Künstliche Intelligenz, Energiewende und Digitalisierung gelten als die großen Treiber des technologischen Umbruchs. Doch hinter vielen dieser Entwicklungen steht eine grundlegendere Frage: Aus welchem Material wird die Zukunft gebaut?
Ein Tropfen Metall schwebt schwerelos im All. Auf der Internationalen Raumstation soll er sich unter Bedingungen verhalten, die auf der Erde kaum herzustellen sind. Ein Forschungsteam der Universität des Saarlandes will beobachten, wie sich seine Struktur verändert, wie er erstarrt und welche Eigenschaften dabei entstehen. Es geht um metallisches Glas – eine Werkstoffklasse, deren innere Struktur sich grundlegend von jener gewöhnlicher Metalle unterscheidet. Die Experimente sind vom 31. August bis 4. September 2026 auf der ISS geplant. Die gewonnenen Daten sollen unter anderem helfen, Legierungen gezielter für den Metall-3D-Druck auszulegen. Metallische Gläser besitzen im Gegensatz zu klassischen Metallen keine geordnete Kristallstruktur. In Zukunft sollen diese metallischen Gläser für komplexe, hochbelastete 3D-Druckbauteile in Raumfahrt, Medizintechnik und Maschinenbau genutzt werden.
Zur gleichen Zeit suchen Computerprogramme nach Materialien, die noch niemand hergestellt hat. Künstliche Intelligenz durchforstet Millionen möglicher Kombinationen von Atomen, simuliert Eigenschaften und schlägt neue Verbindungen vor. In Aachen arbeitet ein junges Unternehmen an Graphen-Verbindungen für die nächste Generation der Halbleitertechnik. In Osnabrück entstehen Aerogele aus nachhaltigen Rohstoffen – extrem leichte Materialien mit außergewöhnlichen Dämmeigenschaften. Anderswo versuchen Forscher, Kunststoffe aus Agrarresten herzustellen, Carbonfasern wiederzuverwenden oder Materialien zu entwickeln, die sich an ihre Umgebung anpassen. Was diese Entwicklungen verbindet, ist mehr als die Suche nach dem nächsten technischen Durchbruch: Es ist eine Veränderung des Blicks auf die Materie selbst.
Die großen Technologien der kommenden Jahrzehnte werden nicht allein durch bessere Software, leistungsfähigere Rechner oder neue Maschinen entschieden. Sie werden auch davon abhängen, ob es gelingt, Materialien zu entwickeln, die höheren Temperaturen standhalten, weniger wiegen, länger halten, Energie effizienter speichern, sich besser recyceln lassen oder Eigenschaften besitzen, die bisher schlicht nicht verfügbar waren. Die nächste industrielle Revolution könnte deshalb an einem Ort beginnen, der in den großen Zukunftsdebatten erstaunlich oft übersehen wird: beim Material.
Jede technologische Epoche hatte ihre Werkstoffe
Der Gedanke ist älter, als es zunächst scheint. Ganze Epochen der Menschheitsgeschichte tragen die Namen der Materialien, die sie prägten: Steinzeit, Bronzezeit, Eisenzeit. Nicht zufällig. Wer lernte, einen neuen Werkstoff zu beherrschen, veränderte damit häufig nicht nur einzelne Produkte, sondern Produktionsweisen, Handelswege, militärische Macht und gesellschaftliche Strukturen. Bronze ermöglichte andere Werkzeuge und Waffen als Stein. Eisen veränderte Landwirtschaft und Kriegführung. Stahl wurde zum Material der Industrialisierung – für Eisenbahnen, Brücken, Maschinen und Städte. Das Silizium wiederum schuf die Grundlage für die Mikroelektronik und damit für die digitale Welt.
Heute ist die Lage komplexer
Es gibt nicht mehr den einen Werkstoff, der einer Epoche ihren Namen geben könnte. Gerade darin liegt jedoch möglicherweise die eigentliche Revolution. Wir treten in eine Zeit ein, in der Materialien immer gezielter für bestimmte Funktionen entwickelt werden. Nicht mehr allein: Welcher Stoff eignet sich für diese Anwendung?* Sondern zunehmend: Welche Eigenschaften muss ein Material besitzen – und wie können wir seine Struktur so gestalten, dass es sie erhält?
