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Dec 01, 2023

Technologie vierteljährlich

Technologie vierteljährlich Neue Materialien für die Herstellung von Materialien

Technologie vierteljährlich

Neue Materialien für die Fertigung

Materialunterschied

Die Materialwissenschaft verändert rasant die Art und Weise, wie alles vom Auto bis zur Glühbirne hergestellt wird, sagt Paul Markillie

„Ich verlasse mich überhaupt nicht auf Zahlen“, sagte Thomas Edison. „Ich versuche ein Experiment und begründe das Ergebnis irgendwie mit Methoden, die ich nicht erklären konnte.“ Und so kam es, dass Edison durch das Testen von 1.600 verschiedenen Materialien, von Kokosfasern bis hin zu Angelschnüren und sogar einem Haar aus dem Bart eines Kollegen, schließlich eine bestimmte Bambusart fand, die in karbonisierter Form als Filament im ersten Teil verwendet werden konnte Glühbirne. Er demonstrierte es am Silvesterabend 1879 in seinem Labor in Menlo Park, New Jersey.

Die Einzelheiten all dieser mühsamen Versuche und Irrtümer füllten mehr als 40.000 Seiten von Edisons Notizbüchern, aber seine Lösung wurde bald verdrängt. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden Glühfäden aus Wolfram hergestellt, die heller brannten und länger hielten. Über 100 Jahre lang wurde die Welt von Glühbirnen mit Wolframfäden beleuchtet, und die Glühbirne wurde zum festen Kürzel des Karikaturisten für Innovationen aller Art.

Heutzutage werden Glühbirnen durch Leuchtdioden (LEDs) ersetzt, die Elektrizität effizienter in Licht umwandeln als Glühfäden und eine wesentlich längere Lebensdauer haben. LEDs tauchten erstmals in den 1960er Jahren als Anzeigeleuchten für elektrische Geräte auf. Heute sorgen sie für eine kraftvolle Beleuchtung von Gebäuden, Straßen und Autos. In armen Teilen der Welt bringen sie Menschen Licht, die noch nie eine altmodische Glühbirne gesehen haben.

Sowohl Edisons Glühbirne als auch die LED sind Erfindungen der Materialwissenschaft, dem Prozess der Umwandlung von Materie in neue und nützliche Formen. Aber in den Jahren dazwischen wurden sowohl die Materialien als auch die Wissenschaft viel komplexer. Die Halbleitermaterialien wie Germanium oder Silizium, aus denen LEDs hergestellt werden, oft unter sorgfältiger Zugabe von Atomen einer anderen Substanz, erfordern einen anderen Ansatz als in Menlo Park. Die Art des Lichts, das sie erzeugen, wird durch mikroskopische Strukturen und die Details dieser zusätzlichen Atome fein abgestimmt. Pace Edison, so etwas hängt von vielen Zahlen ab – ganz zu schweigen von der Quantentheorie.

Die Fähigkeit, die Eigenschaften von Materialien in kleinsten Maßstäben zu verstehen, ermöglicht es Menschen nicht nur, alte Dinge besser zu machen; es ermöglicht ihnen, neue Dinge zu tun. Zu Edisons Zeiten war die Verwendung von Licht zum Senden von Nachrichten die Domäne der Aldis-Lampen, die Nachrichten im Morsecode von Schiff zu Schiff blinken ließen. Laserdioden – Halbleitergeräte, die so konstruiert sind, dass sie ein viel reineres Licht als LEDs erzeugen – können milliardenfach pro Sekunde kontrolliert ein- und ausgeschaltet werden. In einer erstaunlichen Anzahl von Anwendungen, bei denen Informationen von A nach B gelangen müssen – seien es die Endpunkte einer DVD und eines Lautsprechers, ein Barcode und eine Supermarktkasse oder die beiden Enden eines transatlantischen Glasfaserkabels – erledigen Laserdioden diese Aufgabe arbeiten. Bei aller scheinbaren Abstraktion ist die virtuelle Welt auf sehr realen, sehr gut verstandenen Materialien aufgebaut.

Einige Wissenschaftler bezeichnen dies als „goldenes Zeitalter“ der Materialien. Neue, leistungsstarke Stoffe wie exotische Legierungen und superstarke Verbundwerkstoffe entstehen; „intelligente“ Materialien können sich ihre Form merken, sich selbst reparieren oder zu Bauteilen zusammenfügen. Kleine Strukturen, die die Art und Weise verändern, wie etwas auf Licht oder Schall reagiert, können verwendet werden, um ein Material in ein „Metamaterial“ mit ganz unterschiedlichen Eigenschaften zu verwandeln. Befürworter der Nanotechnologie sprechen davon, Dinge Atom für Atom aufzubauen. Das Ergebnis ist eine Flut neuer Substanzen und neuer Ideen, wie man sie nutzen kann, um alte Dinge besser zu machen – und neue Dinge, die noch nie zuvor hergestellt wurden.

Die Materialabteilungen der Universitäten florieren, bringen eine lebendige Unternehmerkultur hervor und bringen eine Flut von Innovationen hervor (siehe Kasten unten). Viele dieser Entdeckungen werden nicht von der Labordemonstration in ein kommerzielles Angebot überführt werden können. Aber manche könnten die Welt verändern, wie es Glühbirnen taten.

Schneller höher stärker

Das Verständnis der materiellen Welt, das ein Jahrhundert der Physik und Chemie ermöglicht hat, ist für einen Großteil des immer schnelleren Fortschritts verantwortlich. Aber das ist kein einfacher Triumph der Theorie. Auch Instrumente sind wichtig. Maschinen wie Elektronenmikroskope, Rasterkraftmikroskope und Röntgensynchrotrons ermöglichen es Wissenschaftlern, Materialien viel detaillierter zu messen und zu untersuchen, als dies jemals zuvor möglich war.

Ein Projekt am International Centre for Advanced Materials der Universität Manchester zeigt solche Fortschritte in der Praxis. In einem seiner Labore untersuchen Wissenschaftler mithilfe der Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS), wie Wasserstoffatome – die kleinsten Atome überhaupt – in Materialien wie Stahl diffundieren, ein Prozess, der winzige Risse verursachen kann. Bei SIMS wird eine Probe mit einem Strahl geladener Teilchen beschossen, wodurch Sekundärteilchen von der Oberfläche ausgeschleudert werden. Diese werden von einer Reihe von Detektoren gemessen, um ein Bild mit einer Auflösung von bis zu 50 Nanometern (Milliardstel Metern) zu erzeugen. Es deckt nicht nur die kristalline Struktur des Metalls – und etwaige Fehler darin – auf, sondern bestimmt auch chemische Verunreinigungen, wie etwa das Vorhandensein von Wasserstoff. „Wir können jetzt an einem Nachmittag das schaffen, was wir früher in Monaten geschafft haben“, sagt Paul O’Brien, Professor an der Universität. Die Hoffnung besteht darin, dass BP, der Ölkonzern, der das Zentrum finanziert, dadurch bessere Stähle für seine Offshore- und Verarbeitungsarbeiten erhält.

