Materialstrategie BAM plädiert für Kurswechsel bei Hochleistungsmaterialien

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Forschende der BAM zeigen, wie Hochleistungsmaterialien langlebiger, nachhaltiger und unabhängiger von kritischen Rohstoffen werden können. Im Fokus stehen neue Designstrategien, die Stabilität, Recyclingfähigkeit und Ressourcenschonung stärker berücksichtigen.

Forschende der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) zeigen in einem Perspektivbeitrag, wie sich Hochleistungsmaterialien künftig langlebiger, sicherer und ressourcenschonender gestalten lassen. Ziel ist es, Abhängigkeiten von kritischen Rohstoffen zu reduzieren, die Recyclingfähigkeit zu verbessern und Leistungsverluste im praktischen Einsatz zu vermeiden.

Viele Hochleistungswerkstoffe für Batterien, Wasserstofftechnologien oder Windkraft enthalten seltene oder geopolitisch sensible Rohstoffe. Gleichzeitig altern sie in vielen Anwendungen schnell und lassen sich nur schwer recyceln. Die Folge sind steigende Kosten, Abhängigkeiten und technologische Engpässe. Die BAM plädiert daher für einen Strategiewechsel: Materialien sollen nicht mehr ausschließlich auf maximale Leistung optimiert werden, sondern auch auf Stabilität, Wiederverwendbarkeit und Rohstoffverfügbarkeit.

Zukunftsfähige Materialien von Anfang an mitdenken

„Wir haben in den letzten Jahren gelernt, Materialien immer leistungsfähiger zu machen. Jetzt müssen wir sie gleichzeitig robuster, langlebiger und nachhaltiger gestalten“, sagt Tilmann Hickel, Materialwissenschaftler an der BAM und Erstautor des Beitrags. „Ein Material ist nur dann wirklich zukunftsfähig, wenn es auch unter realen Einsatzbedingungen langfristig funktioniert.“

Ein Material ist nur dann wirklich zukunftsfähig, wenn es auch unter realen Einsatzbedingungen langfristig funktioniert.

Tilmann Hickel, Materialwissenschaftler an der BAM

Drei Designstrategien im Fokus

Im Mittelpunkt stehen drei Ansätze: die Substitution kritischer Elemente durch besser verfügbare Alternativen, die gezielte Steuerung von Materialdefekten („Defekt-Engineering“) sowie die Nutzung chemischer Vielfalt („Managing Diversity“). Dabei sollen kritische Rohstoffe durch häufiger verfügbare Elemente ersetzt werden, ohne die Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen. Gleichzeitig werden Unregelmäßigkeiten in der Materialstruktur gezielt genutzt, um Eigenschaften wie Stabilität zu verbessern. Durch die Kombination verschiedener chemischer Elemente lassen sich Materialien robuster auslegen und mehrere Anforderungen gleichzeitig erfüllen.

Relevanz für Energiewende und Industrie

Besonders relevant ist der Ansatz für Anwendungen der Energiewende. So können moderne Hochleistungsstähle in Windenergieanlagen Ressourcen einsparen und gleichzeitig hohen mechanischen Belastungen standhalten. Gleichzeitig soll die Kreislauffähigkeit solcher Materialien verbessert werden.

„Das Gelingen der Energiewende entscheidet sich nicht daran, ob ein Material im Labor Höchstwerte erreicht, sondern ob es über Jahre hinweg zuverlässig in der Praxis funktioniert, reparierbar ist und vor dem Hintergrund veränderlicher Rohstoffbedingungen eingesetzt werden kann”, so Andrea Stucchi de Camargo.

Erste Anwendungen zeigen Potenzial

Der Perspektivbeitrag der BAM stützt sich nicht nur auf theoretische Überlegungen, sondern auf konkrete Beispiele aus der angewandten Forschung. In verschiedenen Materialklassen ist es bereits gelungen, kritische oder knappe Elemente teilweise zu ersetzen, die Funktionsfähigkeit über längere Zeiträume zu erhalten und Zielkonflikte – etwa zwischen Effizienz und Haltbarkeit – zu reduzieren. So können chemisch komplexe Batteriematerialien den Rohstoff Kobalt in Akkus teilweise ersetzen. In Brennstoffzellen zeigen neue protonenleitende Materialien stabile Eigenschaften auch bei erhöhten Temperaturen, bei denen herkömmliche Materialien an ihre Grenzen stoßen. In Katalysatoren wiederum erreichen mehrkomponentige Metalllegierungen eine vergleichbare Effizienz wie Platin.