Von Dr. Uwe König, Haan
In zunehmendem Maße rücken Materialien und deren effizienter Einsatz in den Fokus der Entwicklung. Dabei wird sowohl nach Ersatz für teure oder knappe Rohstoffe gesucht als auch die Recyclingfähigkeit der Materialien höher bewertet. Der Oberflächentechnik wird eine hohe Wachstumsdynamik, allerdings bei stark regionalem Charakter zugeschrieben, wobei der Automobil- und Maschinenbau die vorrangigen Einsatzgebiete sind. Trotz guter Rahmenbedingungen liegt Deutschland bei der Umsetzung von neuen Technologien nicht unter den innovativsten Staaten der Erde. Hierfür müssen vor allem die Beziehungen zwischen Forschung und industrieller Anwendung verstärkt werden.
Science and Research Today
It is increasingly the case that materials and their efficient utilisation are being more intensively studied. Such studies include a search for alternative materials for those in short supply as well as the recyclability of materials being used. Surface Finishing technology is seen as one exhibiting dynamic growth, albeit of a sectoral character. The automotive and machine building sectors are foremost in such advances. Notwithstanding a highly favourable climate for innovation, Germany is not among the most innovative countries in the world in terms of adoption of new technology. What is most important in this context is a strengthening of relationships between Research and Industrial Development.
1 Materialentwicklungen
1.1 Aktuelle Entwicklungen
Keine Disziplin ist in der letzten Zeit breiter zusammengewachsen als die der Materialien. Dabei geht es sowohl um die Entwicklung neuer Werkstoffe als auch um das Verständnis der Eigenschaften [1].
In den Fokus des Interesses gelangen immer mehr die porösen Materialien. Ziel ist es, in den Poren aktive Stoffe einzulagern, ohne die Substratstruktur zu beeinflussen. Derartige Systeme können im Katalysebereich oder in der Entwicklung von Elektrodenmaterialien eingesetzt werden, so für Batterien oder Brennstoffzellen. Dabei werden organische, anorganische und metallische Materialien gleichermaßen betrachtet. Ziel ist es, verfügungskritische Rohstoffe zu ersetzen.
Von Bedeutung ist dabei auch die Weiterentwicklung von flüssigen Reaktionsmedien wie ionische Flüssigkeiten, welche neue Produktionstechniken erlauben. So können bereits heute Nanopartikel in ionischen Flüssigkeiten durch plasmaelektrochemische Verfahren in-situ synthetisiert werden. Eine Einbindung in das Substrat als neue Beschichtungstechnologie ist ein erklärtes Ziel [2].
Verstärkt werden auch neue Kunststoffe untersucht. Auch hier sollen durch in-situ-Polymerisationen der Monomere angepasste Werkstoffe erzeugen. Dadurch wird sich auch die Vielfalt der verwendeten Kunststoffmaterialien deutlich erhöhen. So kann der Ersatz von Aluminiumfelgen durch glasfaserverstärktes Polyamid im Kfz-Bereich pro Felge drei Kilogram Gewicht einsparen.
Eine weitere Anwendung wird die Verbauung eines Multifunktionsdaches sein. Hier werden in das Fahrzeugdach eingebaute Photovoltaikzellen einen Teil der notwendigen elektrischen Energie liefern. Weiterhin integrierte organische LEDs sorgen für die notwendige Beleuchtung. Basiskunststoffe, Solarzelle und OLED sind dabei transparent, so dass zusätzlich ein Glasdacheffekt erreicht wird. Die Ansätze werden bereits in einem Konzeptfahrzeug der BASF (Abb. 1) auf eine praktische Nutzung getestet [3].