Neben immer besseren Instrumenten profitieren die Forscher auch von einem massiven Anstieg der verfügbaren Rechenleistung. Dies ermöglicht es ihnen, die Eigenschaften virtueller Materialien im Detail zu erkunden, bevor sie entscheiden, ob sie versuchen, daraus etwas zu machen.

„Wir kommen aus einer Zeit, in der wir blind waren“, sagt Gerbrand Ceder, Batterieexperte an der University of California in Berkeley. Zusammen mit Kristin Persson vom Lawrence Berkeley National Laboratory gründete Herr Ceder das Materials Project, ein Open-Access-Projekt, das eine Gruppe von Supercomputern nutzt, um die Eigenschaften aller bekannten und vorhergesagten Verbindungen zusammenzustellen. Die Idee dahinter ist, dass Forscher sich nicht mehr auf die Suche nach einem Stoff mit den gewünschten Eigenschaften für eine bestimmte Aufgabe machen müssen, sondern bald in der Lage sein werden, die Eigenschaften zu definieren, die sie benötigen, und ihr Computer ihnen eine Liste geeigneter Kandidaten liefert.

Ihr Ausgangspunkt ist, dass alle Materialien aus Atomen bestehen. Wie sich jedes Atom verhält, hängt davon ab, zu welchem ​​chemischen Element es gehört. Alle Elemente haben unterschiedliche chemische Eigenschaften, die von der Struktur der Elektronenwolken abhängen, aus denen die äußeren Schichten ihrer Atome bestehen. Manchmal paart ein Atom eines seiner Elektron mit einem Elektron eines benachbarten Atoms, um eine „chemische Bindung“ zu bilden. Dabei handelt es sich um die Art von Verbindungen, die Molekülen und einigen Arten kristalliner Materialien, beispielsweise Halbleitern, Struktur verleihen. Andere Atomarten teilen ihre Elektronen gerne weiter. In einem Metall teilen sich die Atome viele Elektronen; Es gibt keine Bindungen (die Metalle formbar machen) und elektrische Ströme können frei fließen.

Wenn es darum geht, chemische Bindungen herzustellen, spielt ein Element, nämlich Kohlenstoff, in einer eigenen Liga; Daraus kann eine mehr oder weniger unendliche Anzahl unterschiedlicher Moleküle hergestellt werden. Chemiker nennen diese kohlenstoffbasierten Moleküle organisch und haben einen ganzen Zweig ihres Fachs – die anorganische Chemie – darauf verwendet, sie zu ignorieren. Das Materialprojekt von Herrn Ceder ist in diesem anorganischen Bereich angesiedelt. Es wurden etwa 60.000 Materialien simuliert, und in fünf Jahren dürften es 100.000 sein. Dies wird das liefern, was die Projektmitarbeiter das „Materialgenom“ nennen: eine Liste der grundlegenden Eigenschaften – Leitfähigkeit, Härte, Elastizität, Fähigkeit, andere Chemikalien zu absorbieren usw. – aller Verbindungen, die einem in den Sinn kommen. „In zehn Jahren wird jemand, der sich mit Materialdesign befasst, über all diese Zahlen und Informationen darüber verfügen, wie Materialien interagieren“, sagt Ceder. „Früher gab es davon nichts wirklich. Es war alles Versuch und Irrtum.“

Ein Spaziergang durch die Labore von General Electric (GE) – dem Unternehmen, in dem Edisons auf Versuch und Irrtum basierende Geschäfte 1892 zusammengelegt wurden – zeigt, dass ähnliche Ansätze bereits in der Praxis umgesetzt werden. Michael Idelchik, Leiter von GE Research, weist auf neue künstliche Granate hin, die für den Einsatz in Körperscannern entwickelt wurden. Um Bilder zu erzeugen, müssen die Scanner Röntgenstrahlen in sichtbares Licht umwandeln. Je besser sie das können, desto geringer ist die Strahlendosis, der der Patient ausgesetzt ist. Das Unternehmen untersuchte 150.000 subtil unterschiedliche Arten von Kristallen, die bei Einwirkung von Röntgenstrahlen funkeln, bevor es sich für eine bestimmte Art von Granat entschied, was, so hofft es, Scans viel schneller machen wird – sicherer und angenehmer für den Patienten, kostengünstiger für das Krankenhaus.

Zu den Möglichkeiten, die einzelne Materialien bieten, kommt die möglicherweise noch reichhaltigere Welt der Kombination dieser Materialien. An anderer Stelle im Imperium von Herrn Idelchik konzentriert sich die Arbeit auf den Ersatz von Nickellegierungsteilen für Düsentriebwerke durch Teile aus Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen (CMCs). Aufgrund ihrer starken chemischen Bindungen sind Keramiken hitzebeständiger als Metalle; Gleichzeitig sind sie aus ähnlichen Gründen spröder. Ein CMC, das ein Metall mit einer Keramik kombiniert – GE verwendet Siliziumkarbid – kann Ihnen das Beste aus beiden Welten bieten. Das Unternehmen hofft, dass CMCs, die weniger Kühlung benötigen, effizientere Motoren bedeuten, die weniger Kohlendioxid ausstoßen.

Rechenleistung hilft dabei, solche Hybriden zu schaffen. Es hilft Designern auch zu verstehen, wie solche neuartigen Materialien am besten verwendet werden können. Viele Prototypen werden mittlerweile in virtueller Form hergestellt, lange bevor ein physisches Produkt hergestellt wird, und zwar mit Software von Unternehmen wie Altair, einem Unternehmen aus Michigan, Autodesk, einem kalifornischen Unternehmen (siehe das „Brain Scan“-Interview weiter unten in diesem Bericht) und Dassault Systèmes , eine französische Gruppe. Ingenieure können eine Chemiefabrik modellieren, Architekten können Kunden durch eine digitale Darstellung eines Gebäudes „führen“ und Autos können virtuell auf verschiedenen Straßen getestet und neben den Fahrzeugen der Konkurrenz in Straßenszenen geparkt werden.

All dies beschleunigt die Produktentwicklung erheblich. Die Software ist leistungsstark genug, um die Eigenschaften der verwendeten Materialien zu berücksichtigen und so Dinge wie Belastungen, Spannungen, Strömungsdynamik, Aerodynamik, thermische Bedingungen und vieles mehr zu berechnen.

Hersteller beginnen gerade erst, das Potenzial zu erkennen, das sich daraus ergibt, sagt Jeff Kowalski, Chief Technology Officer von Autodesk. Viele Firmen passen Teile einfach an die Verwendung neuer Materialien an und gehen davon aus, sie mit denselben Werkzeugen und Prozessen wie zuvor herzustellen. Das führe zu „minderwertigen Ergebnissen“, meint er. Wenn neue Materialien verwendet werden, um Produktionsprozesse neu zu definieren und völlig neue Produkttypen zu ermöglichen, werden die Dinge wirklich innovativ und Cartoonisten können Glühbirnen über die Köpfe der Menschen zeichnen.