Der Physik-Nobelpreisträger Konstantin Novoselov, der gemeinsam mit André Geim für grundlegende Experimente mit dem zweidimensionalen Material Graphen ausgezeichnet wurde, gehört zu den Wissenschaftlern, die diese Entwicklung verkörpern. Graphen ist eine zweidimensionale Modifikation des Kohlenstoffs. Es besteht aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen, die wie ein Bienenwabenmuster angeordnet sind. Die Forschung an 2D-Materialien hat gezeigt, dass sich durch die Reduzierung von Materialien auf atomar dünne Schichten völlig neue physikalische Eigenschaften und Funktionen erschließen lassen. Zugleich eröffnet die Kombination unterschiedlicher atomarer Schichten sogenannte Van-der-Waals-Heterostrukturen mit Funktionen, die mit herkömmlichen Materialsystemen nicht erreichbar sind. Die Zukunft der Werkstoffentwicklung liegt damit zunehmend nicht nur in der Entdeckung vorhandener Stoffe, sondern im gezielten Entwurf von Materie.
Die digitale Revolution braucht eine materielle Grundlage
Es gehört zu den großen Missverständnissen der Gegenwart, Digitalisierung und Materialforschung als getrennte Welten zu betrachten. Künstliche Intelligenz scheint immateriell. Cloud-Computing ebenso. Daten bewegen sich durch Glasfaserkabel und Rechenzentren, Algorithmen existieren als mathematische Strukturen. Doch hinter jeder digitalen Anwendung stehen hochkomplexe physische Systeme: Halbleiter, Leiterbahnen, Sensoren, Speicher, Batterien, Kühlungen und optische Verbindungen.
Je leistungsfähiger die digitale Welt wird, desto höher werden häufig auch die Anforderungen an ihre Materialien. Das gilt besonders für künstliche Intelligenz. Moderne KI-Systeme benötigen enorme Rechenkapazitäten. Die Daten müssen zwischen Chips, Speichern und Recheneinheiten immer schneller übertragen werden. Dabei entstehen Wärme, Energieverluste und technische Engpässe. Fortschritte in der Informatik stoßen deshalb zunehmend auf physikalische Grenzen. Und genau hier sind wir bei der Materialfrage.
Graphen gilt seit seiner Entdeckung als Symbol für diese neue Welt der Werkstoffe. Der Gründer des Weltwirtschaftsforums, Klaus Schwab, prägte den Begriff der „Vierten Industriellen Revolution“. Er zählt fortschrittliche Materialien ausdrücklich zu den physischen Innovationen dieses technologischen Umbruchs. In seinem Buch beschreibt er neue Materialien als leichter, stabliler, anpassungsfähiger und zunehmend auch recycelbar; Graphen hebt er wegen seiner außergewöhnlichen mechanischen und elektrischen Eigenschaften besonders hervor.
Die Bedeutung solcher Materialien liegt nicht allein darin, dass sie bestehende Produkte ein wenig verbessern. Entscheidend ist eine weitergehende Frage: Welche Technologien werden erst möglich, wenn sich die Eigenschaften der verwendeten Materialien grundlegend verändern? Genau hier setzt die neue Generation der Materialforschung an.
Vom Finden zum Entwerfen
Lange Zeit verlief Werkstoffentwicklung nach einem vergleichsweise einfachen Muster. Wissenschaftler entwickelten eine Hypothese, stellten eine Probe her, testeten sie und veränderten anschließend Zusammensetzung oder Herstellungsverfahren. Dieser Prozess konnte Jahre dauern. Daran wird sich wahrscheinlich auch künftig nichts grundsätzlich ändern: Materialwissenschaft bleibt experimentelle Wissenschaft.
