Werkstoffe Materials Commons für eine vernetzte europäische Werkstoffforschung

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GWJ Technology GmbH

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Mit dem Projekt MaterialsCommons entsteht erstmals eine gesamteuropäische föderierte Digitalinfrastruktur für die Werkstoffforschung und -entwicklung. 26 Forschungseinrichtungen aus 14 Ländern mit über 30 Industriepartnern wollen die fragmentierte europäische Werkstoffdatenlandschaft vereinheitlichen und die Entwicklung neuer Hochleistungswerkstoffe um den Faktor 4 beschleunigen.

Rund 70 Prozent aller technischen Innovationen gehen direkt oder indirekt auf Werkstoffe zurück. Dennoch dauert die Entwicklung neuer Materialien bis zur Markteinführung nach wie vor 10 bis 20 Jahre, ein Zeitrahmen, der angesichts der Klimaziele, der Energiekrise und der geopolitischen Verwerfungen nicht mehr tragbar ist. Ein wesentlicher Grund für diese Trägheit ist der hohe Bedarf und gleichzeitig die schwierige Verfügbarkeit von bestehenden Materialdaten. Dies liegt in der starken Fragmentierung der europäischen Werkstoffdatenlandschaft: Daten aus Forschungsprojekten sind über zahlreiche Plattformen, Datenbanken und nationale Initiativen verstreut, kaum interoperabel und für viele Akteure, insbesondere kleine und mittlere Unternehmen, schwer auffindbar und praktisch unzugänglich. Allein durch ineffiziente Datensuche und redundante Datenerhebung entstehen europaweit geschätzte Kosten von über 10 Milliarden Euro jährlich. Gleichzeitig verschärft sich der globale Wettbewerb mit den USA und China in Schlüsseltechnologien wie KI, Mikroelektronik und Energie, alles Bereiche, in denen Hochleistungswerkstoffe eine entscheidende Rolle spielen.

Europas Materialforschung ist heute stark zersplittert. Materialdaten werden vorwiegend in klassischen Zeitschriften und einzelnen online-repositorien veröffentlicht. Daneben existieren zahlreiche isoliert entstandene Plattformen, wie beispielsweise die Materials Cloud, NOMAD,  MaterialDigital, DIADEM, oder CAPeX. Forscherinnen und Forscher müssen auf der Suche nach spezifischen Informationen jede Datenbank einzeln abfragen, mit unterschiedlichen Formaten und Schnittstellen kämpfen und können Daten aus verschiedenen Laboren nicht einfach oder gar automatisch kombinieren.

Prof. Dr. Peter Gumbsch, Leiter Fraunhofer IWM und Projekt Koordinator MaterialsCommons

MaterialsCommons schafft nun einen zentralen, nutzungsfreundlichen Einstiegspunkt, über den Forscherinnen und Forscher aus Industrie und Wissenschaft sicheren Zugang zu verteilten Datenrepositorien, Workflows und KI-Werkzeugen erhalten sollen, ohne dass Daten zentralisiert werden müssen. „MaterialsCommons möchte diese Probleme lösen, indem es erstmals eine föderierte digitale Infrastruktur mit einem einzigen Zugangspunkt schafft, die relevanten europäischen Ressourcen verbindet und damit eine Beschleunigung der Material- und Bauteilentwicklung ermöglicht. MaterialsCommons soll für die akademische Forschung ebenso wie für die industrielle Entwicklung die relevanten Materialdaten auffindbar und nutzbar machen“, sagt Prof. Dr. Peter Gumbsch, Leiter Fraunhofer IWM und Projekt Koordinator MaterialsCommons. 
Der Zusammenschluss einzelner Plattformen, die ihre Selbstständigkeit bewahren, gewährleistet Datensouveränität und IP-Schutz bei gleichzeitiger Interoperabilität. Zu den Kerninnovationen des Projekts zählen gemeinsame Ontologien, Taxonomien und Metadaten-Schemata als „gemeinsame Sprache“ der Werkstoffcommunity. „Eine einzige Oberfläche, über die Forscher aus Industrie und Wissenschaft die relevanten europäischen Materialdatenressourcen finden können. Das senkt die Einstiegshürde massiv, beschleunigt die Datensuche um ein Vielfaches und schafft erst die Voraussetzung dafür, dass KI-gestützte Workflows über Institutionsgrenzen hinweg funktionieren“, betont Prof. Dr. Grumbsch die Vorteile.
Zudem werden automatisierte, mehrstufige Forschungsabläufe entwickelt, sogenannte Self-Driving-Lab-Workflows, bei denen Experimente, Simulationen und Datenanalysen ohne manuelles Eingreifen orchestriert und ausgeführt werden und das verteilt über mehrere Labore und Standorte hinweg. Vor Projektende sollen über 90 Prozent der meistgenutzten europäischen Repositorien über eine einzige Schnittstelle zugänglich sein.