Genau das Richtige

Die Wirtschaft sei auf dem Weg in eine Welt des „generativen Designs“, sagt Herr Kowalski: Ingenieure werden darlegen, was sie erreichen wollen, und der Computer wird Designs liefern, die diesem Zweck entsprechen. Mit zunehmendem Materialwissen werden Computer auch Materialien finden, die den von einem Designer festgelegten Eigenschaften entsprechen. Die Eigenschaften von Materialien können sogar über ihre Länge und Breite variieren, da es immer einfacher wird, an der Mikrostruktur herumzubasteln. Einige Unternehmen sind bereits auf dem besten Weg, solche maßgeschneiderten Materialien in der Savile Row anzubieten.

Technik auf molekularer Ebene verbessert sowohl alte Materialien als auch die Schaffung neuer

NANOPARTIKEL gelten oft als neue, von Menschenhand geschaffene Erfindung, doch in der Natur gibt es sie schon lange – Salz aus dem Meer und Rauch von Vulkanen kommen in Form von Nanopartikeln in der Atmosphäre vor. Was Materialwissenschaftler interessiert, ist die Tatsache, dass es mit modernen Verarbeitungstechniken möglich ist, viele Massenmaterialien in Nanopartikel umzuwandeln – gemessen als 100 Nanometer (milliardstel Meter) oder weniger. Der Grund dafür ist, dass Nanopartikel aufgrund von Quantenmechanik und anderen Effekten neue oder stark verbesserte Eigenschaften annehmen können. Dazu gehören einzigartige physikalische, chemische, mechanische und optische Eigenschaften, die mit der Partikelgröße zusammenhängen. Ingenieure können einige dieser Eigenschaften nutzen, indem sie Nanopartikel in ihre Materialien einbauen.

Die Physikerin Christina Lomasney nutzt Nanopartikel, um Nanolaminate herzustellen, eine völlig neue Materialklasse. Sie ist Mitbegründerin von Modumetal, einem Unternehmen aus Seattle, das eine Art elektrolytische Abscheidung entwickelt. Das funktioniert ähnlich wie beim Galvanisieren, bei dem ein Metall, meist in Salzform, in einer Flüssigkeit suspendiert wird und sich bei Anlegen von elektrischem Strom auf einem Bauteil ablagert.

Modumetal hat eine Möglichkeit gefunden, dies mit großer Präzision zu bewerkstelligen, indem es verschiedene Metalle in der Flüssigkeit verwendet. Durch sorgfältige Manipulation des elektrischen Feldes baut es Schichten aus verschiedenen Metallen auf einer Oberfläche auf und steuert, wie diese Schichten miteinander interagieren. „Tatsächlich züchten wir ein Material und kontrollieren dessen Zusammensetzung und Mikrostruktur“, sagt Frau Lomasney. Das Unternehmen geht davon aus, dass dies im industriellen Maßstab kostengünstig und mit herkömmlichen Materialien wie Stahl, Zink und Aluminium möglich ist.

Seine ersten Produkte – verschiedene Pumpen, Ventile und Befestigungselemente – werden mit korrosionsbeständigen Schichten behandelt, die haltbarer sind als herkömmliche Behandlungen und bis zu achtmal länger halten. Einige davon werden bereits von Öl- und Gasunternehmen genutzt. Modumetal erweitert nun die Produktion und plant mit der Zeit, Strukturen nicht nur zu beschichten, sondern tatsächlich wachsen zu lassen.

Eine der wichtigeren Anwendungen für die Entwicklung der Mikrostruktur von Materialien sind Batterien. Diese wurden aus verschiedenen Materialien wie Bleisäure und Nickel-Cadmium hergestellt. Einige dieser Inhaltsstoffe sind nicht nur hochgiftig, sondern auch sperrig und schwer, weshalb Mobiltelefone in den 1980er Jahren ziegelsteinartig waren. Der wiederaufladbare Lithium-Ionen-Akku hat dazu beigetragen, sie schlanker zu machen.

Wissenschaftler arbeiten seit Jahrzehnten daran, Lithium als Batteriematerial zu nutzen, da es leicht und gut leitfähig ist. Der schwierige Teil war der Übergang vom Labor zur Großproduktion. Lithium ist von Natur aus instabil. Anstatt das Material in seiner metallischen Form zu verwenden, wandten sich die Forscher sicheren Verbindungen zu, die Lithiumionen enthalten. Im Jahr 1991 brachte Sony erfolgreich eine kommerzielle Version des Lithium-Ionen-Akkus auf den Markt und trug damit zur Transformation tragbarer Unterhaltungselektronik bei.

Solche Batterien versorgen mittlerweile alle Arten von Geräten, nicht nur Smartphones und Laptops, sondern auch Elektrowerkzeuge, Elektroautos und Drohnen. Herstellungsfehler und Überladung können dazu führen, dass sie überhitzen und sogar in Flammen aufgehen. Doch nach einer Reihe früher Rückrufe von Laptop-Akkus und einer Reihe von Bränden in Autos und Flugzeugen scheinen die Hersteller diese Probleme nun in den Griff zu bekommen.

Dennoch ist die Suche nach einer besseren Batterie noch nicht abgeschlossen. Für einige Anwendungen, wie zum Beispiel Elektroautos, wäre dies transformativ. Bis vor Kurzem konnte die Batterie eines Elektroautos 400 bis 500 US-Dollar pro Kilowattstunde kosten, was etwa 30 % der Gesamtkosten des Fahrzeugs ausmacht, aber die Kosten sinken (siehe Grafik). Im Oktober gab General Motors bekannt, dass die Batterie in seinem neuen Elektroauto Chevy Bolt, das 2016 auf den Markt kommen soll, etwa 145 US-Dollar pro Kilowattstunde kosten werde. Die Branche geht davon aus, dass Elektrofahrzeuge zum Mainstream werden, sobald die Kosten auf etwa 100 US-Dollar pro Kilowattstunde sinken, da sie ohne Subventionen mit Benzinautos aller Größen konkurrieren können.

Um dorthin zu gelangen, bedarf es einer cleveren Materialwissenschaft. Lithium-Ionen-Batterien werden normalerweise als laminierte Struktur mit einem als Elektrolyt bezeichneten Material in der Mitte hergestellt, typischerweise einer flüssigen oder gelartigen Substanz, durch die die Lithiumionen zwischen den Elektroden hin und her pendeln.

Lithium-Ionen-Batterien werden immer besser. Jeffrey „JB“ Straubel, Chief Technology Officer von Tesla, einem kalifornischen Hersteller von Elektroautos, sagt, dass die Batteriezellen für das aktuelle Model S des Unternehmens auf einer ähnlichen Ausrüstung hergestellt werden wie vor einem Jahrzehnt für das erste Auto des Unternehmens, den Roadster. Aber mit verbesserter Chemie und Produktionstechniken ist die darin gespeicherte Energie um 50 % gestiegen. Tesla hat sich mit seinem japanischen Batterielieferanten Panasonic zusammengetan, um in Nevada eine 5-Milliarden-Dollar-Fabrik zu bauen, die die Kosten für Autobatterien senken dürfte. Außerdem wird eine neue Tesla-Batterie namens Powerwall (im Bild) hergestellt, mit der zu Hause erzeugter Solarstrom gespeichert werden kann.

