Das Bild ist einfach zu schön: Vor Ihnen liegen die Einzelteile eines frisch ausgepackten IKEA-Möbels. Doch statt zu Inbus-Schlüssel und Schraubenzieher zu greifen und das Objekt mit einiger Mühe in Form zu bringen, übergießen Sie das Ganze mit etwas Wasser. Und kurze Zeit später hat sich alles wie von Zauberhand selbst zusammengefügt.
Die Szene stammt aus einem Artikel des US-Magazins Wired vom September letzten Jahres. Es geht um ein Forscherteam des MIT in Boston, das mit sogenannten Smart Materials arbeitet. Gemeint sind Werkstoffe, die sich in einer vorher festgelegten Weise verändern, wenn sie bestimmten Umweltreizen ausgesetzt werden: Ein Kunstoffstrang faltet sich zu einem Würfel, wenn er mit Feuchtigkeit in Berührung kommt.
Nun mag man sich darüber streiten, wie realistisch und sinnvoll es wirklich ist, Möbel mit einem Eimer Wasser aufzubauen. Am grundsätzlichen Innovationspotenzial neuartiger Materialien ändert das jedoch nichts. Es scheint sogar umgekehrt so zu sein, als ob man eigentlich gar nicht spektakulär genug berichten könnte über das, was sich in der Werkstoffforschung gerade abspielt. Im Grunde sei uns viel zu wenig bewusst, so betont die Bundesforschungsministerin Johanna Wanka gerade bei vielen Gelegenheiten, wie grundlegend die Materialforschung für viele Bereiche unseres Lebens ist. Da Materialien so allgegenwärtig sind und oft ganz am Anfang der Wertschöpfungskette stehen, so der Verein deutscher Ingenieure (VDI) in einer aktuellen Studie, werden sie „in den vielfältigen Produkten, die wir nutzen, kaum wahrgenommen.“ Es kann bis zu zehn Jahre dauern, bis marktfähige Produktlösungen entstehen.
Dabei wäre ein Großteil aller Innovationen hierzulande, nach Zahlen der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde (DGM) rund 70 Prozent, ohne neue Werkstoffe gar nicht denkbar. Egal, ob neuartige metallische Strukturen, hybride Werkstoffe, faserkeramische Verbundwerkstoffe oder hochtemperaturbeständige Materialien – neue Werkstoffe und Leichtbau mit völlig neuen Eigenschaften und Funktionen ermöglichen zum Beispiel neue Elektroautos und Flugzeug-Konzepte, Weiterentwicklungen im Maschinenbau, neue Prothesen und Medizingeräte sowie funktionale Sportbekleidung mit Elektronik.
Zu den vielversprechendsten Werkstoffinnovationen gehören die eingangs erwähnten wandlungsfähigen „intelligenten“ Materialien, zu denen mittlerweile auch in Deutschland fleißig geforscht wird. Vielfältige Verwendung finden diese zum Beispiel in der Medizin. So könnten sogenannten Stents – kleine Gittergerüste aus Metall, die in Gefäße implantiert werden, um diese nach außen abstützen und eine Verstopfung oder einen Verschluss zu verhindern – in Zukunft aus intelligenten Stoffen bestehen: Sie werden durch einen minimalen Eingriff direkt in die Ader injiziert und nehmen am betroffenen Gefäß selbstständig die gewünschte Form an, die das Gefäß weitet und die Blutzirkulation verbessert. Ausgelöst wird diese Wandlung durch die Körpertemperatur.
Ähnliche Vorteile bietet auch die Entwicklung von fadenförmigen intelligenten Polymeren, die in der Chirurgie beim Nähen von Wunden eingesetzt werden können. Durch die Körpertemperatur kräuselt sich der Stoff, was ein aufwendiges Vernähen des Fadens überflüssig macht und den Eingriff minimiert. Zudem kann der Stoff durch den Körper abgebaut werden, ein erneuter Eingriff ist nicht nötig.
Ebenso faszinierende Eigenschaften haben sogenannte Piezokeramiken. Verformt sich das Material, bilden sich elektrisch geladene Bereiche. Mit ihrer Hilfe können zum Beispiel nicht ans Stromnetz angebundene und damit frei platzierbare Lichtschalter entwickelt werden. Diese Schalter steuern über ein Funksignal das Ein- und Ausschalten. Der hierfür notwendige Strom wird dabei durch den Druck auf die Keramik induziert.
Auch für die zunehmende Digitalisierung sind adaptive und intelligente Materialien von zentraler Bedeutung. Im Zuge der Vernetzung der Produktion werden kompakte, günstige und energieeffiziente Sensoren und Aktoren benötigt, um eine detaillierte Erfassung und genaue Steuerung von Fertigungsverfahren zu ermöglichen. Ein weiterer Vorteil: Intelligente Werkstoffe, in denen Mess- und Stellfunktion kombiniert sind, kommen ohne aufwendige Regelelektronik aus. Sie können etwa in aktiven Schwingungsdämpfern zum Einsatz kommen und ermöglichen als miniaturisierte Sensoren oder Aktoren flexible Bedienelemente mit haptischer Rückkopplung. So kann zum Beispiel die Funktionalität von Touchpads erhöht werden.
Ein Beispiel dafür, wie innovative, forschungsorientierte Werkstoffplattformen die Entwicklungen ganzer Industriebranchen antreiben können, sind carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK). Die Materialien kombinieren eine sehr geringe Dichte und somit ein geringes Bauteilgewicht mit sehr hoher Festigkeit – bei gleicher Festigkeit sind CFK-Bauteile 30 Prozent leichter als solche aus Aluminium. Aufgrund der aufwendigen Herstellung wurden sie lange nur in Nischenanwendungen eingesetzt. Spätestens seit der Jahrtausendwende sind sie aber für immer mehr Branchen interessant. Momentan werden Wachstumsraten von jährlich 17 Prozent gemessen. CFK kommen im Augenblick vor allem in der Windenergiebranche und der Luft- und Raumfahrtindustrie zum Einsatz, seit 2013 auch verstärkt im Automobilbau.
Eine besondere Bedeutung erhält die Materialforschung durch die starke Nachfrage nach bestimmten mineralischen und metallischen Rohstoffen, die für viele Hochtechnologieanwendungen im Augenblick unverzichtbar sind. Die Förderung dieser sogenannte Seltenen Erden konzentriert sich aktuell auf sehr wenige Rohstoffproduktionsländer und -unternehmen, die einen zunehmend strategisch und spekulativen Umgang mit den Rohstoffen pflegen. Um das Risiko eines drastischen Preisanstieges oder gar Lieferausfalls zu minimieren, wird es deshalb immer wichtiger, nach Möglichkeiten der effizienten Nutzung von Rohstoffen und Werkstoffen, der Schließung von Stoffkreisläufen durch Recycling und der Substitution kritischer Rohstoffe zu forschen.
