BAM skizziert neue Materialstrategie: Wie Hochleistungswerkstoffe robuster und nachhaltiger werden
Forschende der Bundesanstalt für Materialforschung und
-prüfung (BAM) zeigen in einem Perspektivbeitrag auf, wie sich
Hochleistungsmaterialien für Batterien, Wasserstofftechnologien,
Windkraftanlagen, zur Energieumwandlung, für chemische Prozesse und
moderne Elektronik künftig langlebiger, sicherer und ressourcenschonender
gestalten lassen. Damit soll wachsenden Abhängigkeiten von kritischen
Rohstoffen, begrenzter Recyclingfähigkeit und Leistungsverlusten im
praktischen Einsatz begegnet werden.
Viele Hochleistungswerkstoffe, die für zentrale Zukunftstechnologien
unverzichtbar sind, enthalten seltene oder geopolitisch sensible
Rohstoffe. Sie können in vielen Anwendungen schnell altern, lassen sich
aber nur schwer recyceln. Die Folgen sind hohe Kosten, neue Abhängigkeiten
und technologische Engpässe. Forschende der BAM plädieren aus diesem Grund
in einem Perspektivbeitrag, der im Fachblatt Current Opinion in Solid
State & Materials Science erschienen ist, für einen strategischen
Kurswechsel in der Materialforschung: Statt Materialien ausschließlich auf
maximale Leistungswerte zu optimieren, soll ihre langfristige Stabilität,
Wiederverwendbarkeit und Rohstoffverfügbarkeit von Beginn an mitgedacht
werden.
Die Zukunftsfähigkeit von Materialien sicherstellen
„Wir haben in den letzten Jahren gelernt, Materialien immer
leistungsfähiger zu machen. Jetzt müssen wir sie gleichzeitig robuster,
langlebiger und nachhaltiger gestalten“, sagt Tilmann Hickel,
Materialwissenschaftler an der BAM und Erstautor des Beitrags. „Ein
Material ist nur dann wirklich zukunftsfähig, wenn es auch unter realen
Einsatzbedingungen langfristig funktioniert.“
Im Fokus des neuen Ansatzes stehen drei Designstrategien:
Substitution kritischer Elemente: Der gezielte Austausch kritischer oder
knapper Elemente durch eine Kombination häufiger verfügbarer Alternativen
soll die Nachhaltigkeit von Materialien verbessern, ohne die
Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen.
Kontrolle und Steuerung von Defekten: Mithilfe von „Defekt-Engineering“
sollen Unregelmäßigkeiten im Material – etwa zwischen internen
Grenzflächen oder Nanostrukturen – bewusst beeinflusst und genutzt werden,
um Eigenschaften wie Stabilität oder Funktion zu optimieren.
Nutzung chemischer Vielfalt („Managing Diversity“): Statt auf wenige
chemische Bausteine zu setzen, soll gezielt eine große Vielfalt an
Elementen kombiniert werden, um Materialien robuster zu machen und mehrere
Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen.
Batterien, Wasserstoffspeicher und Katalysatoren im Praxistest
Besonders relevant ist dieser Ansatz für die Energiewende: Leichtbauteile
aus modernen, hochfesten Stählen können bei Windenergieanlagen dazu
dienen, wertvolle Ressourcen einzusparen und effizientere Offshore-Türme
zu errichten. Die Bauteile sind großen mechanischen Belastungen ausgesetzt
und müssen über lange Zeit zuverlässig funktionieren. Zudem wächst das
Bestreben, chemisch komplexe Materialien wie Hochleistungsstähle stärker
als bisher im Kreislauf zu führen. Die Forschenden der BAM sehen darin
keinen Zielkonflikt, sondern eine Gestaltungsaufgabe. „Das Gelingen der
Energiewende entscheidet sich nicht daran, ob ein Material im Labor
Höchstwerte erreicht, sondern ob es über Jahre hinweg zuverlässig in der
Praxis funktioniert, reparierbar ist und vor dem Hintergrund
veränderlicher Rohstoffbedingungen eingesetzt werden kann”, so Andrea
Stucchi de Camargo, eine der Mitautorinnen des Beitrags.
Erste Anwendungen zeigen Potenzial
Der Perspektivbeitrag der BAM stützt sich dabei nicht nur auf theoretische
Überlegungen, sondern auf eine Vielzahl konkreter Beispiele aus der
angewandten Forschung: In mehreren Materialklassen ist es bereits
gelungen, kritische oder knappe Elemente teilweise zu ersetzen, die
Funktionsfähigkeit über lange Zeiträume zu erhalten und typische
Zielkonflikte – etwa zwischen Effizienz und Haltbarkeit – aufzulösen. So
können bereits heute chemisch komplexe Batteriematerialien den teuren und
geopolitisch besonders kritischen Rohstoff Kobalt in Akkus teilweise
ersetzen. In Brennstoffzellen funktionieren neue protonenleitende
Materialien dank chemischer Vielfalt selbst bei Temperaturen, bei denen
herkömmliche Materialien bisher versagen. Und in Katalysatoren, die bei
vielen chemischen Prozessen unentbehrlich sind, erweisen sich
mehrkomponentige Metalllegierungen ähnlich effizient wie das Edelmetall
Platin.
Originalpublikation:
https://www.sciencedirect.com/