Tragen Sie es dünn auf

Andere Unternehmen erwägen einen radikaleren Wandel der Technologie. Eines davon ist Sakti3, ein Startup aus Michigan, das versucht, eine Lithium-Ionen-Batterie mit Festelektrolyt zu kommerzialisieren. Festkörper-Lithiumbatterien gibt es bereits, allerdings meist in Form von münzgroßen Backups in Stromkreisen. Die Ausweitung der Produktionsprozesse, um sie groß genug zu machen, um Geräte wie Telefone mit Strom zu versorgen, wäre horrend teuer.

Sakti3 hat jedoch einen Weg gefunden, eine feste Lithiumbatterie mit einem Dünnfilm-Abscheidungsprozess herzustellen, eine Technik, die bereits weit verbreitet ist, um Dinge wie Solarpaneele und Flachbildschirme herzustellen. „Festkörpertechnologie bietet etwa die doppelte Energiedichte – das ist die doppelte Gesprächszeit Ihres Telefons und die doppelte Reichweite Ihres Elektroautos“, sagt Ann Marie Sastry, Geschäftsführerin des Unternehmens. Zudem seien die Batteriezellen langlebiger und sicherer, fügt sie hinzu.

Warum wurde diese Technik bisher nicht zur Herstellung von Batterien eingesetzt? Der angebliche Vorteil des Unternehmens besteht darin, zu wissen, welche Materialien verwendet werden müssen und wie der Prozess kosteneffizient gestaltet werden kann. Alles, einschließlich der komplizierten Physik, wurde virtuell ausgearbeitet und ausgiebig getestet, bevor das Unternehmen eine Pilotproduktionslinie baute. Frau Sastry erklärt, dass das Unternehmen bei der Auswahl von Materialien und der Entwicklung von Prozessen mithilfe der virtuellen Computertests die Kosten einer Produktionssteigerung vorhersagen konnte. Wenn die Festkörperbatterien in großen Stückzahlen gebaut werden, dürften sie etwa 100 US-Dollar pro Kilowattstunde kosten, und es besteht Spielraum für weitere Verbesserungen.

Sakti3 geht zunächst davon aus, dass seine Festkörperzellen in der Unterhaltungselektronik eingesetzt werden, was umso wahrscheinlicher erscheint, als Dyson, ein britischer Hersteller von Elektrogeräten, das Unternehmen im Oktober für angeblich 90 Millionen US-Dollar gekauft hat. Dyson, der Erfinder des beutellosen Staubsaugers, expandiert in die Haushaltsrobotik und benötigt dafür seiner Meinung nach gute Batterien. Aber mit weiterer Technik könnten die Batterien auch in Elektroautos und Netzspeichern Einzug halten. Eine Reihe von Forschungsgruppen auf der ganzen Welt hoffen auf Durchbrüche bei der Batterie, darunter 24M, ein Startup aus Massachusetts, das Nanotechnologie nutzt, um eine sogenannte kostengünstige „halbfeste“ Lithium-Ionen-Batterie zu entwickeln.

„Ich denke, Batterien werden die Welt verändern“, sagt Herr Ceder aus Berkeley, „und das ist eine reine Materialfrage.“ Er hat an fast jeder Batterietechnologie gearbeitet, aber Lithium bleibt sein Favorit, nicht zuletzt, weil so viel Aufwand in sie gesteckt wurde. Sobald die Industrie viel in eine bestimmte Technologie investiert hat, verschaffen die gesunkenen Kosten etablierten Materialien einen enormen Vorteil. „Das heißt aber nicht, dass wir nicht versuchen werden, neue Materialien zu finden“, fügt er hinzu.

Hier gibt es eine Parallele zu Silizium. Dies ist nicht der beste Halbleiter, aber er ist leicht verfügbar, günstig und gut verstanden, und eine ganze Chipherstellungsindustrie wurde um ihn herum aufgebaut. Was die Branche vorangetrieben hat, ist das Mooresche Gesetz: die Verdoppelung der Rechenleistung auf einem Chip alle zwei Jahre ohne zusätzliche Kosten. Das Gesetz wurde 1965 von Gordon Moore, einem der Gründer von Intel, vorgeschlagen und ist seitdem in Kraft geblieben. Einige glauben jedoch, dass es zu Ende geht, wenn die auf einem Chip verpackten Merkmale die Größe von Atomen erreichen. In diesem Ausmaß treten Probleme wie Stromausfälle und Instabilität auf. Eines Tages könnte Silizium durchaus anderen Materialien Platz machen, die bessere elektrische Eigenschaften versprechen, etwa Galliumarsenid, Titantrisulfid oder möglicherweise Graphen.

Unbeanspruchter Schatz

Graphen wird oft als „Wundermaterial“ gepriesen und ist eine Form von Kohlenstoff, die 2004 an der Universität Manchester in Großbritannien von Andre Geim und Kostya Novoselov entdeckt wurde, die für ihre Arbeit den Nobelpreis für Physik erhielten. Es ist eines von mehreren zweidimensionalen Materialien, die so genannt werden, weil sie nur etwa ein Atom dick sind. Viele Forscher und Startups haben sich für Graphen entschieden, weil es extrem leicht und dennoch stark ist; es ist transparent; und es kann als Halbleiter eingesetzt werden. Bisher wird Graphen jedoch vor allem in Forschungslaboren verwendet, die immer noch auf der Suche nach einer „Killer-App“ sind. Mögliche Einsatzmöglichkeiten wären neben Computerchips auch Membranen zur Wasseraufbereitung, effizientere Solarzellen und unsichtbare Elektroden in Glas. Mittlerweile ist Kohlenstoff in anderen Formen in zwei der weltweit größten Fertigungsindustrien jedoch bereits ein großes Geschäft.

Kohlefaser-Verbundwerkstoffe machen Flugzeuge und mittlerweile auch Autos zum Kinderspiel

DAS Zentralgebäude des BMW-Automobilwerks in Leipzig ist ein auffallend modernes Bauwerk von Zaha Hadid, einer Architektin, die für ihre neofuturistischen Entwürfe bekannt ist. Die Fabrik produziert eine Vielzahl von Fahrzeugen, daher ist es keine Überraschung, eine Gruppe von Robotern in einem Bereich zu finden, die sich perfekt synchron bewegen und Körperteile mit einer Präzision zusammenbauen, die kein Mensch erreichen kann. Aber der Ort ist ungewöhnlich ruhig, ohne donnernde Metallstanzmaschinen oder Schweißfunkenschauer. Der Hinweis darauf, was vor sich geht, ist die Farbe der Komponenten. Statt des üblichen Silbers von Stahl oder Aluminium sind diese Teile schwarz. Sie bestehen aus einem Verbundmaterial namens Kohlefaser.

Auch sonst ist diese Fabrik anders. „Wir schweißen nicht, wir haben keine Nieten, keine Schrauben und keine Bolzen. Wir kleben nur Bauteile zusammen“, sagt Ulrich Kranz, Leiter der Abteilung, die seit 2013 in Leipzig die Elektro- und Hybridfahrzeuge i3 und i8 von BMW fertigt. Da die Kohlefaserkarosserie dem Fahrzeug seine Stabilität verleiht, sind die Außenverkleidungen überwiegend dekorativ und bestehen aus Kunststoff. Diese lassen sich einfach in einer kleinen Lackierkabine sprühen, während Metall eine aufwendige Korrosionsschutzbehandlung in einer riesigen und kostspieligen Lackiererei erfordert. Insgesamt verbraucht die i3-Fabrik 50 % weniger Energie und 70 % weniger Wasser als eine herkömmliche Anlage.