Die Infrastruktur wird in sechs industriellen Anwendungsfällen erprobt:

• Batteriewerkstoffe u.a. mit Siemens als Industriepartner
• bainitische Stähle mit Bosch, ArcelorMittal, Voestalpine und Schaeffler
• Qualitätssicherung in der additiven Fertigung mit Schaeffler und Applus
• Materialien für die Mikroelektronik mit Infineon und Siemens

Das Prinzip des MaterialsCommons

Die Europa-überspannende blaue Wolke in der Grafik steht für die Verbundinfrastruktur, die Forschende aus Wissenschaft und Industrie miteinander verbindet und zuvor isolierte Ressourcen zusammenbringt. Die farbigen Bausteine symbolisieren die drei technischen Elemente der Infrastruktur: semantische Interoperabilität (blau), Workflows (grün) und Datenräume (violett). Ausgehend von oben rechts gegen den Uhrzeigersinn veranschaulicht die Abbildung: (i) Hochleistungsrechenzentren (HPC), die groß angelegte Rechenressourcen bereitstellen; (ii) semantisch verknüpfte FAIR-Daten (Findable, Accessible, Interoperable, and Reusable), die Interoperabilität und maschinell verarbeitbaren Datenaustausch ermöglichen; (iii) einen benutzerfreundlichen Zugangspunkt, der auch Erstnutzern einen Über-blick über die verfügbaren Dienste bietet; (iv) die Koordination von SDLs (selbstgesteuerten Laboren), die automatisierte Synthese- und Bearbeitungszyklen in Partnerlaboren ermöglichen und gleichzeitig Echtzeitdaten in einen gemeinsamen Wissensgraphen einbringen; (v) elektronische Laborjournale (ELNs), die die digitale Experimentdokumentation und das Datenmanagement unterstützen; und (vi) industrielle Anbieter, die Daten und Dienste für den kommerziellen Vertrieb bereitstellen. Zusammen bilden diese Komponenten ein digitales Ökosystem, das eine kollaborative, datenzentrierte und KI-gestützte Materialforschung und -entwicklung über organisatorische und geografische Grenzen hinweg unterstützt.

Die industriellen Partner erwarten dabei bedeutende Zeiteinsparungen und massive Kostensenkungen in einzelnen Entwicklungsprozessen.
Zur Sicherung der Nachhaltigkeit über die vierjährige Projektlaufzeit hinaus wird eine MaterialsCommons Foundation gegründet, die den Betrieb koordiniert und Partner*innen, nationale Hubs und Industrie zusammenführt. Prof. Peter Gumbsch, der MaterialsCommons Koordinator, ist zugleich Mitglied des Executive Board der EU Innovative Advanced Materials Initiative (IAM-I), die als organisatorischer Rahmen die Verbindung zwischen der digitalen Infrastruktur und der industriellen Umsetzung sicherstellt.Die Dringlichkeit des Vorhabens ergibt sich unmittelbar aus der geopolitischen und wirtschaftlichen Lage: Die OECD prognostiziert einen Anstieg des globalen Ressourcenverbrauchs um 40 Prozent bis 2040, die fossile Abhängigkeit wird zunehmend durch eine Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen ersetzt, und der EU Critical Raw Materials Act, der Net-Zero Industry Act sowie die Ecodesign-Verordnung erfordern neue Werkstoffe in einem Tempo, das mit konventionellen Methoden nicht erreichbar ist. Jedes Jahr ohne eine solche Infrastruktur bedeutet Milliardenverluste durch ineffiziente Datennutzung, verlangsamte Innovationszyklen und eine verzögerte Erreichung der Klimaziele. MaterialsCommons ist damit nicht nur ein technisches Infrastrukturprojekt, es ist eine strategische Investition in die industrielle Zukunftsfähigkeit, Resilienz und den Wohlstand in Europa.