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Ganz schön intelligent: Smart Materials

Selbstheilend, kommunizierend – und bald noch mehr?

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Materialien werden immer schlauer – und sie werden die Grenzen der Technik neu definieren. Gleichzeitig verändern sie schon heute die Industrie, und nicht zuletzt die Materialwissenschaft selbst. Professor Jochen Schneider lehrt und forscht am Lehrstuhl für Werkstoffchemie der RWTH Aachen, einer der renommiertesten Technischen Universitäten Deutschlands. Für Oerlikon wagt er einen Blick in die Zukunft.

Professor Schneider, Sie beschäftigen sich mit smart materials, also „schlauen Materialien“. Was versteht man darunter?

Schlaue oder „intelligente“ Materialien sind ein sehr breites Feld und eng verknüpft mit den ganz großen Fragestellungen unserer Zeit – Umwelt, Energie, Mobilität und Gesundheit. Generell versteht man darunter Materialien, die auf veränderte Bedingungen reagieren, ohne dass der Mensch eingreifen muss. Ich selbst beschäftige mich mit den sogenannten self-reporting materials – Materialien, die kommunizieren.

Kommunizierende Materialien – was kann man sich darunter vorstellen?

Da gibt es ein gutes Beispiel: Wenn Sie zum Arzt gehen, misst dieser verschiedene Vitalfunktionen Ihres Körpers – Herzschlag, Blutdruck, und so weiter. Anhand dieser Messungen erkennt er, wie es Ihrem Körper geht. Ähnlich funktionieren die self-reporting materials. In Zukunft können Werkstoffe und sogar ganze Maschinen „berichten“, wie es ihnen geht.

Die Grundlage unserer Forschung sind die sogenannten selbstheilenden Materialien. Eines der Grundprobleme von technischen Konstruktionen ist die Materialermüdung. Nehmen wir beispielsweise eine Flugzeugturbine: Die Komponenten der Turbine werden durch Sand und andere Partikel in der Luft stark in Mitleidenschaft gezogen, und mit der Zeit entstehen Risse in der Oberfläche. Wird nun in die Oberflächenbeschichtung ein sogenannter healing agent eingebracht, reagiert dieser, sobald sich ein Riss öffnet und der healing agent auf Sauerstoff trifft. Durch diese chemische Reaktion wird der Riss selbständig geschlossen und damit geheilt.

Sofern dieser „Heilungsprozess“ eine Eigenschaftsänderung bewirkt, die sich messen lässt, ist es dann nur noch ein relativ kleiner Schritt hin zu kommunizierenden Materialien.

Wie kommunizieren diese Materialien denn?

Hier gelang uns ein erster Durchbruch 2003, als wir ein Material synthetisieren konnten, das durch chemische Modifikation magnetisch wird. Die Magnetisierung, das heisst die Stärke des magnetischen Signals, liefert es uns dann sozusagen einen Bericht zu seinen Vitalfunktionen: Je weiter der „Heilungsprozess“ fortgeschritten ist, umso weniger magnetisch ist es (vorausgesetzt, die Heilungsprodukte tragen nicht zum magnetischen Signal bei). Das Prinzip ist ähnlich wie bei einem altmodischen Kassettenrekorder, der Informationen auf den magnetischen Kassettenbändern in Musik umgewandelte.

Was bedeutet das für die Industrie?

Selbstheilende und kommunizierende Materialien stellen für die Maschinenkonstruktion einen Paradigmenwechsel dar. Wenn sich Werkstoffe selbst heilen und Materialien und ganze Maschinen über ihren Zustand berichten, können die Konstrukteure härter „ans Limit“ gehen. Reserven, die heute nötig sind, müssen kaum oder überhaupt nicht mehr einberechnet werden. Konkret heisst das, dass Komponenten und Maschinen leichter werden, entsprechend muss beispielsweise bei einem Auto oder einem Flugzeug weniger Masse bewegt werden, und das führt zu deutlichen Einsparungen, etwa bei Treibstoffen.

