Neue Wege in zukunftsfähige Technologien

Chemie als Innovationstreiber

von Prof. Dr. Michael Dröscher

Materialien und Werkstoffe bestimmen unser Leben. Sie sind eine ­wesentliche Grundlage unserer Kultur und unseres Wohlstands und spielten immer eine wichtige Rolle bei der Menschheitsentwicklung. Deshalb teilen die Historiker die frühe Geschichte der Menschheit nach den Materialien ein, die den Menschen jeweils zur Verfügung standen. Der Steinzeit folgte die Bronzezeit und dann die Eisenzeit. Heute verfügen wir über ein breites Spektrum von Materialien – ­von den Metall­legierungen bis hin zur breiten Kunststoffpalette, von Beton bis hin zu hochwertigen Keramiken. Aber selbst diese Vielfalt wird nicht ausreichen, die drängenden Zukunftsfragen und Herausforderungen des 21. Jahrhunderts zu beantworten. Für die Gestaltung der ­Zukunft müssen wir unser Portfolio erweitern, wir müssen bestehende Materialien weiterentwickeln und neue Materialien erforschen.

Die Herausforderungen sind gut bekannt. Es gilt, den Umgang mit Ressourcen, die Energieversorgung, die Mobilität, den Konsum nachhaltiger zu gestalten. Wir brauchen neue Diagnose- und Therapiemöglichkeiten im Gesundheitswesen. Dafür ist ein vertieftes Verständnis der Materialien und Werkstoffe, ihrer chemischen Natur und Architektur, ihrer Funktionalisierung sowie ihrer Verarbeitungs- und Einsatzmöglichkeiten erforderlich. Nur so können wir die Wettbewerbsfähigkeit des produzierenden Gewerbes und der Industrie in Deutschland und Europa erhalten. Das sagt auch die Bundesregierung. Das Thema der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ist ein wichtiger Aspekt in der Hightech-Strategie. Dies wird unter anderem im 10-Punkteprogramm des Bundesministeriums für Bildung und Forschung verdeutlicht.

Erfolgsfaktor Chemie

Die Materialforschung ist ein dynamisches Arbeitsgebiet, in dem der Erfolg auf der Zusammenarbeit verschiedener Disziplinen beruht. Chemiker arbeiten mit Physikern, Ingenieuren, Materialwissenschaftlern und Werkstofftechnologen, mit Biologen, Medizinern und Experten anderer Fachrichtungen zusammen. Sie suchen dabei Lösungen auf Basis innovativer Materialien und Werkstoffe für fast alle gesellschaftlichen Bedarfsfelder. Zu diesen Lösungen trägt die Chemie als „Wissenschaft der Stoffe“, der stofflichen Veränderungen und der Verknüpfung von Aufbau und Materialeigenschaften wesentlich bei. Sie beschreibt die Wechselwirkungen zwischen einzelnen Substanzen und untersucht deren Stabilität und Reaktivität.

Optimierte Materialeigenschaften benötigen ein vertieftes Verständnis von Materialstruktur und Materialzusammensetzung. Aber auch bei der Herstellung, Verarbeitung und Anwendung der Materialien, also über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg, ist chemische Erfahrung ein wesentlicher Erfolgsfaktor. Damit dies weiterhin auch so bleibt, muss in Forschung und Entwicklung investiert werden. Dazu gehört auch eine intensive Forschungsförderung. Es geht dabei um das grundliegende Verständnis für die stofflichen Eigenschaften, das aus der Kenntnis und Kontrolle über Elemente, Verbindungen und Architekturen auf atomarer und molekularer Ebene entsteht. Dazu gehört die Kenntnis im Bereich der stofflichen Umwandlung, der Wechselwirkungen der einzelnen Stoffe und Materialien in Herstellung und Gebrauch sowie der bestmöglichen Rückführung am Ende ihrer Gebrauchszeit. Schließlich geht es auch um die Beurteilung von Stoffen bezüglich der gesetzlichen Vorgaben.

Dabei steht die Entwicklung von hochwertigen Hochleistungsmaterialien und Materialien mit neuen Eigenschaften im Vordergrund. Der Wirtschaftserfolg in Deutschland beruht zunehmend auf hoch entwickelten und veredelten Produkten mit hoher Wertschöpfung. Dagegen gerät die Produktion von Basismaterialien und Basiswerkstoffen zunehmend unter Kosten­druck.

Vom chemisch Möglichen ­zur erfolgreichen Lösung

Chemiker machen das natürlich nicht ­alleine, denn die Komplexität moderner Technologien nimmt weiter zu. Immer mehr Fragestellungen können überhaupt nur durch interdisziplinäre Ansätze gelöst werden. Aber gerade Chemiker verfügen über das Wissen und die Netzwerke, ­zusammen mit den Nachbardisziplinen ­erfolgreiche Lösungen zu erarbeiten. Sie sind die Experten für das chemisch Mögliche.

Offensichtlich ist der Beitrag der Chemie, wenn es z.B. um neue Technologien ­sowie die dazugehörenden Produkte geht. So ­haben Entwicklungen im Bereich der ­Metalllegierungen und ihrer Nanostrukturierung zur Entdeckung von Materialien mit speziellen magnetischen Eigenschaften beigetragen. Dadurch wurden Festplatten mit Speicherkapazitäten von mehreren Terabytes zugänglich.

Auch wenn es um bessere Katalysatoren geht, ist der Beitrag der Chemie offensichtlich, z.B. bei der effizienteren und nachhaltigeren Produktion von Kunststoffen oder Düngemitteln. Typische Chemieprodukte sind aber auch Farbstoffe, Lacke, Pharmazeutika oder Waschmittel.

