Stoffe bekommen ein Eigenleben

Aktiv und schlau statt passiv und dumm: Intelligente Werkstoffe sind die Basis für fast alle künftigen Innovationen. Sie machen unser Leben einfacher, sicherer und schonen die Umwelt.

Mehr als 750 Millionen Jahre haben sich Organismen an die Bedingungen auf der Erde angepasst. Im Lauf der Evolution haben sie gelernt zu fühlen, auf Umweltreize zu reagieren, sich selbst zu heilen und zu erinnern. Nun machen sich Forscher daran, ein neues Kapitel aufzuschlagen: Sie wollen auch künstlichen Materialien lebensähnliche Eigenschaften verleihen. Sie ahmen die bewährten Stärken lebender Organismen nach, verbessern sie zum Teil sogar. Was damit im übertragenen Sinn ansteht, ist die Evolution der toten Materie.

Doch totes Material lebensecht zu machen ist gar nicht so einfach. Nach einem großen Hype um intelligente Materialien im vergangenen Jahrzehnt landeten etliche visionäre Konzepte auf dem harten Boden der Realität. Manch eine vollmundige Ankündigung endete mit Gespött – wie 2005, als ein künstlicher Muskel beim Armdrücken gegen ein 17-jähriges Mädchen antrat und verlor. Solche Rückschläge werfen zu Unrecht ein schlechtes Licht auf ein vielversprechendes Forschungsgebiet. Mittlerweile gibt es intelligente Materialien zu kaufen, die diesen Namen auch verdienen. Die elastische Weste für Motorradfahrer etwa, die sich bei einem Sturz blitzschnell versteift. Oder magnetische Flüssigkeiten, die auf Knopfdruck fest werden und Lautsprechermembranen dämpfen. Ebenso Sensoren, die in Chemieanlagen austretende Gase erschnüffeln und den Strom dafür aus der Abwärme der chemischen Prozesse ziehen (siehe Artikel S. 70)

Ein Paradebeispiel für schlaue Materialien sind dielektrische Polymere. Das sind Kunststoffe mit leitfähigen Schichten. Dehnt sich der Kunststoff, sendet er ein Signal – er wird zum Sensor. Umgekehrt kann man eine elektrische Spannung anlegen und den Kunststoff verlängern oder verkürzen – der Sensor wird zum Aktor und selbst aktiv. Das Material könnte den plötzlichen Kindstod verhindern, indem es die Atmung des Säuglings überwacht und bei Atemstillstand den Brustkorb kontrahiert (siehe Artikel S. 66).

Intelligente Materialien sind auf dem Weg aus der Nische zum Massenprodukt überall dort, wo ihre Fähigkeiten dringend benötigt werden. Entsprechend wächst ihre wirtschaftliche Bedeutung. 2010 betrug der weltweite Umsatz mit solchen Werkstoffen knapp 20 Milliarden Dollar. Die Marktforscher von BCC Research schätzen, dass sich dieser Umsatz bis 2016 verdoppeln wird. Der Löwenanteil entfällt auf Aktoren, die überwiegend teurere und schwerere Elektromotoren ersetzen und 2016 einen Marktanteil von zwei Dritteln erreichen werden.

Deutschland hat gute Chancen, ganz vorn mitzumischen. In der Materialwissenschaft und der angewandten Werkstofftechnik ist das Land international spitze. 70 Prozent des Bruttoinlandsprodukts und fünf Millionen Arbeitsplätze in Deutschland sind von Fortschritten bei Werkstoffen abhängig, so die offiziellen Zahlen des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Und gerade die intelligenten Materialien können helfen, deutsche Produkte vom Wettbewerb abzuheben.

Als Vorbild dienen vielen Experten die Lösungen, die Lebewesen im Lauf ihrer Evolution gefunden haben. Thomas Speck vom Freiburger Zentrum für interaktive Werkstoffe beispielsweise hat nach dem Vorbild von Lianen einen Schaum entwickelt, der Gummimembranen verschließt (siehe Artikel S. 72). Schlauchboote können sich damit selbst heilen.

Zudem lassen sich mit schlauen Materialien Bauteile stark verkleinern. Funktionen, die zuvor aufwendig aus Mechanik und Elektronik kombiniert wurden, können in den Werkstoff selbst wandern. Beispiel Stellmotor: Statt Magnet und Spule verwendet man in Zukunft Formgedächtnismetalle, die durch Erhitzen ihre Gestalt verändern (siehe Artikel S. 74). Von den rund 200 elektromechanischen Stellgliedern, die in einem Oberklasse-Auto Sitze anpassen und Tankdeckel verriegeln, lassen sich bis zu 90 Prozent durch Formgedächtnismetalle ersetzen. Das spart Kosten und Gewicht und schont damit die Umwelt.

Eine neuerliche Ernüchterung, die das Rennen um intelligente Materialien noch stoppen könnte, hält Frank Fischer für ausgeschlossen. „Solange es neue Ideen gibt, gibt es auch neue Werkstoffe“, so der Geschäftsführer der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde, „denn nur mit Werkstoffen lassen sich Ideen materialisieren.“

Die Fokus-Artikeln im Einzelnen:

Seite 64 - Trend: Smarte Materialien werden zum Massenprodukt
Seite 66 - Fühlen: Werkstoffe lernen, ihre Umwelt zu erfassen und gezielt darauf zu reagieren
Seite 70 - Antreiben: Energieautarke Sensoren können Gebäude und Maschinen kontinuierlich überwachen
Seite 72 - Heilen: Eingebaute Selbstreparaturtricks machen Asphalt, Beton und Lacke haltbarer
Seite 74 - Erinnern: Bauteile mit Formgedächtnis optimieren das Profil von technischen Geräten
Seite 77 - Verknüpfen: Mit maßgefertigten Polymernetzen lassen sich Moleküle und Viren einfangen (vsz)