Materialien prägen Zivilisationen
Anstatt nach völlig neuen Materialien zu suchen, konzentrieren sich Materialwissenschaftler heute darauf, bestehende Materialien durch revolutionäre neue Verfahren weiterzuentwickeln. Die Ergebnisse ihrer Arbeit werden zweifellos die Welt um uns herum verändern - und möglicherweise dazu beitragen, sie zu retten.
Die Entwicklung neuer Materialien ist vielleicht eines der wichtigsten Unterfangen der Menschheit, das historische Epochen definiert und das Aussehen der Welt um uns herum verändert. Schließlich wurden das Stein-, das Eisen- und das Bronzezeitalter nach den Materialien benannt, die zu dieser Zeit am häufigsten verwendet wurden.
Wenn es darum geht, heute über die Werkstoffe von morgen nachzudenken, liegt das Hauptaugenmerk auf der Nachhaltigkeit. Und die Materialwissenschaft ist der Schlüssel zu sicheren, sauberen und effizienten Energiesystemen und zur Nachhaltigkeit einer ganzen Reihe von Branchen, vom Verkehrswesen bis zur Fertigung.
Ein Studium der Materialwissenschaften ist eine Möglichkeit, die Welt zu retten, denn man kann wirklich einen Einfluss auf die Nachhaltigkeit haben.
Annika Borgenstam ist Professorin am Fachbereich für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Königlichen Technischen Hochschule (KTH) in Stockholm. Sie verwendet den Eiffelturm als Beispiel dafür, wie die Materialwissenschaft zu einer nachhaltigeren Welt führen kann.
"Wenn wir die modernen hochfesten Stähle verwenden würden, die wir heute haben, könnten wir vier Eiffeltürme mit der gleichen Menge an Material bauen, die ursprünglich verwendet wurde", sagt sie. "Leichtere Konstruktionen zu bauen bedeutet, dass weniger Material transportiert und weniger Material produziert werden muss. Beide Faktoren führen zu weniger CO2 Emissionen. Stärkerer Stahl bedeutet auch, dass Flugzeuge, Autos usw. weniger wiegen, was wiederum weniger CO2 Emissionen bedeutet.
Radikale Umstrukturierung
Materialwissenschaftler suchen nach Materialien, die leichter sind und höheren Temperaturen und korrosiven Atmosphären standhalten können.
Doch anstatt nach der Entwicklung völlig neuer Materialien zu suchen, geht es heute in der Branche vor allem um die (oft radikale) Umstrukturierung bestehender Materialien mit Hilfe revolutionärer neuer Verfahren wie der additiven Fertigung, auch bekannt als 3D-Druck, und der computergestützten Modellierung.
"Die additive Fertigung wird völlig neue Möglichkeiten eröffnen, die gleichen Materialtypen zu verwenden, die wir heute haben, indem wir die Eigenschaften einbauen, die wir brauchen", sagt Borgenstam.
Additive manufacturing has opened up completely new ways of using the same types of materials that we have today, by building in certain properties and allowing products to be topologically optimized.
Einer der Gründe, warum der Schwerpunkt in der Materialwissenschaft jetzt auf neuen Verfahren und der Entwicklung bestehender Materialien liegt, ist, dass die Entwicklung völlig neuer Materialien viele Jahre dauern kann. Und während bestimmte knappe Materialien wie Kobalt, das in Schneidwerkzeugen und Elektroauto-Batterien verwendet wird, ersetzt werden sollen, konzentrieren sich die Materialwissenschaftler auch zunehmend auf das Recycling von Materialien.
Schwierig, mit Stahl zu konkurrieren
Borgenstam nennt Stahl als Beispiel für ein bestehendes Material, für das kein Ersatz gefunden werden muss: "Stahl ist vollständig recycelbar, billig und reichlich vorhanden, und wir können ihn mit einem großen Spektrum unterschiedlicher Eigenschaften herstellen", sagt sie. "Es ist schwierig, damit zu konkurrieren. Bei Stahl gibt es noch Raum für Verbesserungen. Wir sind noch weit davon entfernt, seine theoretische Stärke zu erreichen.
Eines der größten Probleme bei der Entwicklung neuer Werkstoffe ist vielleicht der Mangel an jungen Menschen mit den richtigen Kompetenzen für die entsprechende Forschung: "Es ist nicht so einfach, junge Menschen für die Werkstofftechnik zu gewinnen", sagt Borgenstam, "sie ist nicht so bekannt wie Physik und Chemie, und Aspekte wie die Stahlindustrie werden in den Medien manchmal negativ dargestellt."
Aber sie fügt hinzu, dass dies ein Bereich ist, in dem junge Wissenschaftler und Ingenieure einen großen Einfluss auf die Welt um sie herum haben können: "Ich würde jungen Menschen raten, dass ein Studium der Materialwissenschaften ein Weg ist, die Welt zu retten, weil man wirklich einen Einfluss auf die Nachhaltigkeit und die Rettung der Umwelt haben kann. Es gibt so viele positive Auswirkungen durch die Verwendung besserer Materialien, und das müssen wir ihnen zeigen.