Bei der i-Serie handelt es sich um Autos der gehobenen Klasse, die aber immer noch in großen Stückzahlen produziert werden. BMW ist es gelungen, ein neues Material, das bislang nur in Kleinserien für Spezialanwendungen wie Luft- und Raumfahrt und Verteidigung verwendet wurde, in etwas zu verwandeln, das einer Massenproduktion nahekommt. Das erforderte radikale Veränderungen. Als der BMW-Vorstand Herrn Kranz 2007 aufforderte, ein elektrisches Stadtauto und ein Niedrigenergie-Produktionssystem zu entwickeln, tauchten er und sein Team unter, um den Ideen freien Lauf zu lassen.

Als Material wählte Herr Kranz Kohlefaser, nicht zuletzt um das Gewicht der Batterie auszugleichen. Das Material besteht aus dünnen Kohlenstofffäden, die zu einem Stoff verwoben sind. Dieses wird geschnitten und in die Form eines Teils gepresst, und die Fasern werden mit einem Kunststoffharz zusammengebunden und durch Hitze und Druck ausgehärtet. Die molekulare Struktur von Kohlenstoffverbindungen erzeugt starke chemische Bindungen, ähnlich denen in Diamanten, und durch die Ausrichtung der Fasern in verschiedenen Winkeln kann die Festigkeit eines Bauteils genau dort verstärkt werden, wo es benötigt wird.

Die resultierende Struktur ist zwar stärker als Stahl, aber mindestens 50 % leichter und auch etwa 30 % leichter als Aluminium. Es korrodiert auch nicht. Doch in der Vergangenheit war der Produktionsprozess teuer, langsam und arbeitsintensiv. Bei der Herstellung von Kampfjets oder Formel-1-Rennwagen spielt das möglicherweise keine so große Rolle. Aber auch die Flugzeughersteller mussten Tempo machen und die Kosten senken, als sie begannen, Passagierflugzeuge aus Kohlefaser herzustellen.

Heutzutage macht Kohlefaser etwa die Hälfte des Gewichts von Flugzeugen wie dem Boeing 787 Dreamliner oder dem Airbus A380 und A350 aus. Leichtere Flugzeuge verbrauchen weniger Treibstoff und haben dadurch geringere Emissionen. Sie können auch mehr Passagiere befördern und weiter fliegen. Auch bei der Herstellung gibt es Einsparungen, da große Teile des Flugzeugs in einem Arbeitsgang hergestellt werden können, anstatt viele kleinere Aluminiumplatten zusammenfügen zu müssen. Flugzeughersteller haben Wege gefunden, den Produktionsprozess teilweise zu beschleunigen, aber für Großserien-Automobilhersteller ist er immer noch zu langsam und zu teuer.

Die Antwort von BMW war eine andere Art von Fabrik und eine neue Lieferkette. Es beginnt im japanischen Otake mit einem Joint Venture zwischen der SGL Group, einem weiteren deutschen Unternehmen, und Mitsubishi Rayon. Dadurch entsteht ein sogenannter Vorläufer, ein thermoplastisches Polyacrylnitril, das ein wenig wie auf große Spulen gewickelte Angelschnur aussieht. Dieses wird über den Pazifik nach Moses Lake im Bundesstaat Washington verschifft, dem Standort eines weiteren Joint Ventures, dieses zwischen BMW und SGL. Der Standort wurde gewählt, weil er lokal erzeugten, emissionsfreien Wasserkraftstrom nutzt.

Schwarzer Teppich

Der Vorläufer durchläuft eine Reihe von Erhitzungsstufen, in denen er zu geschwärzten Filamenten mit einem Durchmesser von nur etwa 7 Mikrometern (Millionstel Metern) karbonisiert wird. Etwa 50.000 dieser Filamente werden zu einem dickeren Strang gebündelt und auf Spulen aufgewickelt, ähnlich wie ein Garn in einer Textilfabrik. Anschließend überqueren die Tows, wie die karbonisierten Garne genannt werden, den Atlantik zu einem weiteren BMW-SGL-Joint-Venture nach Wackersdorf bei München. Hier werden sie zu Bahnen gewebt und zu Stapeln geschichtet, die Teppichen ähneln.

Im Leipziger Werk angekommen werden die Stapel erhitzt und zu einem dreidimensionalen „Vorformling“ gepresst. Verschiedene Vorformen werden zu großen Strukturen zusammengefügt, die erneut zusammengepresst werden. Dieses Mal wird jedoch Harz in die Form eingespritzt, wodurch das endgültige Bauteil im Presswerkzeug verklebt und ausgehärtet wird. Dies geschieht in der Regel innerhalb von Minuten, in manchen Luft- und Raumfahrtfabriken kann die Aushärtung jedoch den größten Teil eines Tages dauern und erfordert einen unter Druck stehenden Ofen, einen sogenannten Autoklaven. Roboter bewegen die Teile und kleben sie zusammen, um die Hauptkarosseriestruktur des Autos zu bilden. Im weiteren Verlauf der Produktionslinie wird die Karosserie mit dem Antriebsmodul verbunden, das ein Aluminiumchassis, einen Elektromotor, eine Batterie und andere Komponenten umfasst.

Herr Kranz geht davon aus, dass Kohlefaser in Autos häufiger zum Einsatz kommen wird, geht aber davon aus, dass sie immer einen Materialmix enthalten wird. Das neue Oberklasseauto der 7er-Reihe von BMW verfügt jetzt auch über einige Carbonfaserteile. Andere Autohersteller beginnen, das Material zu verwenden, und Apple, das angedeutet hat, dass es den Bau eines Elektroautos plant, hat Berichten zufolge mit BMW über die Kohlefaserkonstruktion gesprochen. Anthony Vicari, Analyst bei Lux Research, einem Bostoner Beratungsunternehmen, prognostiziert, dass Kohlenstofffasern bis Mitte der 2020er Jahre im Automobilbau weit verbreitet sein werden.

Aber nicht ohne Kampf. Wie in anderen Branchen werden auch traditionelle Materialien immer besser. Aluminiumlieferanten entwickeln neue Legierungen. „Aluminium ist der amtierende Hersteller, und diese Jungs geben ihr Bestes, sonst verlieren sie ihre gesamte Branche“, bemerkt Jean Botti, technischer Leiter von Airbus. Alcoa, ein führender Aluminiumproduzent, entwickelt eine Reihe von Leichtbaulegierungen. Eine davon, Micromill, lässt sich einfacher und schneller in komplizierte Formen bringen. Ford hat damit begonnen, einige Stahlkomponenten in seinen F-150-Pickups, einem seiner meistverkauften Modelle in Amerika, zu ersetzen.