Doch die Geschwindigkeit verändert sich. Computer können heute simulieren, wie sich Atome in bestimmten Strukturen verhalten könnten. Datenbanken erfassen die Eigenschaften bereits bekannter Materialien. Maschinelles Lernen sucht nach Mustern, die einem menschlichen Forscher möglicherweise verborgen bleiben. Künstliche Intelligenz kann Millionen denkbarer chemischer Kombinationen vorsortieren und die Zahl der tatsächlich notwendigen Experimente erheblich verringern.
Die Entwicklung neuer Werkstoffe wird damit selbst digital
Das ist mehr als eine neue Forschungsmethode. Es verändert die industrielle Zeitrechnung. Denn zwischen einer wissenschaftlichen Idee und einem marktfähigen Material liegen traditionell viele Jahre: Entdeckung, Synthese, Analyse, Verbesserung, Skalierung, Verarbeitung, Zertifizierung. Wenn sich bereits die erste Phase erheblich beschleunigen lässt, kann dies Auswirkungen auf ganze Industrien haben. Das Rennen um neue Materialien wird deshalb zunehmend auch zu einem Rennen um Daten, Rechenleistung, künstliche Intelligenz und automatisierte Labore. Der Werkstoff der Zukunft könnte nicht mehr nur im Reagenzglas entdeckt werden. Er könnte zunächst als mathematisches Modell existieren.
Nachhaltigkeit wird zur Materialeigenschaft
Doch Fortschritt wird künftig nicht allein daran gemessen werden können, ob ein Material stärker, leichter oder hitzebeständiger ist. Die entscheidende Frage lautet zunehmend: Welche Folgen hat seine gesamte Existenz? Woher stammen die Rohstoffe? Wie viel Energie wird für die Herstellung benötigt? Wie lange hält das Produkt? Kann es repariert werden? Lässt es sich recyceln? Entstehen bei seiner Nutzung oder Entsorgung neue Risiken? Damit wird Nachhaltigkeit selbst zu einer zentralen Dimension der Materialentwicklung.
Ein besonders leichtes Material kann während seiner Nutzung enorme Mengen Energie sparen und zugleich bei seiner Herstellung sehr energieintensiv sein. Ein biobasiertes Material kann fossile Rohstoffe ersetzen, aber bei falscher Konstruktion schwer recycelbar sein. Ein extrem langlebiger Verbundwerkstoff kann über Jahrzehnte Ressourcen schonen – und am Ende seiner Lebensdauer vor der schwierigen Frage stehen, wie seine unterschiedlichen Bestandteile wieder voneinander getrennt werden können. Die Materialrevolution wird deshalb nicht erfolgreich sein, wenn sie lediglich neue Eigenschaften hervorbringt. Sie muss auch die Fehler früherer Materialzyklen korrigieren.
Die Kunststoffgeschichte ist dafür ein Lehrstück. Kaum ein Werkstoff hat das Leben im 20. Jahrhundert so umfassend verändert: leicht, formbar, billig, haltbar und in zahllosen Anwendungen einsetzbar. Gerade diese Erfolgsgeschichte hat jedoch ein globales Entsorgungs- und Umweltproblem geschaffen. Die nächste Generation von Materialien steht daher vor einer höheren Anforderung: Sie soll leistungsfähiger sein, ohne neue Abhängigkeiten und Altlasten in gleichem Umfang zu erzeugen.
Deutschland kann forschen – aber kann es auch Materialmärkte schaffen?
Für Deutschland und Europa hat diese Entwicklung eine besondere strategische Bedeutung. Die Bundesrepublik verfügt über eine außergewöhnlich breite Forschungslandschaft in Chemie, Physik, Ingenieurwesen und Materialwissenschaft. Fraunhofer-Institute, Max-Planck-Institute, Universitäten und industrielle Forschungszentren arbeiten an Batteriematerialien, Photovoltaik, Wasserstofftechnologien, Hochleistungskeramiken, Biowerkstoffen, Halbleitern und Kreislaufmaterialien.
