Die Werkstoffforschung verlässt das klassische Labor. Unter Tage, in Vulkanregionen, im Polareis und im hochintensiven Röntgenlicht von Großforschungsanlagen werden Materialien Bedingungen ausgesetzt, die auf herkömmliche Weise kaum zu untersuchen sind. Die Suche nach den Werkstoffen der Zukunft führt damit an die physikalischen Grenzen unserer Welt.
Ein Werkstoff kann im Labor hervorragende Eigenschaften besitzen und in der industriellen Praxis dennoch scheitern. Ein Metall, das hohe Temperaturen aushält, kann unter Wasserstoffeinfluss verspröden. Ein Kunststoff, der bei Raumtemperatur flexibel bleibt, kann in extremer Kälte seine Elastizität verlieren. Eine Legierung kann mechanisch außerordentlich belastbar sein und zugleich unter hohem Druck und aggressiven Fluiden korrodieren. Je leistungsfähiger die technischen Systeme werden, desto weniger genügt es deshalb, Materialien unter idealisierten Bedingungen zu prüfen. Man muss sie dorthin bringen, wo ihre Grenzen liegen.
Neue Grenzorte
Das kann tief unter der Erde sein, in einem Vulkan, in der Arktis oder Antarktis – oder im intensiven Röntgenlicht eines Teilchenbeschleunigers. Diese ungewöhnlichen Forschungsorte sind keine spektakulären Kulissen für die Wissenschaftskommunikation. Sie werden zu Prüfständen einer Industrie, die immer stärker auf Materialien angewiesen ist, die Temperaturen, Drücke, Strahlung, chemische Belastungen oder mechanische Beanspruchungen aushalten, denen herkömmliche Werkstoffe nicht mehr gewachsen sind.
Besonders deutlich wird das bei der Frage, wie lange ein Material seine Funktion bewahrt. In der Endlagerforschung etwa geht es nicht darum, ob ein Werkstoff einige Jahre zuverlässig funktioniert. Die verwendeten Materialien und geologischen Barrieren müssen unter bestimmten Konzepten über sehr lange Zeiträume betrachtet werden. Unterirdische Forschungslabore in der Schweiz, Frankreich oder Schweden ermöglichen es, Metalle, Betone und mineralische Materialien unter Bedingungen zu untersuchen, die denen tief im Gestein nahekommen. Feuchtigkeit, Druck und chemische Reaktionen wirken dort über lange Zeiträume zusammen.
Das stellt die Materialwissenschaft vor eine ungewöhnliche Aufgabe
Ein Werkstoff kann über Monate vollkommen stabil erscheinen und sich dennoch über Jahrzehnte oder Jahrhunderte verändern. Korrosion, Diffusion und chemische Reaktionen sind langsam, aber unerbittlich. Die Forscher müssen deshalb nicht nur messen, was heute geschieht. Sie müssen Modelle entwickeln, die aus experimentell beobachtbaren Vorgängen auf die langfristige Entwicklung eines Materials schließen lassen. Die Frage nach dem Hochleistungswerkstoff bekommt damit eine neue Dimension: Es geht nicht nur um das Material, das die höchste Temperatur oder die größte mechanische Belastung aushält, sondern auch um jenes, das seine Funktion über sehr lange Zeiträume bewahrt.
Island als Hotspot der Wissenschaft
Noch unmittelbarer werden die Grenzen von Werkstoffen in vulkanischen und geothermischen Regionen sichtbar. Island ist zu einem wichtigen Schauplatz der Forschung an der Nutzung geothermischer Energie geworden. Projekte wie das Krafla Magma Testbed untersuchen, wie sich die enormen Energiereserven des Erdinneren erschließen lassen. Für die Materialwissenschaft ist das eine besondere Herausforderung. Hohe Temperaturen treffen auf hohen Druck und chemisch aggressive Fluide. Metalle, Sensoren, Bohrwerkzeuge und andere Komponenten müssen nicht nur hitzebeständig sein. Sie müssen zugleich der Korrosion widerstehen und ihre mechanischen Eigenschaften unter extremen Bedingungen bewahren.