Das Ergebnis sei, dass den Herstellern eine größere Auswahl an Materialien geboten werde als bisher, sagt Herr Botti. Kohlefaser habe in der Luft- und Raumfahrt wahre Wunder vollbracht, meint er, aber sie werde vor allem in größeren Langstreckenflugzeugen verwendet, von denen vielleicht nur eine Handvoll pro Monat gebaut würden. Um den Einsatz von Kohlefaser in kleineren Flugzeugen zu steigern, müssen Luft- und Raumfahrtunternehmen die Produktion beschleunigen und die Kosten weiter senken, aber „wir denken über neue Techniken nach, die die Kosten für Kohlefaser enorm senken könnten.“ Sowohl Airbus als auch Boeing planen, die Produktion ihrer leistungsstarken Kurzstreckenflugzeuge A320 und 737 auf erstaunliche etwa 60 pro Monat zu steigern, um die Auftragsrückstände auszugleichen. Er warnt jedoch davor, dass Unternehmen immer darauf achten sollten, das beste Material für eine bestimmte Aufgabe auszuwählen. Wenn Airbus den A320 durch ein neues Modell ersetzen würde, müsse er genau prüfen, ob Kohlefaser bei einem Kurzstreckenflugzeug den besten Wert biete.

Airbus entwickelt auch eigene neue Materialien. Eine davon ist eine proprietäre Aluminium-Magnesium-Scandium-Legierung namens Scalmalloy. Es eignet sich besonders gut für die Herstellung von leichten, hochfesten Bauteilen. Es wird von einer Airbus-Tochtergesellschaft kommerzialisiert und kommt bereits in einigen Rennwagen zum Einsatz. In Pulverform kann Scalmalloy auch in einer revolutionären Fertigungsform eingesetzt werden, die sich ideal für die Arbeit mit vielen neuen Materialien eignet: der additiven Fertigung, im Volksmund als 3D-Druck bekannt.

Die additive Fertigung ist eine perfekte Möglichkeit, neue Materialien einzusetzen

AUTOHERSTELLER können ein Jahr damit verbringen, einen funktionierenden Prototypen für ein neues Auto zu bauen. Das Einrichten von Maschinen für eine Produktionsserie von einer Auflage ist mühsam und kostspielig, da ein Großteil der Arbeit von Hand erledigt wird. Aber Forscher in Tennessee verfügen über ein automatisiertes System, das liebevoll BAAM (Big Area Additive Manufacturing) genannt wird. Die meisten Leute würden ihn einen 3D-Drucker nennen, wenn auch einen besonders großen – und er wird zum Drucken von Autos verwendet.

Die Forscher arbeiten am Oak Ridge National Laboratory, das eine Reihe fortschrittlicher Herstellungsmethoden erforscht. BAAM wurde in Zusammenarbeit mit Cincinnati Inc, einem Werkzeugmaschinenhersteller, aus verschiedenen Teilen des Werksbausatzes zusammengeschustert. In einem Experiment wurden die meisten Teile der Karosserie und des Fahrgestells für eine elektrische Nachbildung eines Shelby Cobra, eines klassischen Sportwagens aus den 1960er-Jahren, hergestellt. Die gedruckten Teile, die in das Fahrzeug eingebaut wurden, bestanden aus einer Mischung aus 80 % Polymer und 20 % Kohlefaser und wogen lediglich 227 kg. Das Team brauchte nur sechs Wochen, um das Auto zu entwerfen, zu drucken und zusammenzubauen.

Einige Unternehmen, wie zum Beispiel Local Motors, ein Unternehmen mit Sitz in Phoenix, nutzen additive Technologien, um Autos in begrenzter Stückzahl herzustellen, aber der 3D-Druck ist für Massenfahrzeuge immer noch zu langsam. Dennoch wird es schnell Teil der Automobilindustrie werden, sagt Thom Mason, Direktor von Oak Ridge, und zwar nicht nur für die Prototypenfertigung oder die kundenspezifische Anpassung von Fahrzeugen, sondern auch für die Herstellung von Formen, Werkzeugen und Matrizen. Dieses Geschäft war größtenteils in Niedriglohnländer verlagert worden. „Jetzt können wir diese Dinge über Nacht drucken“, erklärt Herr Mason.

Die Herstellung von Dingen mit 3D-Druckern hat die öffentliche Fantasie erregt. Aus der etwa 20 Jahre alten Basistechnologie ist in den letzten Jahren durch verbesserte Hard- und Software ein breites Spektrum an unterschiedlichen Verfahren geworden. Sie alle basieren auf dem additiven Aufbau von Materialschichten aus Kunststoffen, Metallen, Keramik und sogar biologischen Rohstoffen. Solche Drucker reichen von Desktop-Geräten, die ein paar tausend Dollar kosten, bis hin zu riesigen Monstern zum Drucken von Metallteilen, die über 1 Million Dollar kosten.

Die Größe dessen, was gedruckt werden konnte, hing früher davon ab, was in die Maschine passte. Mittlerweile sind einige Drucker, wie zum Beispiel BAAM, sozusagen sofort einsatzbereit. MX3D, ein niederländisches Startup, plant den Druck einer 15 Meter langen Fußgängerbrücke über einen Kanal mithilfe von Robotern, die mit Stahldruckgeräten ausgestattet sind. Winsun, ein chinesisches Unternehmen, verwendet eine schnell trocknende Mischung aus Zement und recyceltem Bauschutt, um vorgefertigte Gebäudeteile zu drucken, und Achim Menges von der Universität Stuttgart druckt Kohlefaserstränge, um einzigartige architektonische Strukturen wie Pavillons herzustellen ( abgebildet).

Einzigartig

Ein Vorteil der additiven Fertigung besteht darin, dass Material nur dort deponiert wird, wo es benötigt wird, sodass wenig Abfall entsteht. Bei der traditionellen Herstellung werden vielleicht 80 % des Materials weggeschnitten. Darüber hinaus kann die Software, mit der ein Produkt entworfen wird, auch den Drucker betreiben. Und die Software lässt sich einfach anpassen, sodass jedes Mal ein anderes Design erstellt werden kann, ohne dass die Maschinen neu eingestellt werden müssen. Die Technik eignet sich auch für die Herstellung komplexer Formen aus neuen Materialien, die zu dramatischen Leistungssteigerungen führen können. Und obwohl der 3D-Druck im Vergleich zu Massenproduktionsprozessen wie dem Pressen von Stahl und dem Kunststoffspritzguss immer noch langsam ist, spielt das in einigen Branchen möglicherweise keine allzu große Rolle.

„Additive Techniken geben Ihnen ein völlig neues Maß an Freiheit“, sagt Herr Idelchik von GE Research. Das Unternehmen hat 50 Millionen US-Dollar für die Installation einer 3D-Druckanlage in einem Werk in Auburn, Alabama, ausgegeben, um Treibstoffdüsen für das neue LEAP-Triebwerk herzustellen, das es in Zusammenarbeit mit Snecma, einem französischen Unternehmen, herstellt. GE wird zunächst 1.000 Düsen pro Jahr drucken, aber irgendwann könnte die Zahl 40.000 erreichen. Die Treibstoffdüse in einem Strahltriebwerk ist ein komplexes Teil, das hohen Temperaturen und Drücken standhalten muss. Normalerweise besteht es aus 20 verschiedenen Komponenten. Stattdessen druckt GE das Teil in einem Durchgang, indem ein Laser Schichten einer pulverförmigen „Superlegierung“ aus Kobalt, Chrom und Molybdän verschmilzt. Die resultierende Düse ist 25 % leichter und fünfmal langlebiger als die alte Sorte, und herkömmliche Herstellungsmethoden wären mit dem Material möglicherweise überhaupt nicht zurechtgekommen.

