Die nächste Generation von Werkstoffen soll nicht nur leichter, stärker oder intelligenter sein. Sie soll auch weniger Rohstoffe verbrauchen und nach ihrem Einsatz wieder in biologische oder technische Kreisläufe zurückkehren. Damit verändert sich die Frage, was ein guter Werkstoff ist: Nachhaltigkeit beginnt nicht mehr am Ende des Produktlebens, sondern bereits bei seinem Entwurf.
Ein Material hat bislang vor allem eine Aufgabe: Es soll funktionieren. Stahl muss stabil sein, Kunststoff formbar, eine Keramik hitzebeständig, ein Dämmstoff leicht und isolierend. Was nach dem Ende der Nutzungsdauer mit dem Material geschieht, war lange Zeit eine nachgelagerte Frage. Recycling wurde zu einem Problem der Entsorgung erklärt, nicht zu einer Aufgabe der Materialentwicklung. Das könnte sich nun grundlegend ändern.
Denn die Materialrevolution, die sich derzeit in Laboren und Unternehmen entwickelt, verspricht nicht nur neue technische Eigenschaften. Sie eröffnet auch die Möglichkeit, Materialien von Anfang an so zu konstruieren, dass sie möglichst wenig Ressourcen benötigen, lange halten und nach ihrer Nutzung wiederverwendet werden können. Der entscheidende Gedanke lautet: Nicht erst das Recycling muss Nachhaltigkeit schaffen – das Material selbst muss für den Kreislauf entwickelt werden.
„Rapide verändern sich die Vorzeichen für unsere Produktkultur. Materialien sind nicht länger nur passive Bauteile, sondern aktive Systeme, die auf ihre Umwelt reagieren und Ressourceneffizienz neu definieren“, sagt der Materialexperte und Zukunftsforscher Sascha Peters.
Das ist mehr als eine schöne Beschreibung eines technologischen Trends. Es bezeichnet einen Paradigmenwechsel.
Vom Wegwerfen zum Kreislauf
Die klassische Industrie folgt noch immer häufig einer linearen Logik: Rohstoffe werden gewonnen, zu Produkten verarbeitet, genutzt und anschließend entsorgt oder mit erheblichem Aufwand recycelt. Dieses Modell funktioniert solange, wie Rohstoffe billig und in nahezu unbegrenzter Menge verfügbar erscheinen. Genau diese Voraussetzung existiert nicht mehr.
Kupfer, Lithium, Nickel, Seltene Erden und zahlreiche andere Rohstoffe sind für die Elektrifizierung, Digitalisierung und Energiewende von strategischer Bedeutung. Gleichzeitig wächst der Energieaufwand ihrer Gewinnung. Wer die industrielle Transformation beschleunigen will, muss deshalb eine zweite Transformation bewältigen: den Übergang von der linearen zur zirkulären Materialwirtschaft.
Die Europäische Union und Deutschland versuchen, diesen Wandel politisch zu unterstützen. Die Nationale Kreislaufwirtschaftsstrategie setzt unter anderem auf ressourcenschonende Produktionsverfahren und die Rückgewinnung kritischer Rohstoffe. Auf europäischer Ebene sollen Forschung und Industrie zudem durch neue Instrumente wie den Digitalen Produktpass besser in die Lage versetzt werden, Materialien und Bauteile über ihren gesamten Lebenszyklus zu verfolgen. Doch politische Vorgaben allein werden die Kreislaufwirtschaft nicht schaffen. Dafür müssen die Produkte selbst anders konstruiert werden.
Der Abfall entsteht am Reißbrett
Ein bemerkenswert radikaler Gedanke der Kreislaufwirtschaft lautet deshalb: Abfall ist häufig kein Entsorgungsproblem, sondern ein Konstruktionsproblem. „Abfall ist eigentlich nur ein Designfehler“, lautet eine Formulierung, die an die Grundsätze der Cradle-to-Cradle-Forschung angelehnt ist. Der Gedanke dahinter ist einfach: Wenn ein Produkt aus Materialien besteht, die nach ihrer Nutzung nicht voneinander getrennt oder in hochwertige Rohstoffe zurückgeführt werden können, wurde diese Eigenschaft bereits bei seiner Konstruktion festgelegt.