Abb. 1: Dach des Konzeptfahrzeugs mit Solarzellen (Foto: BASF)
1.2 Suche nach Alternativen
Ein aktueller Trend ist die Diskussion um den Vergleich und die Bewertung von Technologien zur Beschichtung von Materialien. Wesentlicher Diskussionspunkt ist die Eignung der Techniken zur Erreichung der gewünschten Funktionalitäten. In vielen Fällen liegen bei weitem nicht ausreichende Informationen vor. Hilfreich können die Untersuchungen von Beschichtungen sein, die bereits vergleichend verwendet werden oder verwendet worden sind. Eine interessante Untersuchung zu diesem Thema sind historische Beschichtungstechniken. Seit kurzem werden Bronzestatuen aus der römischen Antike untersucht, die mit einer Vielzahl von Vergoldungstechniken veredelt worden sind [4].
Eine häufig genutzte Technik war das Blattvergolden. Dabei wird eine hauchdünne Goldfolie mittels eines Adhäsionsmittels mit der Oberfläche verklebt. Die resultierende Schicht ist allerdings mechanisch sehr anfällig. Ein ähnliches Verfahren war die Or-haché-Technik. Hierbei wird die Statue erhitzt und das Blattgold in die Oberfläche hineinpoliert. Vorteil war das natürlichere Erscheinungsbild bei gleichzeitiger Vergoldung. Genutzt wurde auch die Feuervergoldung. Hierbei wird ein Gemisch aus Quecksilber und Gold aufgetragen und das zu veredelnde Teil erhitzt. Dabei verdampft ein Teil des Quecksilbers, ein weiterer Teil diffundiert in das Substrat hinein und zieht dabei Goldatome mit. Die polierte Oberfläche war zwar unempfindlicher gegen mechanische Belastung, das verwendete Blei ergab aber eine fleckige Oberfläche. Da aber der Anteil an Blei in der Bronze immer größer wurde, war dieses Verfahren für größere Statuen nicht geeignet. Eine Verbindung der Techniken war dann die Diffusionsbeschichtung, bei der die aufgebrachte dünne Goldfolie erhitzt wurde, wodurch es zu der Diffusionsvergoldung kam. Diese Beschichtung war dann deutlich haltbarer.
Schon im historischen Umfeld zeigte sich, dass ein Erfolg nur durch eine genaue Definition der gewünschten Eigenschaften kombiniert mit der Analyse der Beschichtungstechnologien zu erreichen ist.
1.3 Positionspapier Materialforschung
Die aktuellen Entwicklungen in der Materialentwicklung fasst das Positionspapier Chemie als ein Innovationstreiber in der Materialforschung [5] zusammen. Insbesondere der Chemie kommt eine wichtige Rolle bei der Beurteilung der in der Materialforschung verwendeten Stoffe zu. Ein hohes Innovationspotential ist vor allem durch die chemische Materialforschung gegeben, bei der die Chemie entlang der gesamten Wertschöpfungskette der Materialwissenschaft und Werkstoffentwicklung die Verbindung zu anderen Fachdisziplinen ermöglicht.
Auch wenn viele Themen wie Leichtbau, Korrosionsschutz oder Energietechnik bereits seit langem bearbeitet werden, so ergeben sich doch durch die Notwendigkeit der Rohstoffsicherung durch Recycling und einer effizienteren Kreislaufwirtschaft vermehrt übergreifende Aspekte, die durch eine singuläre Fachdisziplin nicht geschultert werden können. Dies wird insbesondere durch die verstärkte Verwendung von Verbundwerkstoffen und Kombinationen verschiedener Werkstoffe zur Erreichung der gewünschten Eigenschaften deutlich. Die Auswahl der entsprechenden Stoffe wird verstärkt durch die Recyclierungsfähigkeit dominiert werden.
1.4 Rohstoffe und Recycling
Aufgrund der Diskussionen um die Verfügbarkeit von Rohstoffen hat die Intensivierung des Recyclings bereits langjährige Tradition. Aber auch die Entwicklung von Alternativen wird immer intensiver bearbeitet. So werden die organischen Leuchtdioden immer effizienter und können sogar mehrfarbiges Licht mit hoher Lichtausbeute emittieren. Dadurch kann das sonst notwendige Iridium eingespart werden. Grundlage hierfür ist die klassische Farbstoffentwicklung, so dass die Problematik der Rohstoffe durchaus entspannt werden kann [6].
