Am 11. Juni 2026 hat die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) eine wegweisende Materialstrategie skizziert, die darauf abzielt, die Eigenschaften von Hochleistungswerkstoffen zu optimieren. Diese neuen Ansätze sind besonders relevant für Anwendungen in Zukunftstechnologien wie Batterien, Wasserstofftechnologien, Windkraftanlagen und moderne Elektronik. Die BAM-Forschenden stellen fest, dass viele dieser Werkstoffe kritische Rohstoffe enthalten, deren Verfügbarkeit eingeschränkt ist. Diese Abhängigkeiten können zu hohen Kosten und technologischen Engpässen führen, wenn die Materialien in der Praxis versagen oder schwer recycelbar sind.
In einem aktuellen Beitrag, der in der Fachzeitschrift Current Opinion in Solid State & Materials Science veröffentlicht wurde, fordern die Forschenden einen Paradigmenwechsel in der Materialforschung. Statt sich ausschließlich auf die Maximierung der Leistungsfähigkeit zu konzentrieren, soll nun auch die Langlebigkeit, Wiederverwendbarkeit und die Verfügbarkeit der Rohstoffe bei der Materialentwicklung von Anfang an berücksichtigt werden.
Tilmann Hickel, Materialwissenschaftler an der BAM, betont: „Wir haben in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht, um Materialien leistungsfähiger zu gestalten. Jetzt müssen wir sicherstellen, dass sie auch robuster, langlebiger und nachhaltiger sind.“ Ein Material ist nur dann wirklich zukunftsfähig, wenn es unter realen Einsatzbedingungen über längere Zeit hinweg zuverlässig funktioniert.
Die neue Strategie basiert auf drei zentralen Designansätzen:
1. Substitution kritischer Materialien: Der gezielte Austausch seltener oder teurer Elemente durch weit verbreitete Alternativen soll die Nachhaltigkeit von Werkstoffen verbessern, ohne deren Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen.
2. Defekt-Engineering: Durch gezielte Steuerung und Kontrolle von Materialdefekten, etwa an Grenzflächen oder innerhalb von Nanostrukturen, können die Eigenschaften wie Stabilität und Funktionalität verbessert werden.
3. Nutzung chemischer Vielfalt: Anstatt sich auf eine begrenzte Anzahl chemischer Komponenten zu verlassen, soll eine breite Palette von Elementen kombiniert werden, um Materialien zu schaffen, die mehrere Anforderungen gleichzeitig erfüllen und robuster sind.
Diese Ansätze sind besonders entscheidend für die Energiewende. So können beispielsweise moderne, hochfeste Stahllegierungen in Windkraftanlagen eingesetzt werden, um den Materialverbrauch zu reduzieren und effizientere Offshore-Türme zu konstruieren. Diese Bauteile müssen extremen mechanischen Belastungen standhalten und über lange Zeiträume hinweg zuverlässig funktionieren.
Die BAM-Forschenden sind überzeugt, dass eine stärkere Integration chemisch komplexer Materialien in den Recyclingprozess keine Zielkonflikte darstellt, sondern vielmehr eine Gestaltungsaufgabe ist. Andrea Stucchi de Camargo, Mitautorin des Beitrags, erklärt: „Der Erfolg der Energiewende hängt nicht nur davon ab, ob ein Material im Labor Höchstwerte erzielt, sondern auch davon, ob es über Jahre hinweg zuverlässig funktioniert, reparierbar ist und flexibel auf sich ändernde Rohstoffbedingungen reagieren kann.“
Die vorgestellten Ideen basieren nicht nur auf theoretischen Überlegungen, sondern auch auf zahlreichen konkreten Beispielen aus der praktischen Forschung. In verschiedenen Materialklassen konnten bereits kritische Elemente, wie etwa Kobalt in Batterien, teilweise durch alternative Materialien ersetzt werden, ohne dass die Funktionalität darunter leidet. Neue protonenleitende Materialien für Brennstoffzellen zeigen eine verbesserte Leistung bei höheren Temperaturen, während mehrkomponentige Metalllegierungen in Katalysatoren eine ähnliche Effizienz wie Platin bieten.
Insgesamt zielt die BAM mit dieser neuen Materialstrategie darauf ab, die Entwicklung von Hochleistungswerkstoffen zu revolutionieren. Durch die Berücksichtigung von Langlebigkeit und Ressourcenverfügbarkeit wird nicht nur die Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen verringert, sondern auch die Nachhaltigkeit und Effizienz zukünftiger Technologien gefördert. Die Zukunft der Materialwissenschaften könnte somit nicht nur leistungsstärker, sondern auch umweltfreundlicher gestaltet werden.
