COMPASS MAGAZINE #10
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SUPER SUBSTANZEN Neue Materialien ermöglichen bahnbrechende Entwicklungen

Die Materialwissenschaft steht kurz davor, die Welt mit fantastischen neuen Substanzen zu verblüffen.

Von Photovoltaikzellen aus Spinatprotein bis hin zu federleichtem Metallschaum versprechen innovative neue Biomaterialien, Verbundwerkstoffe mit erweitertem Funktionsumfang und superleichte Baustoffe durchgreifende Veränderungen für die Produkte von morgen.

Silizium. Verbundwerkstoffe. Titan. Berührungsempfindliches Glas. Viele der einfallsreichsten Produkte, die wir heute kennen, wurden durch diese und viele weitere innovative Materialien überhaupt erst ermöglicht, von Flugzeugrümpfen aus Verbundwerkstoffen bis hin zu Smartphones.

Was aber werden uns die bahnbrechenden Materialien von morgen bringen? Experten verweisen auf drei Haupttrends im Jahr 2013: Biomaterialien, Materialien mit neuen Funktionen und Materialien für Fahrzeuge in Leichtbauweise.

EIN ZWEITES LEBEN FÜR PILZE

Biologisch hergestellte Materialien dominieren nun schon seit ungefähr einem Jahrzehnt die Materialforschung. Der internationale Technologiekonzern 3M zum Beispiel, bekannt für Klebstoffprodukte, investierte vor kurzem in ein Startup-Unternehmen, das Alternativen zu den Schäumen der Petrochemie hergestellt - mit Myzelien, den „Pilzwurzeln“, als selbstorganisierendem Klebstoff. Das Startup-Unternehmen heißt Evocative Design.

„Durch die Geschäftsidee von Evocative verbessert sich die Position von 3M im Bereich der nachhaltigen Polymer-Technologien“, ist Stefan Gabriel, Präsident von 3M New Ventures, überzeugt. „Das ist genau die Art von bahnbrechender Technologie, die in vielen Branchen die Spielregeln verändern kann, wie im Automobilbau, in der Baubranche und Architektur.“

Evocative stellt Verpackungen aus Pilzsporen namens EcoCradles her. EcoCradles stellen eine kosteneffiziente und umweltfreundliche Alternative zu Kunststoffverpackungen dar und werden von einer Reihe von Kunden verwendet, die im Fortune-500- Index vertreten sind, unter anderem von Steelcase und Dell. „EcoCradles werden aus landwirtschaftlichen Nebenprodukten gewonnen, mit wesentlich geringerem Energieaufwand als bei bestehenden Verfahren“, sagt Jerry Weinstein, Vorstand von Evocative. „Sie sind so leistungsfähig wie herkömmliche Schäume und können auch in Privathaushalten kompostiert werden.“

„ERNEUERBARE, BIOLOGISCH ABBAUBARE STOFFE WERDEN SCHON BALD DIE MATERIALFORSCHUNG BEHERRSCHEN."

DR. SASCHA PETERS CEO, HAUTE INNOVATION

DAS POPEYE-PRINZIP

Ein anderes Material auf biologischer Basis, das derzeit an der Vanderbild University in Nashville im US-Bundesstaat Tennessee entwickelt wird, nutzt aus Spinat gewonnenes Protein zur Herstellung von Photovoltaikzellen – eine Innovation, auf die der spinatversessene Comic-Held Popeye stolz wäre. Pflanzen wandeln Sonnenlicht durch den Prozess der Photosynthese in Energie um. Obwohl die auf diesem chemischen Prozess basierende hybride Solarzelle – noch – nicht so effizient Energie produzieren kann wie herkömmliche Photovoltaikzellen, sind die Forscher der Vanderbilt University zuversichtlich, ihre eigene Photovoltaikzelle in den nächsten drei Jahren zur Marktreife bringen zu können.

Derweil produziert das Institut für Materialwissenschaft der Universität Stuttgart Hochleistungskeramik, die die Materialsynthese von Muscheln und Algen nachahmt. Dieser Biomineralisierungsprozess führt zu Keramikkomponenten, die in Geräten mit hoher Funktionsdichte zum Einsatz kommen, einschließlich Elektronik- und Medizinanwendungen.

„Die Nutzung von Biomineralisierung zur Herstellung hochleistungsfähiger Keramik bringt neue Materialeigenschaften und ist sehr viel umweltfreundlicher als konventionell hergestellte Produkte“, erklärt Joachim Bill, Professor am Institut für Materialwissenschaft in Stuttgart, der sich seit Jahrzehnten dem Studium von Keramikmaterialien widmet.

RECYCLING-MANAGEMENT

Verantwortung für die Umwelt ist ein wesentlicher Faktor in vielen Forschungsprojekten zu Biomaterialien. Dr. Sascha Peters, CEO von Haute Innovation, einem Beratungsunternehmen für die Materialforschung, prognostiziert, dass Biopolymere

– synthetische Materialien aus erneuerbaren, biologisch abbaubaren Stoffen – schon bald die Materialforschung beherrschen werden. „Weil der Nachschub an fossilen Energieträgern endlich ist“, so Peters, „konzentrieren sich die Entwickler immer mehr auf den umweltfreundlichen Umgang mit Materialien und entsprechende neue Materialkonzepte.“

Dabei sind durchaus nicht alle der Meinung, dass „biologisch“ zugleich auch immer „umweltfreundlich“ bedeutet. Für Karsten Bleymehl, Director, Library and Materials Research bei Material Connection, einem internationalen Beratungsunternehmen mit Spezialisierung auf die Materialforschung, ist diese Gleichsetzung mit Gefahren verbunden.