Ein weiteres Beispiel sind Dosen, die Prepolymere für Polyurethanschaum enthalten [7]. Hier zeigt sich, dass eine ganzheitliche Verwertung zwar zunächst aufwändiger als andere Verfahren ist, die Ökobilanz jedoch deutlich positiver ausfällt. Neuemissionen werden durch die Wiederverwendung der Materialien vermieden und Energie eingespart. Notwendig ist eine angepasste Recyclingtechnik, wodurch langfristig aber Primärenergie eingespart wird.
Obwohl zum gegenwärtigen Zeitpunkt der Schwerpunkt der Wiederverwendung bei Materialien liegt, deren Verfügbarkeit als kritisch angesehen wird, so werden auch Massenrohstoffe wie Chrom oder Zink absehbar betrachtet werden müssen. Dies gilt langfristig auch für die nichtmetallischen Werkstoffe wie Kunststoff und Keramiken.
2 Wirtschaftstrends
Trotz zunehmender Globalisierung wird nach einem Bericht der IKB [8] in Deutschland der regionale Bezug der Metallindustrie bei weiterem Wachstum auf lange Sicht erhalten bleiben. Insbesondere die Oberflächentechnik besitzt demzufolge eine hohe Wachstumsdynamik im regionalen Bereich (Abb. 2).
Die Abhängigkeit der mittelständischen Zulieferstruktur von den wichtigsten Abnehmerbranchen im Automobil- und Maschinenbau lässt zwar ein hohes Wachstumspotenzial erwarten. Es ist jedoch auch mit einem steigenden Preisdruck und einem verstärkten Konzentrationsdruck zu rechnen. Eine Erhöhung der Konzentration durch Fusionen dient damit eher nicht der Schaffung von Synergien als vielmehr der Reduzierung von Überkapazitäten und Marktbereinigungen. Der Konsolidierungsdruck erreicht auch die Oberflächentechnik (Abb. 3), die sich mit diesem bei dem derzeit geringen Konsolidierungsgrad auseinandersetzen muss.
Abb. 2: Wachstumsdynamik in Bereichen der deutschen Metallindustrie (Quelle: IKB)
Abb. 3: Abschätzungen zur Veränderung durch Konzentrationen im Markt (Quelle: IKB)
3 Innovation und/oder Forschung?
Neuerungen scheinen es in Deutschland schwer zu haben. Obwohl Deutschland als Land der Ideen tituliert wird, rangiert es im internationalen Vergleich eher im Mittelfeld. Der Global Innovation Index 2012 [9] sieht Deutschland nach EU-Ländern wie der Schweiz, Schweden und Singapur oder Finnland (4) und Hongkong (8) sowie die USA (10) lediglich an 15. Stelle (von 141). Auch die Studie Innovationsindikator 2012 [10] des BDI und der Deutschen Telekom Stiftung sieht Deutschland auf Platz sechs von 27 Ländern. Beide Studien sehen sogar eine negative Tendenz. Ein wesentlicher Grund wird in dem unzureichendem Bildungssystem gesehen.
Aus der Forschung heraus werden aber noch andere Punkte diskutiert. So sieht Dr. Marcell Peuckert, Deutsche Bunsengesellschaft und Thermal Conversion Coupound Industriepark Höchst GmbH, Handlungsbedarf bei der Zusammenarbeit und dem gelebten Austausch zwischen Industrie und Hochschule [11]. Die kurzfristigen Marktbedürfnisse erfordern schnelle und flexible Lösungen, deren Bearbeitung aber durch geänderte Rahmenbedingungen auch schnell abgebrochen werden können. Die Aufgabe der Grundlagenforschung ist dagegen die langfristige und kontinuierliche Beharrlichkeit, um solides Wissen bereitzustellen. Das Geheimnis liegt in der Verbindung von Idee und Umsetzung, was nur gemeinsam erfolgen kann.
