Keine Innovation ohne neue Materialien. Das gilt nicht nur für die Industrie heute. Der Zusammenhang zieht sich durch die gesamte Geschichte der Menschheit. Die Legierung Bronze führte vor fast 4.000 Jahren zu härteren Beilen, Sicheln und Schwertern. Noch stabiler wurden sie gut 1.000 Jahre später in der Eisenzeit – dank Schmiedeisen. Und ab etwa 400 vor Christus revolutionierte der Pflug aus Eisen die Landwirtschaft. Nur 100 Jahre darauf begann die Verbreitung des römischen Betons. Das herausragende Material läutete mit mehrstöckigen Wohnhäusern, bis heute haltbaren Aquädukten und dem Pantheon in Rom ein neues Bauzeitalter ein. Dem Mittelalter verdanken wir ein besonders vielseitiges Material: Glas. Davon zeugen bunte Kirchenfenster, antike Brillen und die Erfindung von Mikroskop und Teleskop um das Jahr 1600.

Von Plastik über Stahlbeton bis zu Halbleitern für elektronische Schaltkreise glänzte das 20. Jahrhundert mit neuen Materialien, die unsere Epoche grundlegend prägen. Seitdem beschleunigt sich die Suche nach neuen Werkstoffen immens. Fortlaufend geben Materialforschende mit tausenden wissenschaftlichen Veröffentlichungen jede Woche, mehr als drei Millionen jedes Jahr, neue Impulse für unseren Alltag und alle Industriefelder. Sei es Energie, Ernährung, Kleidung, Wohnen, ­Mobilität, Datenverarbeitung oder Gesundheit.

Energiesektor profitiert besonders

„Werkstoffe zusammen mit Erfindergeist und Unternehmertum sind Voraussetzung, Basis und Motor für Innovationen“, betont die Deutsche Akademie der Technikwissenschaften acatech. Ebenso variantenreich wie die Materialien selbst zeigen sich die Entwicklungswege. Auf diesen arbeiten Forschende aus vielen Disziplinen von der Physik über die Chemie bis zur Biologie eng zusammen. Mal inspiriert eine fest haftende Muschel zu einem neuen Klebstoff, mal hilft eine KI bei der Suche nach einer neuen Kunststoffformel, mal schlägt einfach der Zufall zu wie bei der Entdeckung des Teflons.

Besonders stark profitiert der Energiesektor von neuen Materialien und den mit ihnen verknüpften pfiffigen Fertigungsverfahren. Hauchdünne Schichten aus kristallinem Silizium, gepaart mit durchsichtigen und dennoch elektrisch leitfähigen Elektroden aus speziellen Metalloxiden, stecken in fast jeder Solarzelle. Dank extrem gefallener Fertigungskosten erzeugen Solarkraftwerke heute den mit Abstand günstigsten Strom. Die noch sehr junge Materialklasse der Perowskite wird diesen Trend fortschreiben. Denn Kristalle wie Methylammoniumbleiiodid wandelten in einer ersten Perowskit-­Solarzelle im Jahr 2009 gerade mal 3,8 Prozent der Energie im Sonnenlicht in elektrischen Strom um. Heute sind es bereits knapp 27 Prozent – mehr als jedes Solarmodul aus Silizium. Wieder andere Solarzellen aus organischen Materialien sind die Grundlage für flexible Solarfolien und verwandeln sogar Fenster in kleine Solarkraftwerke.

Beispiele aus den Smart-Material-Laboren

Ähnlich rasant entwickeln sich Stromspeicher, wie etwa Lithiumionen-Batterien, dank immer effizienterer und stabilerer Materialien für Plus- und Minuspol. Der Vorteil: Kostete 2005 ein Speicher für eine Kilowattstunde Strom noch fast 3.000 Euro, sind es heute weniger als 90 Euro. Aktuell drängen Batterien auf der Basis von billigem Natrium anstelle von Lithium in den Markt und lassen die Preise weiter fallen. Parallel kombinieren Materialforschende Elektroden mit flexiblen Kunststoffen. So entstehen sogar bieg- und dehnbare Batterien. Flüssige und gelartige Elektrolyte verleihen ihnen sogar Selbstheilungskräfte. Filigrane Mikrorisse, die während der Ladezyklen entstehen können, schließen sich völlig eigenständig.