Gerade diese Kombination macht die Aufgabe so schwierig
Ein Werkstoff, der bei hoher Temperatur stabil bleibt, muss nicht zwangsläufig auch mit schwefel- oder chlorhaltigen Verbindungen, Wasser und mineralischen Bestandteilen zurechtkommen. Was in einer geothermischen Tiefbohrung funktioniert, ist deshalb ein Testfall für eine ganze Klasse von Hochleistungswerkstoffen. Die Industrie interessiert sich dabei nicht nur für die Frage, welches Material die Belastung übersteht. Sie muss wissen, wie lange es hält, wie es hergestellt werden kann und ob sich sein Einsatz wirtschaftlich lohnt.
Der Gegenpol zur vulkanischen Hitze ist die polare Kälte
Auch sie verändert die Eigenschaften von Materialien. Polymere und Elastomere, die bei normalen Temperaturen flexibel sind, können bei großer Kälte spröde werden. Dichtungen verlieren ihre Elastizität, Kunststoffe können brechen. Für Raumfahrt, Luftfahrt, Polarschifffahrt und Energieinfrastruktur ist das keine akademische Frage. Die technischen Systeme müssen dort funktionieren, wo die Umweltbedingungen weit außerhalb dessen liegen, was in einem normalen Produktionsbetrieb herrscht.
Hinzu kommt das Eis. Oberflächen, an denen sich Eis bildet, können den Betrieb von Flugzeugen, Schiffen, Windkraftanlagen oder technischen Anlagen erheblich beeinträchtigen. Deshalb sucht die Forschung nach Beschichtungen und Oberflächenstrukturen, an denen Wasser und Eis möglichst wenig haften. Dabei dienen mitunter biologische Strukturen als Vorbild. Die Natur liefert gewissermaßen die Ausgangsidee, die Materialwissenschaft versucht daraus eine technisch belastbare Oberfläche zu machen.
PETRA und DESY
Noch faszinierender als die Suche nach extremen Umgebungen ist allerdings die Möglichkeit, Werkstoffe während ihrer Veränderung zu beobachten. Dafür muss man nicht in einen Vulkan oder in die Antarktis reisen. In Hamburg steht mit PETRA III am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY eine Großforschungsanlage, deren hochbrillante Röntgenstrahlung Einblicke in die Struktur von Materialien erlaubt, die mit konventionellen Methoden nicht möglich wären. Das Helmholtz-Zentrum Hereon betreibt dort Messstationen für die technische Materialforschung, an denen unter anderem Metalllegierungen, Schweißverbindungen und Ermüdungsprozesse untersucht werden.
Der entscheidende Fortschritt liegt darin, dass der Werkstoff nicht mehr nur nach Abschluss eines Experiments analysiert werden muss. Die Forscher können ihn zunehmend während des Vorgangs beobachten. Sie können verfolgen, wie sich seine Struktur beim Erwärmen und Abkühlen verändert, wie Risse entstehen oder wie sich Phasen innerhalb einer Legierung bilden. In sogenannten in-situ– und operando-Experimenten wird das Material unter möglichst realistischen Bedingungen untersucht, während es gerade arbeitet oder belastet wird.
Das verändert die Logik der Werkstoffforschung
Lange Zeit bestand der klassische Ablauf darin, einen Werkstoff herzustellen, ihn zu testen und anschließend anhand seines Zustands Rückschlüsse auf die Ursachen von Fehlern zu ziehen. Heute lässt sich zunehmend beobachten, was während des Prozesses geschieht. Bei der Herstellung von Beschichtungen kann beispielsweise verfolgt werden, wie sich die Struktur eines Materials innerhalb von Millisekunden entwickelt. Bei Wasserstoffwerkstoffen lässt sich untersuchen, wie Wasserstoff unter hohem Druck in die atomare Struktur eindringt und welche Veränderungen dadurch ausgelöst werden.
Gerade die Wasserstoffwirtschaft macht deutlich, wie wichtig diese Fähigkeiten werden. Wasserstoff ist nicht nur ein Energieträger. Er ist auch eine Herausforderung für die Werkstofftechnik. Er kann in Metalle eindringen, ihre Mikrostruktur verändern und unter bestimmten Bedingungen Versprödung und andere Schäden begünstigen. Ob ein Material für Tanks, Pipelines, Turbinen oder andere Komponenten geeignet ist, entscheidet sich deshalb nicht allein an seiner makroskopischen Festigkeit. Entscheidend ist, was auf mikroskopischer und atomarer Ebene geschieht.
