Die eigentliche Bewährungsprobe für einen neuen Werkstoff beginnt nicht mit seiner Entdeckung, sondern mit der Produktion. Zwischen einem erfolgreichen Experiment und einer wettbewerbsfähigen Fabrik liegt ein Tal, an dem viele Innovationen scheitern. Für Deutschland wird die Fähigkeit, dieses sogenannte „Valley of Death“ zu überwinden, zu einer industriepolitischen Schlüsselfrage.
Es ist einer der schönsten Momente der Wissenschaft: Im Labor gelingt ein Experiment, das zuvor niemand für möglich gehalten hat. Ein neuer Werkstoff besitzt außergewöhnliche Eigenschaften. Er ist leichter, hitzebeständiger, leitfähiger, stabiler oder nachhaltiger als das bisher Bekannte. Vielleicht lässt sich mit ihm eine Batterie verbessern, eine Turbine effizienter machen oder ein Kunststoff ersetzen. Auf dem Papier beginnt damit eine Erfolgsgeschichte, aber in der Fabrik beginnt sie erst in Wirklichkeit.
Denn zwischen einigen Gramm eines neuen Materials im Forschungslabor und mehreren tausend Tonnen industrieller Produktion liegen Welten. Im Labor können Temperatur, Druck, Reinheit und Reaktionszeit präzise kontrolliert werden. Ein Wissenschaftler kann einen Versuch abbrechen, wenn etwas nicht funktioniert, und ihn am nächsten Tag mit veränderten Parametern wiederholen. Eine industrielle Anlage kann das nicht. Sie muss zuverlässig, sicher und möglichst rund um die Uhr produzieren – zu Kosten, die der Markt akzeptiert.
Dieser Übergang gilt in der Innovationsforschung als eines der größten Probleme überhaupt. Häufig wird dafür das Bild des „Valley of Death“, des „Tals des Todes“, verwendet: Auf der einen Seite steht die erfolgreiche Forschung, auf der anderen die kommerzielle Produktion. Dazwischen liegt eine Phase, in der technische, finanzielle, regulatorische und organisatorische Risiken zusammentreffen. Gerade bei neuen Werkstoffen ist dieses Tal besonders tief. Denn ein Material ist noch kein Produkt. Und ein Produkt ist noch keine Industrie.
Was im Reagenzglas funktioniert, muss nicht in der Fabrik funktionieren
Das erste Problem heißt Skalierung. Sie ist keineswegs eine simple Vergrößerung des Laborprozesses. Wenn aus einem Liter Reaktionsvolumen plötzlich tausend oder zehntausend Liter werden, verändern sich Wärme- und Stofftransport, Durchmischung und Temperaturverteilung. Chemische Reaktionen, die im kleinen Maßstab problemlos beherrschbar sind, können in einem großen Reaktor plötzlich ganz anders verlaufen. Exotherme Reaktionen müssen beispielsweise wesentlich schneller abgeführt werden, damit der Prozess nicht außer Kontrolle gerät.
Auch die Maschinen verändern die Bedingungen
Das maßgeschneiderte Laborgerät muss durch industrielle Standardtechnik ersetzt werden – durch Extruder, kontinuierliche Reaktoren, Beschichtungsanlagen oder andere Produktionssysteme. Nicht selten zwingt allein dieser Wechsel dazu, Rezepturen oder Prozessparameter neu zu entwickeln. Das ist eine der großen Paradoxien der Materialforschung: Das Material kann wissenschaftlich bereits funktionieren und technologisch dennoch unfertig sein. Die Industrie muss nicht nur wissen, was ein Material kann. Sie muss wissen, wie es zuverlässig hergestellt werden kann.
Innovation und dann kommt die Ökonomie ins Spiel
Ein Material kann im Labor billig erscheinen und in der Großproduktion plötzlich viel zu teuer werden. Hochreine Laborsubstanzen sind in kleinen Mengen verfügbar, aber für industrielle Prozesse müssen Rohstoffe in großen Mengen, gleichbleibender Qualität und zu kalkulierbaren Preisen beschafft werden. Schon geringe Schwankungen können die Eigenschaften des Endprodukts verändern. Hinzu kommen die Kosten der Anlagen selbst. Zwischen einem erfolgreichen Laborversuch und einer kommerziellen Produktion stehen häufig Technikumsanlagen, Pilotanlagen und schließlich eine industrielle Fertigungsstätte. Jede dieser Stufen benötigt Kapital.