Nichtsdestoweniger besteht die Gefahr, dass sich alle Strömungen auf die kurzfristige Umsetzbarkeit konzentrieren. Dr. Friedrich Seitz, BASF und Vorstandsmitglied der GDCh, sieht mit Sorge, dass auch die Universitäten sich immer mehr von der schnellen industriellen Umsetzbarkeit ihrer Forschungsergebnisse abhängig machen [12]. Notwendig seien Impulse aus der Grundlagenforschung, ohne die die industrielle Forschung Gefahr läuft, in inkrementellen Verbesserungen steckenzubleiben. Wichtig ist es, dass ein gemeinsam definiertes Arbeitsgebiet, das für alle Seiten relevant ist, im Mittelpunkt steht. Damit darf aber die aufgrund der Zusammenarbeit auftretende Tendenz der Reduzierung der Forschungskosten nicht verbunden werden; gegenseitiger Respekt ist zwingend notwendig.
Verbunden ist damit allerdings auch die Notwendigkeit, dass Wege gefunden werden, die einen gleichberechtigten Austausch ermöglichen. Der Wissenschaftsjournalist Lars Fischer fordert eine erhöhte Sichtbarkeit der Forscher [13]. Professionalisierung und Spezialisierung haben in der Wissenschaft dazu geführt, dass diese, abgekoppelt von der Allgemeinheit, nur noch sich untereinander von ihren Ergebnissen unterrichten. Forscher und Experten müssen aber mehr denn je sichtbar sein, um die wissenschaftliche Expertise in die Diskussion der anstehenden Fragen in ausreichendem Maße einbringen und die entstehenden Konsequenzen möglichst umfassend beurteilen zu können. Notwendig ist eine offene und zugängliche Wissenschaft, sowohl im Grundlagenbereich als auch in der industriellen Forschung und Anwendung.
Um dieses Ziel zu erreichen, werden verschiedene Werkzeuge zur Verfügung gestellt. Eine wichtige Information ist die über die handelnden Institutionen. Jetzt steht auch eine Landkarte Elektrochemie (Abb. 4) zur Verfügung, die von der Fachgruppe Elektrochemie in Zusammenarbeit mit den Fachverbänden entwickelt worden ist. Um eine gute Übersicht über die Aktivitäten zu erhalten, sind alle Einrichtungen, die auf dem Gebiet der Elektrochemie aktiv sind, eingeladen, sich in die Karte einzutragen.
Abb. 4: Landkarte Elektrochemie (Quelle: www.gdch.de/landkarte-elektrochemie)
Literatur
[1] Nachrichten aus der Chemie 61 (2013) – Trendberichte
[2] Bunsenmagazin 6/2012, S. 235ff
[3] Nachrichten aus der Chemie 61 (2013), S. 334
[4] Spektrum der Wissenschaft 12/2012, S. 70 ff.
[5] http://www.bunsen.de/bunsen_media/Downloads/Brosch%C3%BCren/PP_Material-
forschung_web.pdf
[6] Nature 492 (2012) S. 234 ff / SdW 3/2013, S. 8
[7] Nachrichten aus der Chemie 61 (2013), S. 453f
[8] IKB Information Metallindustrie 2020, Juni 2009
[9] http://www.globalinnovationindex.org/gii/index.html
[10] http://www.innovationsindikator.de/startseite/
[11] M. Peuckert: Innovation oder Forschung; Bunsenmagazin 15 (2013) 1
[12] F. Seitz; Nachrichten aus der Chemie 61 (2013), S. 491
[13] Spektrum der Wissenschaft 12/2012, Spektrum EXTRA, S. 6
DOI: 10.7395/2013/Koenig1
