Das Versprechen fortschrittlicher Materialien

Die Werkstoffe von morgen ermöglichen eine Produktrevolution auf kleinstem Raum, weit jenseits dessen, was das Auge durch ein optisches Mikroskop sehen kann. Was ein Material zu leisten im Stande ist, wird nicht mehr „entdeckt“, wie es in der Vergangenheit der Fall war. Hier wurde etwa die Stärke einer Schiffsplanke aus Eichenholz in dem Moment „entdeckt“, in dem die Planke brach.

Stattdessen erfinden Wissenschaftler von TE und seinen Partnern heutzutage Materialien, die „unnatürlich“ sind. Dank der Fortschritte in der Nanotechnologie, der Computermodellierung, der KI-gesteuerten Materialinformatik und des von der Natur inspirierten Designs können Ingenieure die Eigenschaften und Merkmale eines Produkts auf eine Art und Weise verändern, die vor nicht allzu langer Zeit noch als magisch galt.

Wir haben den Punkt der Materialbeherrschung erreicht, an dem wir auf molekularer Ebene Funktionen und Merkmale in scheinbar träge Objekte programmieren können, um unsere Bedürfnisse zu erfüllen.

TE stellt hochentwickelte, wesentliche Komponenten und Subsysteme für jedes erdenkliche Produkt und jede materialfeindliche Umgebung her: vom Geschirrspüler in Ihrer Küche bis hin zu Ihrem neuen Elektrofahrzeug, dem menschlichen Körper oder dem satellitengestützten Datenzentrum, durch welches Sie diesen Text lesen. Mann kann also sagen, dass Materialien für TE von großer Bedeutung sind. Es geht darum, wie wir die Nachhaltigkeit unserer Welt verbessern, wie wir die Eleganz des Designs der Natur kopieren und wie wir das Gesicht der Produktion verändern werden.

Unternehmen, die das exponentielle Wachstumspotenzial fortschrittlicher Werkstoffe erkannt haben, können mit der Entwicklung von Produkten und Herstellungsverfahren beginnen, die ihnen helfen, sich von ihren Mitbewerbern abzuheben. Um die Möglichkeiten für fortschrittliche Werkstoffe zu verstehen, führen wir uns die folgenden drei Innovationsbereiche vor Augen.|

Fast jedes Lebewesen benötigt Sauerstoff, und fast jeder Materialherstellungsprozess emittiert Treibhausgase. Diese Realität stellt uns vor die Herausforderung, wie wir CO2 reduzieren und gleichzeitig Dinge produzieren können, die die Welt benötigt. Leider reicht Recycling allein nicht aus, denn diese Materialien sind in der Regel schwieriger zu beschaffen, kosten mehr und müssen aufwendig wiederaufbereitet werden. Außerdem müssen wir den gesamten Lebenszyklus von Materialien betrachten, nicht nur eine Phase.

Ein Teil der Antwort besteht darin, neue Materialien aus erneuerbaren, spezifischen, aus Biomasse gewonnenen Inhaltsstoffen und viele (kreative) Optionen zu prüfen. Ein exotisches Beispiel sind die Biokunststoffmonomere aus Shrilk. Der Hauptbestandteil von Shrilk ist Chitin – die Substanz also, die Insekten und Krustentieren wie Garnelen ihre harten Panzer verleiht. Chitin ist das am zweithäufigsten vorkommende organische Material auf der Erde und kann zu einem kunststoffähnlichen Material namens Chitosan verarbeitet werden. Kombiniert man Chitosan mit einem natürlichen Seidenprotein namens Fibroin, entsteht ein Laminat, das stärker ist als Aluminium.

Hersteller können ihre Abhängigkeit von Rohstoffen aus Erdöl durch Upcycling verringern, indem sie minderwertigen recycelten Materialien neue Inhaltsstoffe hinzufügen, um sie in etwas Wertvolleres umzuwandeln. Die 10 Milliarden Wasserflaschen, die pro Jahr produziert werden, sind dafür ein gutes Beispiel. Nehmen wir an, wir depolymerisieren diese Wasserflaschen (wir zerlegen sie also in ihre Grundmonomere). In diesem Fall können wir neue Materialkomponenten hinzufügen, dann die neue Rezeptur repolymerisieren (d. h. alle Grundmonomere wieder miteinander verbinden) und etwas Einzigartiges schaffen. Die Möglichkeiten sind endlos – aus diesen recycelten Plastikflaschen können etwa Kissenbezüge oder Hochgeschwindigkeitssteckverbinder für Rechenzentren werden.