Für ein etabliertes Unternehmen kann das eine große, aber beherrschbare Investition sein. Für ein junges Deep-Tech-Unternehmen kann es existenzbedrohend werden. Denn ein Material-Startup benötigt häufig schon lange vor dem ersten nennenswerten Umsatz Millionenbeträge – und zwar nicht für Softwareentwickler oder Marketing, sondern für Reaktoren, Öfen, Maschinen, Werkzeuge, Prüfstände und Produktionsanlagen. Das erklärt, warum gerade bei Materialinnovationen die klassische Start-up-Logik nur eingeschränkt funktioniert.
Wer eine App entwickelt, kann mit vergleichsweise wenig Kapital einen Prototypen auf den Markt bringen. Wer einen neuen Hochleistungswerkstoff entwickelt, braucht möglicherweise eine Pilotanlage, bevor überhaupt feststeht, ob sich das Material wirtschaftlich herstellen lässt.
Die unsichtbare Macht der Qualität
Eine weitere Hürde ist weniger spektakulär, aber für die Industrie entscheidend: die Reproduzierbarkeit. Im Labor kann eine kleine Abweichung zwischen zwei Versuchen wissenschaftlich interessant sein. In der industriellen Produktion ist sie ein Problem. Ein Werkstoff muss seine Eigenschaften nicht nur einmal zeigen. Er muss sie über Tausende oder Millionen Produktionszyklen hinweg zuverlässig besitzen. Rohstoffe, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Prozessbedingungen dürfen nicht dazu führen, dass eine Charge anders ausfällt als die nächste.
Deshalb gewinnen Inline-Sensorik und Prozessanalytik an Bedeutung. Die Produktion muss zunehmend in Echtzeit überwacht werden. Fehler sollen nicht erst entdeckt werden, wenn ein fertiges Bauteil die Fabrik verlassen hat. Für neue Werkstoffe bedeutet dies eine weitere Verschiebung: Materialwissenschaft und Produktionstechnik wachsen zusammen.
Der Chemiker entwickelt das Material. Der Verfahrenstechniker entwickelt den Prozess. Der Maschinenbauer baut die Anlage. Datenwissenschaftler überwachen und optimieren die Produktion. Qualitätsingenieure sorgen dafür, dass am Ende jede Charge den Anforderungen entspricht. Die Materialrevolution ist deshalb immer auch eine Revolution der Fertigung.
Und dann kommt der Staat
Neue Materialien müssen zudem regulatorische Anforderungen erfüllen. Was im Labor unter einem Abzug und mit wenigen Gramm einer Substanz funktioniert, kann im industriellen Maßstab ganz andere Anforderungen an Arbeits- und Umweltschutz stellen.
In Europa spielt dabei insbesondere die REACH-Verordnung eine zentrale Rolle. Neue oder bislang wenig erforschte Stoffe müssen hinsichtlich ihrer Eigenschaften und Risiken bewertet werden. Für Nanomaterialien können zusätzliche Anforderungen entstehen. Industrielle Anlagen benötigen zudem geeignete Sicherheitskonzepte, geschlossene Systeme und gegebenenfalls Explosionsschutz. Das ist grundsätzlich kein Widerspruch zur Innovation. Im Gegenteil: Eine Technologie, die langfristig industrielle Bedeutung erlangen soll, muss sicher und ökologisch vertretbar sein.
Das Problem liegt vielmehr im zeitlichen Verhältnis
Wenn ein junges Unternehmen für die Entwicklung einer Pilotanlage Jahre benötigt, während seine internationalen Wettbewerber bereits produzieren, kann aus einer notwendigen Prüfung ein Wettbewerbsnachteil werden. Deutschland steht damit vor einem schwierigen Balanceakt: Wie lassen sich hohe Umwelt-, Sicherheits- und Qualitätsstandards bewahren, ohne die Einführung neuer Technologien unnötig zu verlangsamen?
Das fehlende Mittelstück
Besonders problematisch ist die Lücke zwischen Labor und industrieller Großanlage. Ein Start-up kann einen neuen Werkstoff im Labor herstellen. Es kann vielleicht auch einen Kunden für die Technologie gewinnen. Aber irgendwo dazwischen muss der Prozess unter realistischen Bedingungen getestet werden – in Kilogramm-, Tonnen- oder Vorserienmaßstäben. Genau hier fehlen vielerorts geeignete Infrastrukturen.