Schaeffler setzt auf intelligente Materialien

„Letztlich basiert jede Produktinnovation auf einer Materialinnovation“, sagt Prof. Dr.-Ing. Tim Hosenfeldt, Senior Vice President bei Schaeffler (siehe auch Interview unten). Diese Denkweise bildet die Basis, um neue Materialien aus dem Labor tatsächlich in die massenhafte Anwendung zu bringen. Hauchdünne Schichten aus Kohlenstoff reduzieren bereits Reibungsverluste in Maschinen und optimieren Brennstoffzellen, mit denen aus Wasserstoff effizient elektrischer Strom erzeugt werden kann. Aktuell setzt das Unternehmen verstärkt auf dünne funktionale Schichten, die zusätzlich als Sensor wirken und Dehnung, Verformung und Kräfte messen können. „Intelligente Materialien messen die Werkstoffbeanspruchung und reagieren darauf“, sagt Hosenfeldt.

„Bei technischen Problemen ist es oft hilfreich, die Natur zu beobachten und zu schauen, wie sie das Problem gelöst hat.“

Robotik-Forscher Prof. Dr. Jean Meyer

Das verleiht nicht nur Maschinen ein längeres und verschleißärmeres Leben. Auch Roboter profitieren von dieser Entwicklung. Dank fühlender Sensor-Beschichtungen greifen sie behutsamer zu und ordnen hochempfindliche Bauteile etwa in Chip­fabriken schnell und schonend an. Die Greifer selbst könnten sich in Zukunft sogar auf Knopfdruck verwandeln – mal weich, mal hart. Das Vorbild dafür fanden Forschende von der University of Pennsylvania in der Roten Gorgonie, einer Korallenart. In ihrem Skelett lagern sie feste, filigrane Kalkkörperchen in einem flüssigen Gel ein. Wirken nun starke Kräfte von außen, verzahnen sie sich und versteifen so in Sekundenschnelle das gesamte Skelett. „Bei technischen Problemen ist es oft hilfreich, die Natur zu beobachten und zu schauen, wie sie das Problem gelöst hat, anstatt sich im Labor lange den Kopf zu zerbrechen“, sagt Robotik-Forscher Prof. Dr. Jean Meyer von der Technischen Hochschule Würzburg-Schweinfurt. Auch bei vielen Materialien ist dieser Bionik-Ansatz bereits gelungen. Spezielle Lacke imitieren die schmutzabweisende Wirkung von Blättern der Lotuspflanze. Haihaut-Strukturen verringern unerwünschten Bewuchs auf Schiffsrümpfen. Muschel-Klebstoffe, die auf nassen Oberflächen haften, stehen für das nahtfreie Verschließen von Wunden in der Entwicklung. Sehr leichte und dennoch stabile Materialien im Fahrzeugbau ahmen den vernetzten Aufbau von Knochenstrukturen nach.

Bionische Materialien finden sich auch in optischen Technologien. Tausende winziger Noppen, jede nur wenige Milliardstel Meter hoch, bedecken die Facettenaugen von Motten, um bei Dunkelheit besser sehen zu können. Ähnliche Nanostrukturen entspiegeln heute die Oberflächen von Brillengläsern, Solarzellen und Bildschirmen. Fasern nach dem Vorbild von Spinnenseide gelten als Kandidaten für besonders stabile und leichte ­Textilien. Doch solche Fasern könnten – kombiniert mit Cellulose – auch als Lichtleiter ähnlich wie eine Glasfaser taugen. Deutlich näher an einer konkreten Anwendung stehen dagegen Strukturfarben. Diese lassen die Panzer von Käfern oder die Flügel von Schmetterlingen in schillernden Farben erscheinen – ganz ohne jeden Farbstoff. Verantwortlich dafür sind natürliche Nanostrukturen, die Licht abhängig von der Wellenlänge – und damit Farbe – reflektieren. Mit 3D-Druckern lassen sich diese Strukturfarben künstlich erzeugen und ermöglichen neue fälschungssichere Merkmale für Geldscheine.

Next step: Metamaterialien

Heute gibt es einen ganzen Strauß von Methoden, um solche und noch feinere Nanostrukturen herzustellen. Sie zählen ebenfalls zu den neuen Materialien. Denn ihre Eigenschaften unterscheiden sich drastisch von weitaus größeren Festkörpern, obwohl sie aus dem identischen Material bestehen. Hier sticht die noch junge Klasse der Metamaterialien heraus. Es sind streng symmetrisch angeordnete Strukturen aus bekannten Werkstoffen wie Kupfer, Glas oder gar Kunststoffen. Doch genau diese Strukturen können die Ausbreitung von Schall-, Funk- und sogar Lichtwellen massiv beeinflussen, fokussieren und sogar um Objekte herumlenken. In besonders kompakten Lautsprechern und Mobilfunkmasten werden sie bereits eingesetzt. Extrem flache optische Linsen etwa für Smartphones stehen in der Entwicklung. Und sogar Tarnkappen, die auf sichtbares Licht reagieren und Objekte verschwinden lassen, sind mit Metamaterialien theoretisch möglich. In einem Labor an der University of California in Berkeley hat das immerhin schon für rotes Licht geklappt.

