Cluster NanoMikroWerkstoffePhotonik.NRW
Innovative Werkstoffe und Materialien
In aller Kürze
Jede wirtschaftliche Revolution basiert im Kern auf der Nutzung eines neuen, innovativen Werkstoffes oder eines intelligent zusammengestellten Werkstoffverbundes. Die Werkstofferzeugung und -entwicklung ermöglicht so zahlreiche neue Anwendungen, wie z. B. in den Bereichen des Leichtbaus, der Halbleiterindustrie oder auch der der Batterie- bzw. Brennstoffzellentechnik, um nur einige wenige Beispiele zu nennen.
Werkstoffe – die Basis jedes neuen Produkts und Zukunft der Industrie
Werkstoffe bzw. Materialien werden in einem Herstellungsprozess zu einem fertigen Produkt zusammengefügt. Durch sie erhält das Produkt bestimmte Eigenschaften und Funktionen, dafür benötigen die verwendeten Werkstoffe/Materialien selbst spezielle Eigenschaften: Sie müssen z. B. biegsam, leicht, feuerfest oder wasserabweisend sein.
Innovative Werkstoffe und Materialien heben das Potential aller anderen Schlüsseltechnologien maßgeblich. Ohne Innovationssprünge in diesem traditionell sehr stark in Nordrhein-Westfalen vertretenem Technologiefeld wären somit viele industrielle Entwicklungsprozesse im Hochtechnologiebereich kaum zu realisieren. Sie dienen damit als Werkzeug zur Bewältigung globaler technischer Herausforderungen und können erheblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad neuer Technologien nehmen. Denn Werkstoffe und Materialien können nicht nur den Wirkungsgrad von Solarzellen und Kraftwerken erhöhen, sondern auch die Herstellung umweltfreundlicherer Kraftfahrzeuge (E-Mobilität) ermöglichen oder in der Medizin neue Diagnose- und Therapiemöglichkeiten sowie eine verbesserte medizinische Versorgung bieten. Damit zahlen sie voll auf die Innovationsfelder NRWs Produktion, Gesundheit, Energie und Umwelt ein. NRW gilt als klassisches Werkstoffland und legt seine Schwerpunkte auf Metalle und Kunststoffe, arbeitet aber auch an modernen, funktionalisierten Multimateriallösungen. Die Werkstoffbranche ist eine tragende Säule der Wirtschaft und des Wohlstands in Nordrhein-Westfalen.
Anwendungsfelder & Potentiale neuer Materialien
Sauberes Wasser durch High-Tech Materialien
Wasser wird für den Menschen nicht nur zum Leben gebraucht, auch unsere gesamte Wirtschaft fußt auf dieser Ressource. Es ist zwar eine sich stets erneuernde Ressource und Deutschland zählt zu den wasserreicheren Ländern, aber das ist kein gesicherter Zustand für die Zukunft. Klimawandel, Bevölkerungswachstum und damit einhergehend steigender Wasserbedarf für Energie, Industrie oder Landwirtschaft werden den Wasserbedarf mit der Zeit immer mehr belasten.
Zudem ist die Nutzbarkeit unseres Wassers bedroht, denn Schadstoffe in Gewässern durch Medikamentenrückstände, Pestizide oder Metalle belasten das Wasser zunehmend und stellen eine Gefahr für das ökologische Gleichgewicht von Gewässern dar. Die Folge können Artensterben und Krankheiten sein.
Wie können Materialien zur Sicherstellung der Qualität des Wassers beitragen?
Materialorientierte Ansätze spielen beim Umgang mit Wasser – von der Gewinnung über die Aufbereitung und Reinigung hin zur Verteilung – eine wichtige Rolle. Moderne Werkstoffe dienen bei Filterprozessen zur Abtrennung von Schadstoffen, während Adsorptionsmaterialien und Katalysatoren kritische Stoffe im Trinkwasser neutralisieren können. Die Wassernutzung wird durch innovative Werkstoffe und Materialien nachhaltiger und die Gesundheit von Mensch und Umwelt kann geschützt werden.