Studien zum Technologietransfer betonen deshalb die Bedeutung von offenen Pilot- und Testanlagen, die von mehreren Unternehmen genutzt werden können. Sie ermöglichen es jungen Unternehmen, ihre Technologie zu skalieren, ohne sofort Millionen in eine eigene Fabrik investieren zu müssen. Das könnte für Deutschland ein entscheidender Hebel sein.
Denn eine Pilotanlage ist mehr als eine kleinere Fabrik. Sie ist ein Lernort. Hier zeigt sich, ob ein Verfahren stabil läuft, wie hoch der Energieverbrauch tatsächlich ist, wie viel Ausschuss entsteht und welche Nebenprodukte anfallen. Erst wenn diese Fragen beantwortet sind, lässt sich seriös entscheiden, ob sich der nächste Investitionsschritt lohnt.
Das neue Testfeld heißt digitaler Zwilling
Auch die Digitalisierung verändert diesen Übergang: Digitale Zwillinge können Produktionsprozesse simulieren, bevor eine reale Anlage gebaut oder verändert wird. Strömungen, Temperaturverteilungen und chemische Prozesse lassen sich modellieren. Damit können Fehler früher erkannt und teure Versuche im laufenden Betrieb reduziert werden.
Künstliche Intelligenz könnte diese Entwicklung weiter beschleunigen. Allerdings gilt auch hier: Ein Algorithmus ist nur so gut wie die Daten, mit denen er arbeitet. Für den Scale-up-Prozess bedeutet das, dass bereits im Labor Daten systematisch erfasst werden müssen. Nicht nur das Ergebnis eines Experiments ist interessant, sondern auch die Bedingungen, unter denen es entstanden ist: Welche Temperatur herrschte? Welche Rohstoffqualität wurde verwendet? Wie lange dauerte die Reaktion? Welche Abweichungen traten auf? Je vollständiger diese Daten sind, desto besser können spätere industrielle Prozesse modelliert werden. Die Datenqualität wird damit selbst zu einem Produktionsfaktor.
Das deutsche Problem ist nicht die Forschung
Deutschland hat bei diesem Thema einen bemerkenswerten Widerspruch. Auf der einen Seite stehen Universitäten, Forschungsorganisationen und Unternehmen mit international hoher wissenschaftlicher und technologischer Kompetenz. Auf der anderen Seite gelingt es nicht immer, daraus schnell genug industrielle Produktion entstehen zu lassen. Gerade im Deep-Tech-Bereich wird deshalb über eine Finanzierungslücke gesprochen. Material-Start-ups benötigen viel Kapital und haben gleichzeitig lange Entwicklungszyklen.
Für klassische Banken sind solche Projekte häufig zu riskant; für viele Venture-Capital-Investoren sind die benötigten Summen und langen Zeiträume ebenfalls eine Herausforderung. Hinzu kommen Genehmigungsverfahren und die hohe Komplexität beim Bau neuer Anlagen. Und schließlich gibt es einen kulturellen Faktor: Scheitern wird in Deutschland vielfach noch stärker als persönliches Versagen wahrgenommen als in den USA.
Kulturwandel im Umgang mit Risiko
Das kann gerade bei Deep Tech problematisch sein, denn Forschung und industrielle Entwicklung funktionieren nicht ohne Umwege. Ein Pilotprozess kann scheitern. Eine Materialrezeptur kann sich als ungeeignet erweisen. Eine Anlage kann hinter den Erwartungen zurückbleiben. Die entscheidende Frage ist dann nicht, ob ein Versuch gescheitert ist. Sondern ob die gewonnenen Erkenntnisse die nächste Entwicklung besser machen.
Amerika setzt auf Kapital, China auf Geschwindigkeit
Der internationale Vergleich macht die Herausforderung sichtbar: In den Vereinigten Staaten steht ein großes privates Venture-Capital-Ökosystem zur Verfügung, das auch hohe Risiken und kapitalintensive Technologieprojekte finanzieren kann. Das ermöglicht es Unternehmen, erfolgreiche Technologien mit hoher Geschwindigkeit zu skalieren. Gleichzeitig ist das System stark marktorientiert.