Ein Verbundwerkstoff, dessen Komponenten untrennbar miteinander verbunden sind, mag während seiner Nutzungsphase hervorragend funktionieren. Am Ende seines Lebens kann er jedoch zum Abfall werden. Ein Kunststoff, der mit zahlreichen Additiven versetzt wurde, lässt sich möglicherweise nicht mehr hochwertig recyceln. Eine komplexe Materialmischung kann technisch wertvoll und zugleich ökonomisch nahezu wertlos sein. Die entscheidende Innovation besteht deshalb darin, Materialien nicht nur für ihren ersten Einsatz, sondern für mehrere Leben zu entwickeln. Das ist eine enorme Herausforderung für die Werkstoffwissenschaft.
Denn Recyclingfähigkeit darf nicht auf Kosten der Funktion gehen. Ein Bauteil für ein Flugzeug, eine Turbine oder eine Batterie muss zunächst seine technische Aufgabe erfüllen. Erst wenn Sicherheit und Leistungsfähigkeit gewährleistet sind, kann die Frage nach dem zweiten oder dritten Lebenszyklus folgen. Die Kunst besteht darin, beides zusammenzubringen.
Wenn Materialien selbstständig reagieren
Noch weiter geht die Entwicklung sogenannter programmierbarer oder responsiver Materialien. Sie sind nicht mehr vollständig passive Werkstoffe, sondern können ihre physikalischen, mechanischen oder chemischen Eigenschaften abhängig von äußeren Bedingungen verändern. Ein Material könnte beispielsweise seine Steifigkeit an eine Belastung anpassen, Wärme- oder Stoffströme regulieren oder auf bestimmte chemische Signale reagieren. Damit verschmilzt in einem Werkstoff, was bisher auf mehrere Bauteile verteilt war: Sensor, Steuerung und Aktor.
Das klingt zunächst nach Science-Fiction. Tatsächlich ist der Gedanke technisch durchaus plausibel. Wenn die Mikro- oder Nanostruktur eines Materials gezielt gestaltet werden kann, lassen sich Eigenschaften nicht nur global, sondern teilweise auch räumlich und situationsabhängig beeinflussen.
Der ökologische Vorteil liegt auf der Hand
Wenn ein Material mehrere Funktionen gleichzeitig übernimmt, können Bauteile eingespart werden. Weniger Komponenten bedeuten häufig weniger Gewicht, weniger Material und weniger Energieaufwand. In der Mobilität kann jedes eingesparte Kilogramm relevant sein. In Gebäuden kann ein leistungsfähiger Dämmstoff den Energiebedarf über Jahrzehnte reduzieren. Damit wird Nachhaltigkeit zu einer Eigenschaft des Materials selbst.
Der Werkstoff, der sich repariert
Besonders faszinierend sind selbstheilende Materialien. Sie sollen Schäden nicht lediglich tolerieren, sondern bestimmte Risse, Kratzer oder strukturelle Beschädigungen eigenständig reparieren können. Je nach Material kommen dafür unterschiedliche chemische oder physikalische Mechanismen zum Einsatz. Manche Systeme reagieren auf Wärme, Licht oder chemische Auslöser; andere verfügen über Strukturen, die beschädigte Bereiche selbstständig wieder verbinden. Der ökologische Effekt wäre erheblich, wenn dadurch die Lebensdauer von Produkten verlängert werden könnte.
Denn der nachhaltigste Werkstoff ist häufig nicht derjenige, der am Ende besonders gut recycelt werden kann. Es ist zunächst derjenige, der möglichst lange funktioniert. Ein Bauteil, das zehn Jahre länger eingesetzt werden kann, muss nicht hergestellt, transportiert und montiert werden. Die dafür eingesetzten Rohstoffe bleiben im Produkt gebunden. Energie und Emissionen der Ersatzproduktion entfallen.
Doch auch hier zeigt sich, dass die Materialrevolution keine einfache Geschichte des technischen Fortschritts ist. Selbstheilende Werkstoffe können teuer sein, müssen für sicherheitskritische Anwendungen aufwendig zertifiziert werden und sind nicht automatisch besser recycelbar. Manche chemisch komplexen Systeme können den späteren Recyclingprozess sogar erschweren. Nachhaltigkeit ist deshalb keine einzelne Materialeigenschaft. Sie ist eine Systemaufgabe.
Die Natur als Werkstoffingenieur
Eine weitere Entwicklung führt zu einem der ältesten Vorbilder der Materialwissenschaft: der Natur. Die Natur produziert unter extremen Bedingungen Materialien, die zugleich leicht, stabil, flexibel und ressourceneffizient sein können. Knochen, Holz, Spinnenseide oder Muschelschalen sind keine homogenen Werkstoffe. Sie sind hierarchisch aufgebaut und kombinieren unterschiedliche Strukturen und Funktionen. Die biologische Transformation versucht, solche Prinzipien technisch nutzbar zu machen.
