medienverbräuchen

• Damit lassen sich Stillstandszeiten reduzieren und Betriebskosten nachhaltig senken.

Sicherheit und Compliance

Sicherheitsanforderungen gehören zu den zentralen Herausforderungen im Laborbetrieb. Digital Twins ermöglichen es, Risiken präventiv zu analysieren, anstatt erst im Realbetrieb darauf zu reagieren.

Mögliche Anwendungen:

• Simulation von Gefahrenszenarien, etwa bei Leckagen oder Störungen

• Unterstützung bei Gefährdungsbeurteilungen

• Dokumentation und Nachweisführung für Audits und Behörden

• Insbesondere in regulierten Umfeldern kann der Digital Twin einen wichtigen Beitrag zur Compliance leisten

Schulung und Training

Ein weiterer Einsatzbereich liegt in der Qualifizierung von Mitarbeitenden. Virtuelle Begehungen, simulationsbasierte Schulungen oder das Training von Notfallsituationen lassen sich ohne Risiko und ohne Beeinträchtigung des laufenden Betriebs durchführen.

Chancen: Warum Digital Twins für Labore relevant sind

Effizienzsteigerung und Kostenkontrolle

Durch die transparente Abbildung von Prozessen und Zuständen können ineffiziente Abläufe identifiziert und optimiert werden. Investitionen lassen sich besser bewerten, da ihre Auswirkungen bereits im Vorfeld simuliert werden können.

Erhöhte Sicherheit

Risiken werden nicht erst sichtbar, wenn sie eintreten. Der Digital Twin ermöglicht es, kritische Szenarien frühzeitig zu analysieren und geeignete Massnahmen zu definieren. Dies erhöht die Sicherheit für Mitarbeitende und Infrastruktur gleichermassen.

Bessere Entscheidungsqualität

Entscheidungen basieren nicht mehr ausschliesslich auf Erfahrungswerten oder Annahmen, sondern auf datenbasierten Szenarienvergleichen. Gerade bei komplexen Laborprojekten ist dies ein entscheidender Vorteil.

Zukunftsfähigkeit und Skalierbarkeit

Digital Twins bilden die Grundlage für weiterführende Smart-Lab-Konzepte. Sie lassen sich mit Automatisierungs-, IoT- oder Energiemanagementsystemen verknüpfen und unterstützen langfristig auch Nachhaltigkeits- und ESG-Ziele.

Herausforderungen und Grenzen

So gross das Potenzial auch ist – die Einführung eines Digital Twins ist kein Selbstläufer.

Datenqualität und Systemintegration

Ein Digital Twin ist nur so gut wie die Daten, die ihn speisen. Heterogene Systeme, fehlende Sensorik oder inkonsistente Datenstrukturen können die Aussagekraft erheblich einschränken.

Initialer Aufwand und Komplexität

Der Aufbau eines Digital Twins erfordert Investitionen in Technologie, Datenmodelle und Fachwissen. Zudem müssen unterschiedliche Disziplinen – von Laborplanung über IT bis zum Betrieb – eng zusammenarbeiten.

Pflege und Aktualität

Labore verändern sich kontinuierlich: Geräte werden ersetzt, Prozesse angepasst, Räume umgenutzt. Damit der Digital Twin seinen Nutzen behält, muss er konsequent aktualisiert werden. Ohne klare Verantwortlichkeiten besteht die Gefahr, dass das Modell rasch veraltet.

Datenschutz und IT-Sicherheit

Digitale Zwillinge verarbeiten potenziell sensible Betriebs- und Forschungsdaten. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an Datenschutz, Zugriffsrechte und Cyber-Security.

Erfolgsfaktoren für eine erfolgreiche Einführung

Aus der Praxis lassen sich mehrere Erfolgsfaktoren ableiten:

• Klare Zieldefinition: Soll der Fokus auf Planung, Betrieb, Sicherheit oder Energieeffizienz liegen?

• Schrittweise Umsetzung: Pilotprojekte reduzieren Risiken und fördern die Akzeptanz.

• Interdisziplinäre Zusammenarbeit: Planung, Betrieb und IT müssen frühzeitig eingebunden werden.

• Integration statt Insellösungen: Der Digital Twin sollte bestehende Prozesse und Systeme ergänzen, nicht isoliert danebenstehen.

  
  

Ausblick: Die Zukunft des Digital Twins im Labor

Die Entwicklung steht noch am Anfang. Zukünftig werden Digital Twins verstärkt mit künstlicher Intelligenz kombiniert, um automatische Optimierungen vorzunehmen oder Anomalien selbstständig zu erkennen. Auch die Echtzeitsteuerung von Lüftung, Energieverbrauch oder Medienversorgung rückt zunehmend in den Fokus.

Langfristig könnten digitale Zwillinge zum zentralen Steuerungsinstrument moderner Labore werden – von der ersten Planung über den Betrieb bis hin zur nachhaltigen Weiterentwicklung.

Fazit

Digital Twins bieten Laborexpertinnen und -experten ein leistungsfähiges Werkzeug, um Komplexität beherrschbar zu machen. Sie verbessern die Planungssicherheit, erhöhen die Betriebseffizienz und leisten einen wichtigen Beitrag zu Sicherheit und Compliance. Gleichzeitig erfordern sie eine strukturierte Einführung, eine saubere Datenbasis und klar definierte Verantwortlichkeiten. Wer sich heute mit digitalen Zwillingen auseinandersetzt, schafft die Grundlage für zukunftsfähige, sichere und effiziente Labore – und positioniert sich frühzeitig in einem zunehmend datengetriebenen Umfeld.