„Die additive Fertigung wird auf Kosten bestehender Prozesse auf jeden Fall stark an Boden gewinnen“, sagt Henrik Runnemalm, Triebwerksleiter bei GKN Aerospace, einem britischen Unternehmen. Einige der 3D-gedruckten Komponenten von GKN befinden sich bereits in Flugzeugen und Düsentriebwerken. Die Technologie wird auch neben traditionellen Techniken eingesetzt. Herr Runnemalm führt ein Beispiel an, bei dem ein feiner Materialdraht geschmolzen wird, um Formen auf einem Bauteil aufzubauen, das auf herkömmliche Weise gegossen wurde. In einem weiteren Verfahren erzeugt ein 3D-Drucker ein Bauteil in seiner „Near-Net-Shape“ (nahe seiner endgültigen Form), das dann konventionell mit Werkzeugmaschinen fertiggestellt wird.

Die additive Fertigung hat noch viel Potenzial, nicht zuletzt, weil sie die Eigenschaften von Materialien im Laufe der Zeit verändern kann. Bei Oak Ridge arbeiten Forscher daran, die kristalline Struktur eines Metalls in verschiedenen Teilen einer Komponente zu spezifizieren, indem sie die Hitze beim Aufbau der Schichten fein abstimmen, in der Hoffnung, unterschiedliche Leistungsmerkmale zu erzielen. „Das ist völlig neu“, sagt Herr Mason. „Es ist eines dieser Dinge, die derzeit nicht in unserem Designvokabular vorkommen.“

Der 3D-Druck kann noch mehr. Auch die Nanolaminate von Modumetal werden durch additive Fertigung hergestellt. Der Prozess findet nahe bei Raumtemperatur statt, was bedeutet, dass einer 3D-gedruckten Kunststoffform Metall hinzugefügt werden könnte, wodurch hybride Kunststoff-Metall-Verbundwerkstoffe entstehen, sagt Frau Lomasney. Und der Prozess könnte auch umgekehrt ablaufen und das Metall in einer Komponente wieder in eine Lösung auflösen, sodass es wieder verwendet werden könnte. „Wir sind noch nicht in das Recyclinggeschäft eingestiegen, weil Teile noch nicht an uns zurückgegeben werden“, erklärt Frau Lomasney, „aber theoretisch ist es möglich.“ Bei vielen neuen Materialien kann Recycling zu einer wesentlichen Anforderung werden.

Obwohl das Recycling komplizierter wird, wird eine viel größere Auswahl an Materialien die Fertigung verändern

HERSTELLER stehen zunehmend unter Druck, Verantwortung für den Lebenszyklus ihrer Produkte zu übernehmen. Dies beinhaltet die Verpflichtung, alle Energie-, Umwelt- und Gesundheitsauswirkungen jeder Phase zu berücksichtigen, von der Materialgewinnung über die Produktion und Verteilung bis hin zum Recycling oder der Entsorgung. Je komplexer die Materialien werden, desto schwieriger wird dies.

Die traditionelle Methode, die Auswirkungen eines neuen Materials auf die Welt einzuschätzen, besteht darin, sich an den Elementen zu orientieren. Wenn beispielsweise etwas Blei enthält, ist es wahrscheinlich nicht gut für Sie. Wenn es etwas Mangan enthält, ist es wahrscheinlich sicher. „Das ist so altmodisch“, sagt Mr. Ceder aus Berkeley. „Was diese Dinge mit Ihrem Körper machen, hängt oft von der Form ab, nicht von der Chemie.“

Das macht Nanopartikel besonders schwierig. Es wird viel über ihre Auswirkungen auf die Umwelt und die Gesundheit geforscht, aber viele davon sind nicht schlüssig. Im Jahr 2016 soll eine große Fünf-Jahres-Studie über Nanopartikel unter der Leitung des Schweizerischen Nationalfonds veröffentlicht werden. Ein Beispiel ihrer Arbeit aus Australien verdeutlicht die Bedenken.

Als hochentwickelte Region werden in Südaustralien zahlreiche Nanopartikel in Produkten verarbeitet, von denen einige in die Kanalisation gespült werden. Es ist ein trockener Ort, daher wird ein Großteil des Abwassers recycelt und aufbereitetes Abwasser wird zur Düngung der Felder verwendet. Dies ermöglichte es Forschern der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, das Gebiet als eine Art geschlossenes System zu untersuchen. Aus Feld- und Wasserablagerungen berechneten sie die Mengen von vier Nanomaterialien, die jedes Jahr in die Umwelt gelangen: 54 Tonnen Nano-Titandioxid (wird in Sonnenschutzmitteln verwendet); 10 Tonnen Nano-Zinkoxid (in Kosmetika enthalten); 2,1 Tonnen Kohlenstoffnanoröhren (Hohlröhren, die in einigen Verbundwerkstoffen anstelle von Fasern verwendet werden); 180 Kilogramm Nanosilber (zur antibakteriellen Anwendung); und 120 kg Fullerene, eine weitere Nanoform von Kohlenstoff, die aus Hohlkugeln besteht, die als „Buckyballs“ bekannt sind.

Der endgültige Bestimmungsort dieser Partikel war unterschiedlich. Die Nanokohlenstoffe blieben in den Teilen, in die sie kamen, eingebettet und landeten auf Mülldeponien. Zinkoxid und Silber wurden in Kläranlagen chemisch in normale Verbindungen umgewandelt und stellten daher offenbar kein Risiko dar. Aber das Nano-Titandioxid aus Sonnenschutzmitteln machte einen Riesenspaß. Etwas mehr als 5 % landeten im Meer, der Rest auf Feldern. In seiner normalen Form ist Titandioxid nicht giftig (es wird sowohl in Zahnpasta als auch in Sonnenschutzmitteln verwendet), aber die Forscher sagen, dass sie nicht wissen, welche langfristigen Auswirkungen die Nanoversionen haben werden, insbesondere in hohen Konzentrationen.

Wird verrückt

Bestimmte Nanopartikel haben zweifellos unangenehme Auswirkungen. Einige LEDs verwenden Quantenpunkte – winzige Kristalle, die bei Anregung durch eine externe Lichtquelle hell leuchten, ein Vorgang, der Lumineszenz genannt wird. Dies sorgt für eine sattere Beleuchtung und hellere Farben bei LED-Fernsehern und anderen Displays. Allerdings bestehen die Punkte oft aus einer giftigen Cadmiumverbindung. Dies stellt einen kommerziellen Anreiz dar, sicherere Materialien zu entwickeln.

Nanoco, ein in Manchester ansässiges Unternehmen, hat cadmiumfreie Quantenpunkte entwickelt. Die Dow Chemical Company hat die Technologie zur Herstellung von Punkten in einer neuen Fabrik in Südkorea lizenziert. Und Prashant Sarswat und Michael Free von der University of Utah haben Quantenpunkte aus Kohlenstoff hergestellt, der aus Lebensmittelabfällen gewonnen wird. Dieses wird in ein Lösungsmittel gegeben und unter hohem Druck erhitzt. Der Prozess muss noch ausgeweitet werden, aber da die Rohstoffe kostenlos und relativ sicher sind, ist die Idee vielversprechend.