Der Blick ins Innere
Damit verschiebt sich der Blick der Materialwissenschaft immer weiter ins Innere der Materie. Röntgenbeugung, Tomografie und spektroskopische Verfahren erlauben es, Veränderungen der Kristallstruktur und der inneren Spannungen sichtbar zu machen. Was früher nur nachträglich rekonstruiert werden konnte, wird heute zunehmend unmittelbar beobachtbar. Der Werkstoff wird gewissermaßen zum Film, nicht mehr nur zum fotografischen Endbild.
Diese Entwicklung verändert zugleich die Bedeutung von Großforschungsanlagen. Sie sind nicht länger ausschließlich Orte der Grundlagenforschung. Ihre Daten können unmittelbar in industrielle Entwicklungsprozesse einfließen. Ein Material wird unter bestimmten Bedingungen getestet, seine Veränderung wird beobachtet, die gewonnenen Daten werden mit Simulationen verglichen und anschließend für eine neue Materialzusammensetzung oder einen verbesserten Herstellungsprozess verwendet. Aus dem klassischen Dreiklang von Entwurf, Herstellung und Prüfung entsteht ein wesentlich engerer Kreislauf: vorhersagen, herstellen, testen, beobachten, verbessern.
Damit schließt sich der Kreis zu einer Entwicklung, die für die gesamte neue Werkstoffforschung charakteristisch ist. Materialentwicklung wird zunehmend zu einer Verbindung von Physik, Chemie, Maschinenbau, Informatik und Datenwissenschaft. Hochleistungsrechner simulieren atomare Strukturen, künstliche Intelligenz durchsucht mögliche Materialkombinationen, Großforschungsanlagen liefern experimentelle Daten und neue Fertigungsverfahren erlauben es, daraus reale Bauteile herzustellen.
Die ungewöhnlichen Orte sind nur der Anfang
Die ungewöhnlichen Forschungsorte sind deshalb nur die sichtbarste Seite einer viel größeren Veränderung. Unter der Erde wird untersucht, ob Materialien über lange Zeiträume stabil bleiben. In vulkanischen Regionen werden sie mit Hitze, Druck und aggressiver Chemie konfrontiert. In den Polarregionen müssen sie extreme Kälte und Vereisung aushalten. In Großforschungsanlagen lässt sich beobachten, was sich im Inneren eines Materials während seiner Entstehung oder Belastung abspielt.
Die Materialforschung verlässt damit das klassische Bild des Labors
Ihr Untersuchungsfeld reicht vom Erdinneren bis zu den Polarregionen und den Großforschungsanlagen – und inzwischen bis in den Weltraum. Der Grund dafür ist weniger spektakulär, als es zunächst klingt: Die Technologien der Zukunft verlangen Werkstoffe, die mit Bedingungen umgehen können, für die bisherige Materialien nicht ausgelegt waren. Wasserstoffsysteme, Batterien, Halbleiter, Raumfahrt, Leichtbau und neue Energietechnologien sind deshalb immer auch Werkstofftechnologien. Ihre Leistungsfähigkeit wird nicht allein durch Software, Konstruktion oder Produktionsverfahren bestimmt. Sie hängt davon ab, welche Eigenschaften die Materie selbst bereitstellt.
Die Materialrevolution stellt die schwierigsten Fragen
Die entscheidende Frage lautet daher längst nicht mehr nur, welcher Werkstoff heute die besten Eigenschaften besitzt. Sie lautet, wie sich seine Eigenschaften unter den Bedingungen verändern, für die er künftig eingesetzt werden soll – und ob es gelingt, daraus gezielt einen besseren Werkstoff zu entwickeln. Die Materialrevolution findet deshalb dort statt, wo die Physik ihre schwierigsten Fragen stellt. Manchmal tief unter der Erde, manchmal im ewigen Eis, manchmal im Inneren eines Vulkans. Und manchmal in Hamburg, wo hochbrillantes Röntgenlicht einen Blick in das Innere eines Materials ermöglicht.