Der Widerspenstigen Zähmung

Die US-Regierung will mit einer 100 Millionen Dollar teuren „Material Genome Initiative“ die Entwicklungszeit von neuen Hightech-Werkstoffen halbieren. Industrie und Universitäten sollen über eine zentrale Datenbank frühzeitig Knowhow und Daten austauschen.

Ob billigere Solarzellen, länger haltbare Batterien, Leichtbau oder individuelle medizinische Therapien: Viele Innovationen für die nahe Zukunft hängen von Materialien mit verbesserten Eigenschaften ab. Üblicherweise dauert es jedoch zehn bis zwanzig Jahre, bis neue Werkstoffe in marktreife Produkte münden, weil für sie oft auch ganz neue Verarbeitungsanlagen entworfen werden müssen. Zu lange, findet man im Weißen Haus: Die US-Regierung will mit der „Material Genome Initiative“ (MGI) die Entwicklungszeit neuer Materialien halbieren. 100 Millionen Dollar steckt sie in das Vorhaben, das Teil der Advanced Manufacturing Partnership ist.

Mit dem Geld sollen bessere Verfahren entwickelt werden, um die Eigenschaften bislang unbekannter Stoffe im Rechner zu simulieren. Sämtliche Daten und Computermodelle, die dabei entstehen, sollen für die Community der Materialwissenschaftler offen zugänglich sein, damit hoffentlich Universitäten und Industrieforschung schon in einem frühen Entwicklungsstadium zusammenarbeiten können.

Genau das passiere derzeit noch zu selten, sagt Cyrus Wadia, der in der forschungspolitischen Stabsstelle des Weißen Hauses das Thema Saubere Energien und Materialien betreut. Deshalb gerate die Forschung immer wieder in Sackgassen. Und um das Rad nicht ein zweites Mal zu erfinden, sollten Forscher von den Erkenntnissen ihrer Kollegen andernorts profitieren können, so Wadia.

Die Materialwissenschaftler haben bei der Computermodellierung in den vergangenen 20 Jahren bereits große Fortschritte gemacht. Indem sie Schmelzpunkt, Leitfähigkeit und chemische Reaktionswege variieren, können sie herausfinden, ob sich ein Stoff zum Beispiel als Elektrodenmaterial für Akkus eignet. Die Algorithmen seien zwar aufwändig, sagt Gerbrand Ceder, Materialwissenschaftler am MIT, aber wenn man den Code für eine Fragestellung einmal geschrieben habe, lasse er sich auf beliebige Stoffe anwenden. Bislang sei es aber kaum möglich, Code und Testdaten auszutauschen – deren Offenlegung beschränke sich im Großen und Ganzen auf Patentschriften oder wissenschaftliche Paper. Die Material Genome Initiatve will deshalb eine zentrale Datenbank für alle Daten und Codeschnipsel einrichten.

Die größte Herausforderung ist aber eine andere: Wie skaliert man die Verarbeitung von neuen Stoffen vom Labor- auf einen industriellen Maßstab hoch? „Wenn wir die Dinge genauso wie im Labor machen könnten, hätten wir kein Problem“ sagt Ceder. Leider ist die Realität komplizierter. Macht man die Anlagen größer, um statt Gramm nun Tonnen zu produzieren, kommt es hier und da unweigerlich zu geringfügigen Veränderungen in den Produktionparametern, die aber größere Auswirkungen haben können. „Wir verstehen leider nicht alles im Detail“, räumt Ceder ein.

Das Problem wird noch dadurch verschärft, dass heutige Werkstoffneuheiten ihre ungewöhnlichen Eigenschaften zunehmend einer Feinstrukturierung auf der molekularen oder atomaren Ebene verdanken. Ihre Herstellung kann sich von der Produktion alter Werkstoffe wie Stahl erheblich unterscheiden. „Wenn man Stahl herstellt, schmilzt man Metalle in einem riesigen Kessel auf“, sagt Alexander King, Direktor des Ames National Laboratory. „Bei ausgeklügelteren Materialien muss man den Herstellungsprozess viel genauer kontrollieren – Temperatur, Mischungsverhältnis und andere Bedingungen –, oder die Atome machen nicht das, was man von ihnen will.“ Das kostet dann Zeit und Geld.

Wie skaliert man nun einen Laborprozess richtig hoch? Angenommen, eine Firma hat im Labor einen vier Quadratzentimeter großen Prototyp einer neuen Solarzelle angefertigt, indem sie eine Tinte aus Nanopartikeln auf eine Trägerfolie aufgedruckt hat. Um diesen Ansatz im großen Stil einzusetzen, muss das Unternehmen einige Probleme lösen: Wie kann man große Mengen der Nanotinte herstellen? Welcher Anlagenbauer kann eine Druckstraße liefern, die Quadratmeter große Zellen fertigt? Wie wird sichergestellt, dass die Nanopartikel, wenn sie auf große Flächen aufgetragen werden, sich genauso verhalten wie auf dem Quadratzentimeter-Prototyp? Vielleicht verklumpen sie, und die Zellen funktionieren am Ende nicht richtig, obwohl sie dem Anschein nach korrekt aus der Druckstraße herauskommen. Derartige Skalierungs- und Fertigungsprobleme zu simulieren und daraus Lösungen zu entwickeln, ist ein weiteres wichtiges Ziel der Materials Genome Initiative.

Ob sie erfolgreich ist, wird vor allem davon abhängen, ob Industrieunternehmen bereit sind, ihr Knowhow und ihre zum Teil reichhaltigen Daten zu teilen. Cyrus Wadia hat in den letzten Jahren mit vielen Unternehmen gesprochen und glaubt, dass sie mit den Universitäten an einem Strang ziehen werden. „Am Anfang werden es noch kleinere Communities sein, aber um die Initiative zum Laufen zu bringen, brauchen wir eine kritische Masse“, sagt Wadia.

„Die entscheidende Rolle der Industrie sehen wir darin, ihre Perspektive darauf zu vermitteln, wie Materialien eingesetzt, entworfen und evaluiert werden“, sagt Christine Furstoss, Technischer Direktor für Fertigung und Werkstofftechnik bei GE Global Research. „Wir nutzen ja bereits eine Menge Werkstoffe quer durch viele verschiedene Industriesektoren.“

Die 100 Millionen Dollar der Anschubfinanzierung werden auf vier Behörden aufgeteilt:
das National Institute of Standards and Technology NIST, das Energieministerium, die National Science Foundation NSF, and das Verteidigungsministerium. Das meiste Geld fließe in den Aufbau der Rechner-Infrastruktur für die Modellierung, sagt Wadia. Wie die konkret aussehen wird, entscheide sich in den kommenden zwölf Monaten. (nbo)