„Die Natur verschwendet nichts; der Abfall des einen Organismus ist die Nahrung für den anderen“ – so lautet der Grundtenor in vielen aktuellen Publikationen der Fraunhofer-Gesellschaft zur biologischen Transformation und dem Einsatz biobasierter Werkstoffe. Daraus entsteht ein neues Forschungsfeld zwischen Biologie, Chemie und Werkstofftechnik.
Agrarische Reststoffe können beispielsweise zu Ausgangsmaterial für Polymere werden. Enzyme können chemische Reaktionen bei niedrigeren Temperaturen ermöglichen. Mikroorganismen können bestimmte Substanzen herstellen. Biobasierte Materialien können Erdöl ersetzen, sofern ihre Herstellung, Nutzung und Entsorgung tatsächlich eine bessere Gesamtbilanz besitzen. Das ist hier der entscheidende Punkt.
Biobasiert bedeutet nicht automatisch nachhaltig
Auch nachwachsende Rohstoffe benötigen Fläche, Wasser, Energie und Transport. Entscheidend ist deshalb die gesamte Lebenszyklusbetrachtung. Der nächste Werkstoff kommt vielleicht vom Acker. Gerade hier entstehen interessante Geschäftsmodelle. Unternehmen wie traceless materials arbeiten an Kunststoffalternativen auf Basis von Agrarreststoffen. Die traceless materials GmbH ist ein Circular-Bioeconomy-Start-up aus Hamburg mit weiblichem Gründungsteam. Das Unternehmen bietet eine ganzheitlich nachhaltige Alternative zu herkömmlichen (Bio-)Kunststoffen an, mit der Idee, die globale Plastikverschmutzung an Land sowie im Wasser zu lösen.
Die Technologie des Unternehmens ermöglicht es erstmals, Nebenprodukte der Agrarindustrie zur Herstellung von lagerstabilen Folien, festen Materialien und hauchdünnen Beschichtungen zu verwenden, die die gleichen vorteilhaften Eigenschaften wie Kunststoffe bieten und dennoch in der Natur vollständig abbaubar sind. Andere Start-ups entwickeln biobasierte Polymere für medizinische Anwendungen oder neue Materialien aus Holzfasern. Die Grundidee ist jeweils ähnlich: Ein Rohstoff, der bisher als Abfall oder Nebenprodukt betrachtet wurde, wird zum Ausgangspunkt einer neuen Materialkette.
Für die deutsche Industrie ist das strategisch interessant
Deutschland verfügt über eine starke chemische Industrie, einen leistungsfähigen Maschinenbau und eine große Forschungslandschaft. Wenn es gelingt, diese Kompetenzen mit biobasierten Rohstoffen und neuen Recyclingverfahren zu verbinden, könnte daraus eine neue Form industrieller Wertschöpfung entstehen. Auch die Forschung bewegt sich in diese Richtung. Im Fraunhofer-Umfeld werden beispielsweise biobasierte und biohybride Hochleistungsmaterialien untersucht, die erdölbasierte Kunststoffe ersetzen und zugleich recyclingfähig oder biologisch abbaubar sein sollen. Die Herausforderung bleibt allerdings dieselbe wie bei allen neuen Werkstoffen: Aus einem interessanten Material muss ein industriell produzierbares Material werden.
Die schwierige Rechnung der Nachhaltigkeit
Damit stößt die Materialrevolution auf ein Problem, das häufig unterschätzt wird. Ein neues Material kann während seiner Nutzung Ressourcen sparen und bei seiner Herstellung dennoch besonders energieintensiv sein. Ein leichter Werkstoff kann den Energieverbrauch eines Fahrzeugs reduzieren, aber bei seiner Produktion mehr Energie benötigen als ein herkömmlicher Werkstoff. Ein biologisch abbaubarer Kunststoff kann ökologisch sinnvoll sein – oder unter bestimmten Bedingungen lediglich eine andere Form des Ressourcenverbrauchs darstellen. Die entscheidende Größe ist deshalb nicht die einzelne Produkteigenschaft, sondern die Lebenszyklusbilanz.
Wie viel Rohstoff wird benötigt? Wie viel Energie? Wie lange hält das Produkt? Welche Emissionen entstehen bei seiner Herstellung und Nutzung? Was geschieht am Ende seines Lebens? Kann das Material wiederverwendet werden? Und in welcher Qualität? Erst die Antworten auf diese Fragen zeigen, ob eine Materialinnovation tatsächlich nachhaltiger ist.