Bei größeren Artikeln sind die End-of-Life-Probleme genauso herausfordernd – und deutlich sichtbarer. Sowohl Airbus als auch Boeing verfügen über Programme zum Recycling ihrer Kohlefaserflugzeuge. Zumindest in dieser Branche ist die Zahl auf einige Tausend begrenzt, aber wenn Automobilhersteller Carbonfasern in größerem Umfang einsetzen würden, müssten Millionen alter Autos mit Carbonkarosserie irgendwann entsorgt werden. In einigen Fällen kann das Material geschreddert und in minderwertigen Komponenten verwendet werden.

Das Recycling exotischer Materialien könnte eine Notwendigkeit werden. Einige Elemente sind teuer und schwer zu finden; Sie kommen möglicherweise nur aus einer Handvoll Ländern wie China, was das Angebot einschränken könnte. Andere, darunter einige seltene Erden, kommen nicht in großen Mengen vor und sind schwer abzubauen. Solche Stoffe werden zunehmend in Elektro- und Hybridautos eingesetzt. Da diese immer weiter verbreitet werden, müssen neue Methoden für den Abbau und die Rückgewinnung von Materialien gefunden werden.

Marion Emmert und HM Dhammika Bandara vom Worcester Polytechnic Institute in Massachusetts haben eine neue und energieeffiziente Methode zur Gewinnung seltener Erdelemente aus Elektroautos entwickelt, insbesondere Neodym, Dysprosium und Praseodym. Sie zerschnitten und schredderten den Motor und andere Antriebskomponenten eines vollelektrischen Chevrolet Spark und verwendeten ein zweistufiges chemisches Extraktionsverfahren, um die seltenen Erden und andere nützliche Materialien zu trennen. Sie sagen, dass die Technologie für andere Produkte verwendet werden könnte, die Motoren und Magnete enthalten, beispielsweise Windkraftanlagen und medizinische Bildgebungsgeräte.

Einige Unternehmen verwenden einen Prozess namens Lebenszyklusanalyse (LCA), um die Umweltauswirkungen zu ermitteln. „Die Idee besteht darin, ein Produkt oder eine Dienstleistung von der Wiege bis zur Bahre zu bewerten“, sagt Christian Lastoskie, ein Experte auf diesem Gebiet an der University of Michigan. Früher wurde eine Ökobilanz durchgeführt, wenn ein Produkt schon länger auf dem Markt war und zahlreiche Daten verfügbar waren. Jetzt kann dies vorab mit Computermodellen durchgeführt werden. Das bedeutet, eine Reihe von Annahmen über ein neues Material oder Verfahren zu treffen und zu testen, aber die Analyse kann ein nützlicher Leitfaden für mögliche Umweltbedenken sein und einem Unternehmen bei der Materialauswahl helfen, erklärt Herr Lastoskie.

Ein Projekt, an dem er mit Unterstützung von Sakti3 gearbeitet hat, war ein Vergleich des Lebenszyklus von herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien und Festkörperbatterien. Die 2014 im Journal of Cleaner Production veröffentlichten Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Einsatz von Feststoffbatterien in Elektrofahrzeugen den Energieverbrauch senken würde, selbst wenn Unsicherheiten über die Eigenschaften der Zellen und die Effizienz des zu ihrer Herstellung verwendeten Prozesses berücksichtigt werden und die globale Erwärmung reduzieren.

All dies lässt den Schluss zu, dass die Fertigung immer komplexer wird und dass die Tage der „Me-too“-Fabriken, die ähnliche Produkte auf die gleiche Art und Weise herstellen, gezählt sind. Prozesse wie der 3D-Druck machen Skaleneffekte irrelevant und ermöglichen eine Produktion in kleinen Stückzahlen und eine schnelle Anpassung. Da die Arbeitskosten im Verhältnis zu den gesamten Produktionskosten sinken, verringert sich der Druck, die Produktion in Niedriglohnländer zu verlagern. Das bedeutet nicht, dass ausländische Unternehmen ihre Produktion in China aufgeben werden, sondern dass mehr Dinge, die sie dort herstellen, für die Chinesen bestimmt sein werden.

Da die Rechenkosten ständig sinken, eröffnet die Möglichkeit, den Herstellungsprozess und den Lebenszyklus eines neuen Materials zu modellieren, Märkte für neue Marktteilnehmer mit neuen Ideen. Noch vor einem Jahrzehnt ging man allgemein davon aus, dass sich die weltweite Automobilindustrie aufgrund der hohen Eintrittsbarrieren in weniger als ein halbes Dutzend Gruppen zusammenschließen würde. Jetzt tauchen überall neue Autohersteller auf; nicht nur Tesla und möglicherweise Apple, sondern auch viele kleine, spezialisierte Unternehmen wie Local Motors.

Auch große Unternehmen werden zunehmend mit exklusiven Rezepturen für neue Materialien und maßgeschneiderten Produktionstechniken konkurrieren. „Wenn Sie einfach ein großartiges Design machen und einen Herstellungsprozess verwenden, den alle anderen nutzen können, wird Ihnen die Puste ausgehen“, sagt Herr Idelchik von GE Research. „Aber wenn Sie über einen proprietären Herstellungsprozess verfügen, der auf proprietäre Materialien anwendbar ist, schaffen Sie eine dauerhafte Differenzierung im Wettbewerb.“

Geschäftsgeheimnisse

Herr Idelchik ist mit dieser Ansicht nicht allein. Das BMW-Werk in Leipzig nutzt Standard-Industrieausrüstung und Roboter. Das Besondere daran ist, dass das Unternehmen genau weiß, wie seine Materialien hergestellt werden und wie die Prozesse gesteuert werden, die daraus Autos machen. Dies trifft den Kern der Materialwissenschaft. „Wir glauben, dass wir unserer Konkurrenz weit voraus sind, weil wir die komplette Prozess- und Materialentwicklung in unseren Händen haben“, sagt Herr Kranz von BMW.

In Zukunft müssen mehr Unternehmen den Überblick über ihre Materialien behalten. Die Tage des Versuchs und Irrtums gehen zu Ende, da leistungsstarke Forschungstools wissenschaftliche Daten von beispielloser Tiefe liefern. Die sinkenden Kosten für Computerleistung machen diese Informationen für Unternehmen jeder Größe verfügbar, während neue Produktionsprozesse wie der 3D-Druck die Wirtschaftlichkeit der Fertigung in etwas Leichteres und Schnelleres verwandeln.

Um die größere Komplexität von Materialien sowie deren Design, Konstruktion, Produktion, Lieferkette und Lebenszyklusmanagement zu beherrschen, sind neue Fähigkeiten und jede Menge unternehmerisches Talent erforderlich. Es könnte mehr Menschen in eine Branche locken, die immer noch versucht, das Image dunkler satanistischer Mühlen abzuschütteln. Die Fertigung tritt in ein neues Zeitalter ein. Edison hätte es von ganzem Herzen gebilligt.