Wie Hochleistungswerkstoffe robuster und nachhaltiger werden

Forschende der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) zeigen in einem Perspektivbeitrag auf, wie sich Hochleistungsmaterialien für Batterien, Wasserstofftechnologien, Windkraftanlagen, zur Energieumwandlung, für chemische Prozesse und moderne Elektronik künftig langlebiger, sicherer und ressourcenschonender gestalten lassen. Damit soll wachsenden Abhängigkeiten von kritischen Rohstoffen, begrenzter Recyclingfähigkeit und Leistungsverlusten im praktischen Einsatz begegnet werden.

Viele Hochleistungswerkstoffe, die für zentrale Zukunftstechnologien unverzichtbar sind, enthalten seltene oder geopolitisch sensible Rohstoffe. Sie können in vielen Anwendungen schnell altern, lassen sich aber nur schwer recyceln. Die Folgen sind hohe Kosten, neue Abhängigkeiten und technologische Engpässe. Forschende der BAM plädieren aus diesem Grund in einem Perspektivbeitrag, der im Fachblatt Current Opinion in Solid State & Materials Science erschienen ist, für einen strategischen Kurswechsel in der Materialforschung: Statt Materialien ausschließlich auf maximale Leistungswerte zu optimieren, soll ihre langfristige Stabilität, Wiederverwendbarkeit und Rohstoffverfügbarkeit von Beginn an mitgedacht werden.

Die Zukunftsfähigkeit von Materialien sicherstellen

„Wir haben in den letzten Jahren gelernt, Materialien immer leistungsfähiger zu machen. Jetzt müssen wir sie gleichzeitig robuster, langlebiger und nachhaltiger gestalten“, sagt Tilmann Hickel, Materialwissenschaftler an der BAM und Erstautor des Beitrags. „Ein Material ist nur dann wirklich zukunftsfähig, wenn es auch unter realen Einsatzbedingungen langfristig funktioniert.“

Im Fokus des neuen Ansatzes stehen drei Designstrategien: 

• Substitution kritischer Elemente: Der gezielte Austausch kritischer oder knapper Elemente durch eine Kombination häufiger verfügbarer Alternativen soll die Nachhaltigkeit von Materialien verbessern, ohne die Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen.
• Kontrolle und Steuerung von Defekten: Mithilfe von „Defekt-Engineering“ sollen Unregelmäßigkeiten im Material – etwa zwischen internen Grenzflächen oder Nanostrukturen – bewusst beeinflusst und genutzt werden, um Eigenschaften wie Stabilität oder Funktion zu optimieren.
• Nutzung chemischer Vielfalt („Managing Diversity“): Statt auf wenige chemische Bausteine zu setzen, soll gezielt eine große Vielfalt an Elementen kombiniert werden, um Materialien robuster zu machen und mehrere Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen.

Batterien, Wasserstoffspeicher und Katalysatoren im Praxistest

Besonders relevant ist dieser Ansatz für die Energiewende: Leichtbauteile aus modernen, hochfesten Stählen können bei Windenergieanlagen dazu dienen, wertvolle Ressourcen einzusparen und effizientere Offshore-Türme zu errichten. Die Bauteile sind großen mechanischen Belastungen ausgesetzt und müssen über lange Zeit zuverlässig funktionieren. Zudem wächst das Bestreben, chemisch komplexe Materialien wie Hochleistungsstähle stärker als bisher im Kreislauf zu führen. Die Forschenden der BAM sehen darin keinen Zielkonflikt, sondern eine Gestaltungsaufgabe. „Das Gelingen der Energiewende entscheidet sich nicht daran, ob ein Material im Labor Höchstwerte erreicht, sondern ob es über Jahre hinweg zuverlässig in der Praxis funktioniert, reparierbar ist und vor dem Hintergrund veränderlicher Rohstoffbedingungen eingesetzt werden kann”, so Andrea Stucchi de Camargo, eine der Mitautorinnen des Beitrags.

Erste Anwendungen zeigen Potenzial

Der Perspektivbeitrag der BAM stützt sich dabei nicht nur auf theoretische Überlegungen, sondern auf eine Vielzahl konkreter Beispiele aus der angewandten Forschung: In mehreren Materialklassen ist es bereits gelungen, kritische oder knappe Elemente teilweise zu ersetzen, die Funktionsfähigkeit über lange Zeiträume zu erhalten und typische Zielkonflikte – etwa zwischen Effizienz und Haltbarkeit – aufzulösen. So können bereits heute chemisch komplexe Batteriematerialien den teuren und geopolitisch besonders kritischen Rohstoff Kobalt in Akkus teilweise ersetzen. In Brennstoffzellen funktionieren neue protonenleitende Materialien dank chemischer Vielfalt selbst bei Temperaturen, bei denen herkömmliche Materialien bisher versagen. Und in Katalysatoren, die bei vielen chemischen Prozessen unentbehrlich sind, erweisen sich mehrkomponentige Metalllegierungen ähnlich effizient wie das Edelmetall Platin.

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