Effizienz allein reicht nicht
Dabei lauert eine weitere Falle: der sogenannte Rebound-Effekt. Wenn neue Werkstoffe Produkte effizienter und billiger machen, kann die Nachfrage nach diesen Produkten steigen. Der individuelle Ressourcenverbrauch sinkt dann zwar, während der absolute Verbrauch insgesamt weiter zunimmt. Das ist eine unbequeme Erkenntnis. Die Materialrevolution kann den Ressourcenverbrauch pro Produkt drastisch reduzieren und dennoch nicht automatisch zu einer absoluten Reduktion des weltweiten Materialverbrauchs führen.
Dafür braucht es mehr als effizientere Werkstoffe. Es braucht langlebige Produkte, Wiederverwendung, Reparatur, funktionierende Recyclingstrukturen und eine Wirtschaft, die Materialkreisläufe tatsächlich schließt. Die Werkstoffwissenschaft kann dafür die technischen Voraussetzungen schaffen. Sie kann das Problem allein jedoch nicht lösen.
Deutschlands Chance
Für den Industriestandort Deutschland liegt darin eine besondere Chance. Die Transformation zu einer Kreislaufwirtschaft verlangt nicht nur neue Materialien. Sie verlangt neue Produktionsverfahren, Recyclingtechnologien, Sensorik, Maschinenbau und digitale Systeme. Der Digitale Produktpass könnte beispielsweise Informationen über Materialzusammensetzung und Produktlebenslauf verfügbar machen und damit eine spätere Rückgewinnung erleichtern. Damit entsteht ein neues industrielles Ökosystem.
Der Werkstoffhersteller muss wissen, wie sein Material später getrennt werden kann. Der Maschinenbauer muss Anlagen entwickeln, die Materialien sortieren und zurückgewinnen können. Der Produktentwickler muss bereits beim Design an Demontage und Reparatur denken. Und digitale Systeme müssen dokumentieren, welche Materialien überhaupt in einem Produkt stecken. Kreislaufwirtschaft ist damit keine Branche. Sie ist eine neue Organisationsform industrieller Wertschöpfung.
Die Materialrevolution muss sich beweisen
Vielleicht liegt darin die eigentliche Bewährungsprobe der neuen Werkstoffe. Es reicht nicht, einen Kunststoff zu entwickeln, der einen herkömmlichen Kunststoff ersetzen kann. Es reicht nicht, ein Material leichter, stärker oder hitzebeständiger zu machen. Und es reicht auch nicht, eine spektakuläre neue Materialklasse im Labor zu entdecken. Die entscheidende Frage lautet: Was geschieht mit diesem Material nach seinem ersten Leben? Kann es wieder zum Ausgangsstoff für ein neues Produkt werden? Kann es repariert werden? Kann es mehrere Funktionen gleichzeitig übernehmen? Kann es aus erneuerbaren oder bislang ungenutzten Rohstoffquellen hergestellt werden? Und vor allem: Ist seine gesamte Lebenszyklusbilanz tatsächlich besser?
Wenn die Antwort auf diese Fragen zunehmend „Ja“ lautet, verändert sich das Verhältnis zwischen Industrie und Materie grundlegend. Dann wird ein Werkstoff nicht mehr als Verbrauchsgut betrachtet, das irgendwann zu Abfall wird. Er wird zum Bestandteil eines Kreislaufs. Das wäre tatsächlich eine neue industrielle Revolution. Denn die Industriegeschichte war bislang auch eine Geschichte immer größerer Materialströme: mehr Stahl, mehr Kunststoff, mehr Beton, mehr Rohstoffe. Die nächste Epoche könnte davon geprägt sein, mehr aus jedem Kilogramm Material herauszuholen und es möglichst lange im Wirtschaftskreislauf zu halten.
Die Natur hat dafür ein Prinzip längst vorgemacht
Nichts wird endgültig zu Abfall. Alles wird zum Ausgangspunkt für etwas Neues. Die Materialwissenschaft beginnt gerade erst zu verstehen, wie schwer es ist, dieses Prinzip industriell nachzubauen. Und genau darin könnte eine der größten Aufgaben der kommenden Jahrzehnte liegen: Werkstoffe zu entwickeln, die nicht nur leistungsfähiger sind als ihre Vorgänger – sondern Teil eines Systems werden, in dem ihr Ende zugleich der Anfang des nächsten Produkts ist.