Materialien für Energiespeicher
Erneuerbare Energien wie Wasser-, Wind und Solarenergie sind abhängig von den elementaren Kräften. Das hat oft Schwankungen bei der Einspeisung von Strom ins Stromnetz zur Folge. Um diese Auffangen bzw. Ausgleichen zu können, werden Energiespeicher benötigt, die den gespeicherten Strom jederzeit dort zur Verfügung stellen können, wo er benötigt wird. Das erfordert wiederum eine große Speicherkapazität bei gleichzeitiger schneller Einspeisung des Stroms zurück ins Netz: Effiziente Stromspeicherbatterien bestehen aus genau aufeinander abgestimmten Komponenten, die eine lange und vor allem sichere Nutzungszeit gewährleisten sollen. Bei der Herstellung dieser speziellen Batterien kommen innovative Materialien zur elektrochemischen Speicherung ins Spiel, denn diese sind auf den jeweiligen Bedarf hin optimiert. Damit ist die Basis zur Herstellung intelligenter Stromspeichersysteme geschaffen, die eine Vorrausetzung für hohe Lebensqualität bilden. Eine intelligente Kopplung von regenerativer Erzeugung, Speicherung, Verteilung und Verbrauch, ermöglicht es Stromnetze stabil und bedarfsgerecht zu betreiben. Die intelligente Stromnutzung und der damit einhergehende Einsatz moderner Batterietechnologien, ist auch Voraussetzung um die Elektromobilität für den Massenmarkt tauglich zu machen: Höhere Reichweite bei mehr Sicherheit und Langlebigkeit. Damit Energiespeicherherstellung sich effizient weiterentwickeln kann, ist es notwendig, dass in den Materialtechnologien bei der Zellchemie und -struktur konsequent geforscht wird.
Hygiene durch innovative Materialien
Neuartige Krankheitserreger können sich durch die Globalisierung und zunehmende Mobilität der Menschen schneller denn je verbreiten, weshalb Hygiene und Gesundheit eine zentrale Herausforderung im 21. Jahrhundert sind. Hinzukommt ein rasanter Anstieg der Infektionszahlen durch multiresistente Keime in Krankhäusern. Gegenwärtige Hygienestandards im alltäglichen Leben, wie z. B. in Supermärkten oder öffentlichen Verkehrsmitteln reichen nicht mehr aus, um die Ausbreitung dieser Krankheitserreger und Keime einzudämmen. Hygiene spielt auch bei Industrieanlagen und anderen Infrastrukturen eine große Rolle, denn sie können durch den Befall von Mikroorganismen oder Algen beschädigt werden und sogar ausfallen, wodurch hohe Kosten für die regelmäßigen und notwendigen Reinigungs- und Wartungsarbeiten entstehen. Gerade in der Lebensmittelindustrie werden besonders hohe Anforderungen an die Hygiene gestellt. Neue materialspezifische Konzepte für mehr Hygiene beinhalten z. B. neuartige Filtermaterialien, während antibakteriell wirkende Oberflächen den Menschen und die Umwelt schützen. So tragen innovative Werkstoffe erheblich zur Prävention vor gesundheitlichen Risiken und zur Steigerung der Lebensqualität bei.
Zukunftshäuser – intelligent, komfortabel, bezahlbar
Neue Baumaterialien bestimmen das Wohnen und vor allem Bauen der Zukunft, denn sie garantieren effiziente Wärmedämmung und -isolierung, machen erneuerbare Energien für das Wohnen nutzbar und sind durch ihre Multifunktionalität flexibel nutzbar. Darunter sind z. B. Werkstoffe mit schaltbarer Wärmedämmung und Verglasung oder schallschluckenden Oberflächen. Ultrafeste Betone und neue Bindemittel müssen hohe Stabilitäts- und Festigkeitsanforderungen erfüllen, sollen aber gleichzeitig voll recyclingfähig sein. Wichtig ist zudem, dass neue Baumaterialien ressourcenschonend produziert werden und über ihren ganzen Lebenszyklus hinaus intelligent und im Idealfall wiederverwendet werden können.
Von neuen Materialien zur Wärmedämmung profitiert hier auch ältere Bausubstanz, denn sie weist eine effiziente Wärmedämmung und damit ein hohes Einsparungspotenzial auf. Neue Werkstoffe und eine Materialien fördern also bereits jetzt die Entstehung einer klimaneutralen Stadt der Zukunft.