Ich denke aber auch an andere Möglichkeiten, wenn Maschinen oder Geräte aktiv kommunizieren können. Ein Bohrer, zum Beispiel, könnte Bescheid geben, bevor seine Standzeit abläuft – idealerweise direkt beim Beschichtungsunternehmen, und nicht nur beim Anwender. Oder eine Windkraftanlage meldet dem Ingenieur auf sein Mobiltelefon, dass sie gewartet werden muss; der Mechaniker muss also erst dann in Aktion treten, wenn es wirklich nötig ist – bei seinem relativ exponierten Arbeitsort liegt der Vorteil auf der Hand. Damit werden Materialien Teil der „Industrie 4.0.“

Kommunizierende Materialien bedeuten also auch, dass die heute üblichen periodischen Wartungsintervalle entfallen können – der Mensch muss erst dann eingreifen, wenn es wirklich nötig ist.

Und wie sieht die Zukunft der Materialwissenschaften aus – sagen wir im Jahr 2040?

Natürlich kann ich nicht in die Zukunft blicken – aber es gibt da ein Thema, das unglaublich spannend ist, allerdings auch sehr wenig vorhersagbar. Und es wird uns alle beschäftigen: die breite Thematik der Werkstoffe in Verbindung mit Gesundheit und Medizin.

Vor kurzem habe ich einer Prüfung beigewohnt, in der der Doktorand einige These zum Herstellen von menschlichen Organen mittels 3D-Druck aufgestellt hat. Spinnt man diese Idee weiter, gelangen wir bald zu einem Punkt, wo sich der Mensch seine „Ersatzteile“ selbst druckt – eine Niere hier, ein Auge dort – und so eventuell 150 Jahre alt werden kann, oder sogar mehr. Von hier zum Cyborg ist es dann nicht mehr weit.

Natürlich ist das noch weit in der Zukunft. Doch bereits jetzt arbeiten Materialwissenschaftler an Oberflächenlösungen für Implantate, die im menschlichen Gehirn eingebaut werden können. Dort messen sie Hirnströme, mit denen ein Roboter gesteuert werden kann – oder mit Hilfe derer ein Tetraplegiker, der weder Arme noch Beine bewegen kann, seinen Rollstuhl bedienen könnte. Wie „Cyber Engineering“ die menschliche Entwicklung verändern wird ist nicht vorhersehbar.

Wie gesagt, das sind zwei Zukunftsszenarien, die wir alle wohl nicht mehr erleben werden. Aber es sind Fragen, mit denen sich die Materialwissenschaft bereits heute auseinander setzen muss – auch in ihrer moralischen Implikation.

Professor Schneider, wir danken für das Gespräch!

Berkeley National Laboratory Linköping University RWTH Aachen University Sofja Kovalevskaya Humboldt-Foundation American Vacuum Society Max Planck Institute

Prof. Jochen M. Schneider, Jahrgang 1969, studierte Ingenieurswissenschaften in Deutschland, England und den USA und wurde 1998 promoviert. Bis 2002 war er unter anderem Gastwissenschaftler am Lawrence Berkeley National Laboratory in Berkeley, Kalifornien (USA) und Assistenzprofessor und Dozent an der Linköping Universität in Schweden. Seit 2002 ist er Professor am Lehrstuhl für Werkstoffchemie der RWTH Aachen. Sein Forschungsschwerpunkt ist das quantenmechanisch geführte Werkstoffdesign. Er wurde 2001 vom Präsidenten der Alexander von Humboldt-Stiftung mit dem Sofja Kovalevskaja-Preis in Würdigung herausragender Leistungen in der Forschung ausgezeichnet. 2013 wurde Schneider zum Fellow der American Vacuum Society (AVS) ernannt, seit 2015 ist er Max Planck Fellow des Düsseldorfer Max-Planck-Instituts für Eisenforschung, wo er eine Arbeitsgruppe zum Thema Self-reporting Materials leitet. Prof. Schneider ist auch Standortsprecher des Sonderforschungsbereich / Transregio 87: „Gepulste Hochleistungsplasmen zur Synthese Nanostrukturierter Funktionsschichten“.

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