Wir erwarten das Aufkommen von „intelligenten“ Materialien, die die nächste Stufe der Funktionalität bieten. Intelligente Materialien erkennen äußere Reize – wie Temperatur, Dehnung oder elektrischen Strom – und reagieren dann vorhersehbar, indem sie ihre Form, Farbe oder andere Eigenschaften ändern.

Nehmen wir ein Material, das so allgegenwärtig ist wie Beton. Trotz seiner Stärke und Vielseitigkeit bildet Beton mit der Zeit Risse, die eine regelmäßige Wartung erfordern, um die Integrität der Struktur zu erhalten. Wissenschaftler haben nun eine neue Art von intelligentem Beton entwickelt, der sich durch eingebettete Bakterien selbst reparieren kann. Wenn die Bakterien auf Wasser treffen, produzieren sie eine kalksteinähnliche Substanz, welche die Risse füllt.

Die Natur erweist sich als eine hervorragende Inspirationsquelle für intelligente Materialien. Schließlich hat die Natur im Laufe der Jahrmillionen der Evolution ihr eigenes Patentportfolio entwickelt.

Ein Beispiel ist die Oberfläche eines Libellenflügels, der mit unglaublich feinen Stacheln übersät ist, wenn man ihn durch ein Mikroskop betrachtet. Wenn eine Bakterie auf ihr landet, zerreißen die Widerhaken am Flügel der Libelle den eingedrungenen Organismus und töten ihn ab.

Auf der Grundlage dieses Modells entwickelt TE mechano-bakterizide Materialoberflächen, die ähnliche Widerhaken verwenden, um Bakterien bei Kontakt abzutöten. Denken Sie an antibakterielles Plastik, das um den Griff eines Einkaufswagens oder das Geländer eines Flughafens gewickelt ist – so wird dieser häufig berührte Griff dauerhaft steril gemacht. Dieses Oberflächendesign könnte eine neue Waffe gegen Infektionen in medizinischen oder lebensmittelbezogenen Produkten sein.

Die Entwicklung des 3D-Drucks hat den Fertigungs- und Konstruktionsprozess bereits verändert, aber neue Fortschritte bei den 3D-Druckmaterialien werden noch mehr Innovationen ermöglichen. So können beispielsweise neue, hochwertige 3D-Druckmaterialien Temperaturen von bis zu 850 Grad Celsius standhalten. Dies eröffnet eine breitere Palette von Produkten, die auf Anfrage hergestellt werden können, und die Flexibilität und Rentabilität der Fertigung an Hochkostenstandorten erhöht.

Darüber hinaus können Produkte schneller hergestellt werden und bieten neue Gestaltungsmöglichkeiten. Es ist viel schneller, etwas vom Computerbildschirm aus zu drucken, als eine Form aus einem massiven Block gehärteten Stahls zu fräsen.

Neue Materialtechniken werden die Einführung des 3D-Drucks beschleunigen und letztlich eine neue Ära der flexiblen Produktion und der kundenspezifischen Massenfertigung ermöglichen, in der Material und Design zusammenarbeiten. Die Produktdesigner werden die Lehren der Natur kopieren, indem sie gekrümmte Oberflächen und subtile, von der Evolution erprobte topologische Formen zur Optimierung des Wärmeaustauschs einbauen. Wenn wir in der Lage sind, wie die Natur zu entwerfen und zu fertigen, haben wir eine neue Stufe erreicht – und der 3D-Druck in Verbindung mit neuen Materialien ist das Mittel dazu.

Die menschliche Geschichte und die Materialgeschichte haben sich gemeinsam entwickelt. Aber bis vor kurzem haben wir natürliche Materialien und ihre Eigenschaften „entdeckt“, indem wir sie in den von uns hergestellten Dingen getestet haben. Seien es eisenzeitliche Rundhäuser, die Entdeckung, welches Strohdach einem regnerischen europäischen Winter standhalten kann, oder die zufällige Entdeckung des Betons durch die Römer, die riesige Viadukte ermöglichte, die bis heute unerreicht sind. Wir stellen uns jetzt Anwendungsfälle vor und entwerfen dann Materialien, die den Anwendungsfall unterstützen, da unser Verständnis der materiellen Welt und unsere Möglichkeiten, sie zu verändern, exponentiell zunehmen. Und das wird den Unterschied ausmachen. TE beabsichtigt, die Zukunft zu formen und sie in 3D zu drucken – indem großartige Wissenschaft auf die schwierigsten Probleme anwendet und  unsere Welt so im Kleinen neu gestaltet wird.