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Ganz alltäglich sind dagegen Nanostrukturen im Computer. Sie brauchen mittlerweile so wenig Platz, dass sich Milliarden von Transistoren auf einem Chip ballen. Dominiert in der Datenverarbeitung seit Jahrzehnten das Halbleitermaterial Silizium, eröffnen nun neue Materialien den Sprung zum vielfach leistungsfähigeren Quantencomputer. Nicht nur an zahlreichen Universitäten, auch in den Entwicklungsabteilungen vieler Unternehmen wie IBM, Microsoft oder Google wird an passenden Quantenmaterialien gearbeitet. Dazu zählen beispielsweise winzige Diamanten mit einzelnen Lücken in der Kristallstruktur oder sogenannte 2D-Materialien. Diese sind wie die 2004 entdeckte Kohlenstoffvariante Graphen nur eine einzige Atomlage dick und zeigen völlig neue Eigenschaften. In diesen Quantenmaterialien schalten nicht mehr Bits zwischen den digitalen Basiswerten „0“ und „1“, sondern Qubits. Das Besondere: Qubits können neben „0“ und „1“ zugleich auch alle Werte dazwischen einnehmen. Das ermöglicht ein einzigartiges paralleles Rechnen, zu dem kein klassischer Computer fähig ist.

Neue Materialien für Öko-Anwendungen

Neue Materialien legen aber nicht nur die Basis für ein stetiges „Schneller, höher, weiter“. Sie sind auch der Schlüssel zu mehr Nachhaltigkeit und Klimaschutz. So läuft am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) seit zwei Jahren eine Pilotanlage, die Belit-Zementklinker aus Bauschutt gewinnt. „Grundlage ist das Recycling von Beton“, sagt Entwicklerin Dr. Rebekka Volk. Der neue Baustoff kann klassischen Portland-Zement ersetzen und soll in Zukunft zu einem Verfahren zur Herstellung von klimaneutralem Kreislaufbeton führen. Forschende an der TU Dresden setzen auf hochfesten Carbonbeton. Die extreme Stabilität beruht nicht mehr auf integrierten Stahlnetzen, sondern auf eingelagerten Kohlenstofffasern. Die Vorteile: viel dünnere Bauteile, die bis zu 80 Prozent Material und Kohlendioxid einsparen.

Noch weiter denken Jürgen Klankermayer und Regina Palkovits von der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen. Ihr Ziel: eine geschlossene Kreislaufwirtschaft für Kunststoffe. Denn das einst neue Material Plastik mitsamt seinen abertausenden Varianten hat sich binnen weniger Jahrzehnte vom Segen zum Fluch entwickelt. Nur neun Prozent der jedes Jahr produzierten 400 Millionen Tonnen Plastik werden recycelt. Der Rest endet als Müll – etwa in gigantischen Strudeln in den Ozeanen oder als Mikroplastik in Böden, Wasser, Luft und Lebewesen rund um den Globus. Um den Plastik-Fluch zu bannen, setzen die Forschenden auf neue Katalysatoren und Prozesse, um Abfall-Plastik in Molekülgruppen zu zerlegen und daraus immer wieder neue, hochwertige Kunststoffe zu schaffen. „Wir wollen Kunststoffe nicht ganz abbauen bis zum Synthesegas oder sie gar zu CO₂ verbrennen, sondern sie nur so weit verkleinern, dass sie gut wiederverwendbar sind“, sagt Palkovits. Ihr Projekt „Catalaix“ geht diese Herkules-Aufgabe an. Sie wird eher Jahrzehnte als Jahre dauern und wie jeder Zweig der Materialforschung viele kluge Köpfe brauchen.

„Jede Produktinnovation basiert auf einer Materialinnovation“

© Schaeffler/Daniel Karmann

Interview mit Prof. Tim Hosenfeldt, Leiter ­Zentrale Innovation bei Schaeffler.