3D-Druck
Heutige Fertigungsverfahren weisen einen hohen Ressourcenbedarf auf. So fallen bei materialabtragenden Verfahren wie dem Drehen oder Fräsen, bis zu 90 % der Ausgangsmaterialien als Produktionsabfälle an. Zudem lassen sich mit aktuellen Verfahren nur vergleichsweise einfache Bauteile kostengünstig produzieren, die dann zu komplexeren Strukturen zusammengefügt werden. Rentabilität erhalten solch aufwendigen Produkte erst durch eine hohe Stückzahl.
Abhilfe schaffen sollen generative Fertigungsverfahren oder auch additive Fertigung wie der 3D-Druck oder das Lasersintern: Hier werden Fertigungsteile direkt aus formlosen Materialien wie Flüssigkeiten oder Pulver aufgebaut. So wird die Materialeffizienz erhöht, während gleichzeitig Abfälle durch Verschnitt vermieden werden. Diese ressourcenschonenden Verfahren erlauben die Fertigung von Bauteilen mit variablen Materialeigenschaften oder der Herstellung von Produkten aus verschiedenen Werkstoffen. Mit generativen Verfahren können also komplexe Produkte mit integrierten Funktionen bereits in geringer Stückzahl kostengünstig produziert werden. Vor allem bei Leichtbauteilen und Medizinprodukten kann das Werkstoffpotenzial effektiv genutzt werden.
Neue Werkstoffe aus der virtuellen Welt
Die besonderen Eigenschaften eines Werkstoffes werden durch seine atomaren und molekularen Strukturen bestimmt. Mit Hilfe kombinierter Simulationsverfahren am Computer können neue Werkstoffe schon auf atomarer Ebene entworfen werden. Mit sogenannten Multiskalensimulationen können Bauteile von der atomaren bis zur makroskopischen Ebene vollständig entwickelt, optimiert und virtuell getestet werden. Besonders interessant sind neue Werkstoffe mit extremen Eigenschaften, wie hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit oder einer außergewöhnlicher Temperaturbelastbarkeit, um beispielsweise Superlegierungen für die Energietechnik zu verbessern oder Hybridmaterialien für den Leichtbau zu entwickeln. Die vollständige Simulation von Materialien und deren Eigenschaften am Computer, kann die bis dato jahrelange, aufwändige Entwicklungsarbeit im Labor verkürzen, Entwicklungskosten senken und helfen neue Materialien aufzuspüren.
Eine Standsäule der Wirtschaft mit gesellschaftlichen Potentialen
Mit rund 130.000 Betrieben, knapp 2,1 Millionen Mitarbeitern und einem Viertel der landesweiten Wertschöpfung gehört das Innovationsfeld der innovativen Werkstoffe und Intelligenten Produktion zu den wichtigsten Standsäulen der Wirtschaft und Forschung in NRW. In der Stahl- und Aluminiumproduktion ist Nordrhein-Westfalen bspw. seit jeher internationale Spitze und Vorreiter bei disruptiven Entwicklungssprüngen, die in die ganze Welt exportiert werden. Dabei stärkt das Feld rund um neue Werkstoffe und Materialien wie kein anderes die globale Wettbewerbsfähigkeit und schafft langfristig eine moderne, nachhaltige und klimaneutrale Hightech-Industrie mit sicheren Arbeitsplätzen in NRW.
Innovative Materialien und Werkstoffe wirken zwar auf den ersten Blick für viele Menschen nicht gesellschaftsrelevant, da sie in vielen alltäglichen Produkten oftmals unbemerkt ihre profitablen Eigenschaften ausspielen, dennoch sind sie für die Lösung konkreter technologischer, ökologischer und gesellschaftlicher Probleme unverzichtbar und eine andauernde Materialforschung ist unvermeidbar. So werden beispielsweise Getränkedosen aus Aluminium gefertigt, das sich auf Grund seiner sehr guten Recyclingfähigkeit, geringen Dichte sowie Resistenz gegenüber Licht und Feuchte hervorragend für Anwendungen in der Lebensmittelwirtschaft eignet. Besonders harte Beschichtungen, die sich über unterschiedlichste Verfahren auf Oberflächen aufbringen lassen, sorgen für die Langlebigkeit von Bohrköpfen oder auch Möbeln. Die Materialforschung erhöht durch neue werkstoffbasierte Funktionalitäten und Leistungssprünge die Wettbewerbsfähigkeit der Industrie in NRW, setzt so Impulse für ein nachhaltiges Wirtschaften und trägt zu mehr Lebensqualität und Wohlstand in unserer Gesellschaft bei.