Doch Forschung allein entscheidet noch nicht über wirtschaftlichen Erfolg
Zwischen einer spektakulären Materialeigenschaft und einem industriellen Produkt liegt ein weiter Weg. Ein neues Material muss reproduzierbar hergestellt werden. Es muss bezahlbar sein. Maschinen müssen es verarbeiten können. Seine Eigenschaften müssen über Jahre hinweg zuverlässig bleiben. In vielen Bereichen sind umfangreiche Prüfungen und Zulassungen notwendig. Anschließend müssen Kunden überzeugt, Lieferketten aufgebaut und Produktionskapazitäten geschaffen werden. Aus einem wissenschaftlichen Durchbruch wird nicht automatisch industrielle Wertschöpfung.
Gerade diese Frage dürfte für Deutschland entscheidend werden: Schaffen wir es, die nächste Generation von Werkstoffen nicht nur zu erforschen, sondern auch zu entwickeln, zu produzieren und in industrielle Märkte zu überführen? Hier entscheidet sich, ob Materialforschung eine wissenschaftliche Erfolgsgeschichte bleibt – oder zum Fundament neuer industrieller Wertschöpfung wird. Für Unternehmen, die an neuen Hochleistungswerkstoffen arbeiten, und für jene, die den schwierigen Weg von der technologischen Idee zur industriellen Anwendung begleiten, ist das keine theoretische Frage. Es ist die eigentliche Herausforderung.
Die Zukunft hat keine einheitliche Farbe
Vielleicht wird deshalb niemand in hundert Jahren auf unsere Zeit zurückblicken und von der Graphenzeit, der Lithiumzeit oder der Ära der Biowerkstoffe sprechen. Zu unterschiedlich sind die Entwicklungen. Die neue Materialwelt besteht aus einer wachsenden Vielfalt: atomar dünne Schichten, keramische Verbundwerkstoffe, metallische Gläser, programmierbare Polymere, biobasierte Kunststoffe, intelligente Oberflächen, recycelte Carbonfasern, neuartige Halbleiter und Materialien, die erst durch künstliche Intelligenz gefunden werden.
Was sie verbindet, ist nicht ihre chemische Zusammensetzung –
Der Mensch nimmt Materialien zunehmend nicht mehr nur so, wie die Natur sie bereitstellt. Er lernt, ihre Strukturen auf immer kleineren Ebenen zu verstehen und gezielter zu verändern. Atomlagen werden kombiniert, Fasern in keramische Matrizen eingebettet, biologische Prozesse für die Herstellung chemischer Grundstoffe genutzt. Computermodelle berechnen Eigenschaften, bevor die erste Probe existiert. Das verändert nicht nur einzelne Produkte. Es verändert die Frage, was technisch überhaupt möglich ist.
– es ist eine neue Haltung zur Materie
Die große industrielle Transformation der kommenden Jahre wird zweifellos digital sein. Sie wird von künstlicher Intelligenz, Robotik und vernetzten Systemen geprägt werden. Sie wird zugleich biologisch sein, wenn Zellen, Enzyme und Mikroorganismen neue Produktionswege eröffnen.
Aber sie wird auch – und vielleicht grundsätzlicher, als es heute erscheint – materiell sein. Denn am Ende muss jede Technologie eine physische Form annehmen: Ein Computer braucht einen Chip. Eine Batterie braucht Elektroden und Elektrolyte. Ein Windrad braucht belastbare Verbundwerkstoffe. Eine Solaranlage braucht funktionierende Halbleiterschichten. Eine Turbine braucht Materialien, die Hitze und Belastung widerstehen. Und selbst die intelligenteste künstliche Intelligenz benötigt eine Infrastruktur aus Kabeln, Rechenzentren, Sensoren und Maschinen.
Die Zukunft wird berechnet, programmiert und vernetzt. Gebaut wird sie aus Material.
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Dies ist der Auftakt einer Serie über die Materialrevolution – über neue Werkstoffe, künstliche Intelligenz in der Materialforschung, nachhaltige Materialien, Hochleistungstechnologien und die Frage, ob Deutschland und Europa aus wissenschaftlichen Ideen auch neue industrielle Wertschöpfung schaffen können.