Aber nicht immer ist der Beitrag der ­Chemie so sichtbar, aber dennoch sehr wichtig. So werden Hochleistungsmaterialien in der Elektronik – z.B. bei organischen Leucht­dioden – benötigt. Das gilt auch für den ­Bereich der Energieversorgung, wo es um Brennstoffzellen, Photovoltaik oder Batterie-/Stromspeicher geht.

Chemische Materialforschung für Zukunftsfelder

Die Entwicklung von Leichtbaumaterialien stellt eines der dringendsten Themen in der chemischen Materialforschung dar. Eine nachhaltig und energie- und ressourcen­effizient agierende Gesellschaft ist zwingend auf leichtere Materialien angewiesen, die gleichzeitig steif und fest sind. Schon heute werden Erkenntnisse aus der Luft- und Raumfahrt in die Entwicklung neuer Kraftfahrzeuge einbezogen.

Leichtbau ist auch für viele andere Anwendungen wichtig, vom Windrad bis zum ­modernen Wohnungsbau. Die Chemie entwickelt Hightech-Materialien, z.B. Carbonfasern, spezielle Schaumstoffe sowie ­Beschichtungen, die Leichtbaumaterialien jahrelang vor Witterungseinflüssen schützen. Des Weiteren leistet die Chemie im Leichtbau einen verbindenden Beitrag, denn ohne maßgeschneiderte Klebstoffe oder spezielle Harz-Härter-Systeme ­wären neuartige Verbundwerkstoffe nicht vorstellbar.

Materialien für den Umweltschutz: Membranen sind heutzutage eine der innovativsten Technologien zum Trennen und Reinigen von Stoffen. So werden sie zur Reinigung von Trinkwasser, Prozesswasser und Abwasser ebenso eingesetzt wie in der Lebensmittelindustrie, Chemikalientrennung und zur Dialyse.

Dass der Korrosionsschutz ein wichtiges Feld ist, wird dann offensichtlich, wenn wieder Brücken repariert oder sogar erneuert werden müssen, die noch keine 50 Jahre alt sind. Aber auch Windparks in der Nordsee erfordern einen guten Korro­sionsschutz. Es ist weiterhin zwingend notwendig, chemische Lösungen für die Vermeidung von Materialschäden und damit einhergehende wirtschaftliche Schäden zu finden. Insgesamt beträgt der korrosionsbedingte Schaden 3–4% des Bruttonatio­naleinkommens in Deutschland.

Auch wenn es darum geht, ­Materialien im Stoffkreislauf zu halten, beispielsweise durch Recycling, oder auch kritische Materialien zu substituieren, ­leisten Chemiker wesentliche Beiträge. Sie beschäftigen sich bereits in frühen Phasen der Materialentwicklung mit diesen Themen, um die Materialauswahl im Hinblick auf ein effi­zientes Recycling oder die Substitution kritischer Rohstoffe zu optimieren.

Interdisziplinäre Kommunikation von der Lehre bis zur Wertschöpfung

Forschung kann nur dann langfristig gelingen, wenn auch die Lehre ihren Beitrag leistet. Damit Chemiker diese Rolle auch weiterhin ausfüllen können, müssen die Hochschulen den jungen Chemie­studentinnen und -studenten auch in Zukunft ­einen breiten wie auch tiefen Einblick in die stoffliche Vielfalt der Materialien vermitteln. Weiterhin muss der Chemikernachwuchs befähigt werden, den Brückenschlag zwischen den verschiedenen Disziplinen der Material­forschung zu gestalten.

Dieser Brückenschlag verbindet ganz verschiedene Diszi­plinen, sei es die anorganische Chemie mit der Medizin oder die Polymerchemie mit der Metallurgie. Gleichzeitig muss die Chemie einen noch besseren Eingang in materialwissenschaftliche und ingenieur­technische Studiengänge finden. Grundsätzlich spielt die Intensivierung der Kommunikation zwischen den beteiligten Disziplinen in der Materialforschung eine wichtige Rolle.

Zusammengefasst heißt die Forderung:

Die Chemie muss ein starker Motor für stoffliche Innova­tionen bleiben und dabei mehr sein als ein „Lieferant“ für neue Materialien. Sie muss durch eine wissensbasierte Funktionalisierung von Materialien neue Wege in zukünftige Technologien aufzeigen. Dazu sind ­verstärkte Anstrengungen in Forschung und Entwicklung gemeinsam mit den benachbarten Diszi­plinen notwendig.

Die Breite der chemischen Grundausbildung bei Betonung material­wissenschaftlicher Frage­stellungen muss erhalten bleiben, um die Rolle des Chemikers als Experte für Materialien zu stärken.

Die Zusammenarbeit aller beteiligten Akteure entlang der gesamten Wertschöpfungskette von der Grundlagenforschung über die Verfahrenstechnik bis hin zur Produktion muss gestärkt werden.

Damit das gelingt, brauchen wir eine starke Förderung von ­Forschung und Lehre in der Chemie. Dann werden die ­Chemikerinnen und ­Chemiker ihre Beiträge zur Lösung der Zu­­­­kunfts­­heraus­­for­derungen leisten können.

Literatur

Positionspapier „Chemie als ein Innovationstreiber in der Materialforschung“, herausgegeben von DBG, DECHEMA, DGM, GDCh, VCI, Dezember 2012, ISBN 978-3-89746-140-6

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