„Man muss immer den gesamten Lebenszyklus eines Materials betrachten, nicht nur die Produktion“, so Bleymehl. Er sieht mehr Potenzial in recycelten Materialien, besonders in Verpackungen aus Abfall.

INTELLIGENTE OBERFLÄCHEN FÜR EINEN NEUEN LOOK

Ebenso bedeutend ist laut Bleymehl auch der zweite große Trend bei neuen Materialien: altbekannte Materialien und deren Anwendungsmöglichkeiten durch neue Funktionen erweitern. Ein Material mit viel Potenzial für neue Funktionen ist Beton. Zwar wird dieser Werkstoff wegen seiner Belastungsfähigkeit und Haltbarkeit geschätzt, er ist jedoch auch für seine geringe Flexibilität bekannt - zumindest bis jetzt. Heute sind von dem US-amerikanischen Textilunternehmen Milliken, das den Originalhersteller Concrete Canvas Ltd. als Startup-Unternehmen übernommen hat, flexible Betonwalzen erhältlich.

Beim neuen Produkt handelt es sich um ein flexibles Textilerzeugnis, das mit Zement imprägniert ist. Wird der Stoff der Feuchtigkeit ausgesetzt, härtet er zu einer dünnen und haltbaren Schicht Beton aus, die zugleich wasserdicht und feuerfest ist.

„Man muss einfach nur noch Wasser hinzufügen“, erklärt William Crawford, der das Material gemeinsam mit Peter Brewin erfand, als die beiden noch Ingenieurswissenschaften am Royal College of Art in London studierten. Das neue Material ist mit einer dünnen Plastikschicht ausgestattet, die mit einem elektrischen Gebläse aufgeblasen werden kann, um so die Form der gewünschten Struktur herzustellen, bis der Beton ausgehärtet ist. Es wird hauptsächlich für Betongebäude im Militärsektor verwendet. Der Unterstand bietet Schutz vor Schrapnellen, Druckwellen und Schüssen aus Handfeuerwaffen.

Die positiven Eigenschaften von Beton führten auch zu einer neuen Materialklasse namens BlingCrete – Beton mit retroreflektierenden Eigenschaften, erreicht durch in die Oberfläche von Betonelementen eingebettete Mikroglaskugeln. Diese Glaskugeln reflektieren einstrahlendes Licht direkt zurück zur Lichtquelle, was zu einem dreidimensionalen Eindruck auf zweidimensionalen Oberflächen führt.

Zu den potenziellen Anwendungen von BlingCrete gehört die sicherheitsrelevante Markierung von Gefahrenpunkten im Baubereich. Das Material kann auch für die Entwicklung integrierter Wegeleitsysteme und neuartiger Oberflächenkomponenten verwendet werden, darunter Fassaden, Fußböden und Decken. Der Hersteller, Hering International aus Burbach bei Siegen, wurde für sein innovatives Material vor kurzem mit dem DesignPlus Preis des Rats für Formgebung ausgezeichnet. Die Jury zeigte sich in ihrer Begründung vor allem von der hohen Modulationsfähigkeit des Betons beeindruckt.

MATERIALSCHLACHT UM LEICHTBAU-FAHRZEUGE

Der dritte bedeutende Trend, hinter dem erneut wachsendes Umweltbewusstsein steht, ist die intensive Suche nach leichtgewichtigen Materialien für den Automobilbau. Faserverbundwerkstoffe werden zwar schon seit vielen Jahren in den Karosserien von Sportwagen und Autos im Premiumsegment eingesetzt, doch Forscher arbeiten bereits an der Entwicklung weiterer leichter Materialien.

Ein vielversprechendes neues Material ist Aluminiumschaum. Er ist extrem leicht, schalldämmend und absorbiert kinetische Energie bei Zusammenstößen. Erfunden hat ihn Joachim Baumeister am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Bremen.

Um den Schaum zu erzeugen, wird zuerst eine Mischung aus Aluminiumpulver und einem Schäummittel – normalerweise Titanhydrid – zusammengepresst und dann durch Erhitzung auf seine Schmelztemperatur aufgeschäumt. Eine der ersten Anwendungen sind Gepäcknetze im Audi Q7, wo der Aluminiumschaum bei Zusammenstößen die Vorwärtsbewegung von Gepäckstücken abbremst.

Neben KFZ-Komponenten könnte Aluminiumschaum aber auch in vielen anderen gefertigten Gegenständen eingesetzt werden. So profitieren zum Beispiel mobile Hebebühnen und Schienenfahrzeuge ebenso von der Dämpfungsleistung des Schaums. „Die Nutzung dieses Materials ist sinnvoll bei Anwendungen, in denen es auf eine hohe Steifigkeit und Energieaufnahme ankommt“, sagt Baumeister. „Ein weiteres Merkmal von Metallschäumen ist ihre geringe Wärmeleitfähigkeit. Damit eignen sie sich auch bestens für die Wärmedämmung.“

Mit Verfahren wie diesen, die die Eigenschaften bekannter Elemente verändern und neue Anwendungen für organische Substanzen erschließen, verschiebt die Materialwissenschaft die Grenzen des Machbaren und öffnet die Tür zu einer Welt der Produktinnovationen.

von Mona Clerico Zurück zum Seitenbeginn
von Mona Clerico