Welche Rolle spielen intelligente Oberflächen und multifunktionale Werkstoffe?
Einer unserer Schwerpunkte liegt auf intelligenten, multifunktionalen Werkstoffen, etwa in der Dünnschichttechnologie. ­Extrem dünne funktionale Schichten werden direkt auf ­Bauteiloberflächen aufgebracht, ohne zusätzlichen Bauraum zu beanspruchen. Sie wirken als sensorische Oberflächen, erfassen kontinuierlich Daten zu Dehnung, Verformung, Kräften oder Momenten und übertragen diese in Echtzeit. So kann unmittelbar auf Veränderungen reagiert werden.

Zum Beispiel?
In Dichtungssystemen lassen sich Spalte dynamisch anpassen, um Reibung zu senken und zugleich die Abdichtung zu sichern. In der Robotik ermöglichen solche Lösungen eine präzise Kraftmessung nahe am Bewegungspunkt und steigern Effizienz, Genauig­keit und Lebensdauer. ­Angesichts wachsender Anforderungen an Korrosions-, Temperatur- und Belastungsbeständigkeit gewinnen multifunktionale Werkstoffe an Bedeutung. Unser Ziel ist es, mehrere Funktionen in einem Material zu vereinen. Intelligente Materialien messen die Werkstoffbeanspruchung und reagieren im Idealfall adaptiv darauf, möglichst ohne zusätzliche Mechanik.

Wie wurden bei Schaeffler aus solchen Innovationen industrielle Serienlösungen?
Ein zentrales Beispiel für unsere Materialkompetenz sind diamantartige Kohlenstoffschichten (DLC). Mit diesen unterschiedlichen Kohlenstoff-Modifikationen beschichten wir jährlich über 100 Millionen Bauteile. Ursprünglich wurden sie für Verschleißschutz, Reibungsreduzierung und tribologische Optimierung entwickelt. Inzwischen haben wir diese Technologien jedoch gezielt für elektrochemische Anwendungen weiterentwickelt, insbesondere für metallische Bipolarplatten in PEM-Brennstoffzellen. Hier war die Herausforderung, Korrosions­schutz und hohe elektrische Leitfähigkeit ohne kostenintensive Edelmetalle sicherzustellen.

Wie hat Schaeffler diese Herausforderung gemeistert?
Unsere Lösung basiert auf einem kostengünstig umformbaren austenitischen Stahl als Grundwerkstoff, der mit einer nur etwa 0,5 Mikrometer dünnen Funktionsschicht versehen wird. Die Bipolarplatten selbst sind lediglich rund 80 Mikrometer dick. Das entspricht etwa einem menschlichen Haar. Dies ermöglicht leichte, kompakte und leistungsfähige Brennstoffzellensysteme, insbesondere für mobile Anwendungen.

Wie verbinden Sie technologische Leistungsfähigkeit mit Nachhaltigkeit und Kosteneffizienz?
Materialinnovation ist für uns der zentrale Hebel jeder technologischen Weiterentwicklung. Bei neuen materialbasierten Produkten spielt der Werkstoff hinsichtlich Funktionalität, Leistungsfähigkeit, Nachhaltigkeit und Kosten die entscheidende Rolle und muss dementsprechend von Anfang an in den Designprozess einbezogen werden. Ein gutes Beispiel sind metallische Bipolarplatten für Brennstoffzellen. Hier treffen scheinbar gegensätzliche Anforderungen aufeinander. Einerseits braucht es einen sehr hohen Korrosionsschutz, insbesondere im Kontakt mit Wasserstoff. Andererseits ist eine hohe und gleichbleibende elektrische Leitfähigkeit zwingend erforderlich.

Ist das Wissen über neue Materialien anwendungsübergreifend einsetzbar?
Ja, ähnliche Ansätze wie bei den Bipolarplatten verfolgen wir bei Feststoff-Batterien oder elektrischen Antrieben. Auch hier geht es darum, widersprüchliche Eigenschaften zu vereinen, etwa hohe elektrische Isolation bei gleichzeitig effizienter Wärmeableitung. Solche Funktionskombinationen lassen sich nur über intelligente Material- und Prozess­entwicklung realisieren, direkt appliziert auf das Bauteil. Dies gilt ebenso für Zukunftsfelder wie Halbleitertechnologie oder Supraleitung, etwa im Kontext von Kernfusion. Letztlich basiert jede P­roduktinnovation auf einer Materialinnovation. Gleichzeitig bestimmen Werkstoffe – vom Rohstoffpreis über die Herstellbarkeit bis hin zur industriellen Skalierung – die Kostenstruktur eines Produkts. Materialentscheidungen sind daher immer auch wirtschaftliche Entscheidungen.