China verfolgt einen anderen Ansatz. Staat, Banken, Großunternehmen und industrielle Infrastruktur sind stärker miteinander verzahnt. Strategisch wichtige Technologien können dadurch mit erheblichen finanziellen Mitteln und hoher Geschwindigkeit in Pilotanlagen und Produktionsstandorte überführt werden.
Deutschland und Europa versuchen dagegen, einen dritten Weg zu gehen: hohe Umwelt- und Sicherheitsstandards, starke Grundlagenforschung und industrielle Qualität sollen mit technologischer Souveränität verbunden werden. Gerade im Übergang zwischen Forschung und industrieller Produktion entsteht jedoch eine Lücke.
Eine Analyse, auf die auch Forschung & Lehre verweist, beschreibt diese Problematik im internationalen Vergleich der Innovationsfähigkeit. Es geht deshalb nicht um die Frage, ob Deutschland seine Standards senken sollte. Es geht um eine andere Frage: Kann Deutschland seine hohen Standards mit höherer Geschwindigkeit verbinden?
Ein neues Bündnis zwischen Start-up und Mittelstand
Eine Antwort könnte ausgerechnet dort liegen, wo Deutschland traditionell stark ist: im Mittelstand: Viele Material-Start-ups verfügen über eine Technologie, aber nicht über Produktionsanlagen, Vertriebskanäle und industrielle Erfahrung. Etablierte Unternehmen besitzen genau diese Fähigkeiten, entwickeln aber neue Technologien häufig lieber schrittweise aus dem bestehenden Geschäft heraus. Die Verbindung beider Welten könnte deshalb entscheidend sein.
Ein Start-up bringt die radikale Idee. Der Mittelständler kennt den Markt und die Produktion. Ein Forschungsinstitut stellt die wissenschaftliche Infrastruktur bereit. Ein Anlagenbauer entwickelt die notwendige Produktionstechnik. Ein strategischer Investor finanziert den nächsten Entwicklungsschritt. So entsteht ein Ökosystem, in dem das Risiko verteilt wird. Gerade Kooperationen zwischen jungen Technologieunternehmen, Forschungseinrichtungen und etablierten Industrieunternehmen gelten deshalb als wichtiger Erfolgsfaktor für den Übergang in die Produktion.
Vom „Valley of Death“ zur Wertschöpfung
Die Überwindung des „Valley of Death“ ist daher kein einzelner technischer Schritt. Untersuchungen beschreiben vielmehr mehrere Prozesse, die gleichzeitig bewältigt werden müssen: technische Validierung, Nachfrage am Markt, ein tragfähiges Geschäftsmodell, Anschlussfinanzierung und der Aufbau von Teams, die wissenschaftliche und wirtschaftliche Kompetenz verbinden. Das ist vielleicht die wichtigste Erkenntnis für die deutsche Materialindustrie.
Eine brillante Erfindung genügt nicht
Ein hervorragender Wissenschaftler genügt nicht. Auch ein zahlungskräftiger Investor genügt nicht. Erst wenn Forschung, Kapital, Produktion, Regulierung und Markt zusammenfinden, wird aus einem neuen Material eine industrielle Technologie. Deshalb geht es bei der Materialrevolution letztlich nicht nur um die Frage, welche Werkstoffe wir morgen besitzen werden. Es geht auch darum, ob wir in der Lage sind, sie selbst in großen Mengen herzustellen. Wer diese Fähigkeit besitzt, kontrolliert einen entscheidenden Teil der industriellen Wertschöpfung.
Das gilt für neue Batteriematerialien ebenso wie für keramische Verbundwerkstoffe, für neue Polymere, Graphen, MOFs oder biobasierte Materialien, die wir in der Artikelserie beleuchtet haben. Die eigentliche Bewährungsprobe findet deshalb nicht im Labor statt. Sie beginnt an dem Tag, an dem jemand den Schalter der ersten industriellen Anlage umlegt. Dann muss aus Gramm Tonnen werden.
Aus einer Idee ein Prozess
Aus einem Prozess ein Produkt. Und aus einem Produkt ein Geschäft. Genau dort entscheidet sich, ob die Materialrevolution tatsächlich stattfindet – oder im „Valley of Death“ stecken bleibt.