Zeitschrift 

Der Bürger im Staat

Auf dem Weg ins 21. Jahrhundert

Medizin - Naturwissenschaft - Technik
 
 
 

Heft 3/2000 , Hrsg.: LpB

 

Inhaltsverzeichnis
 

Ein Schwerpunkt deutscher Forschungspolitik

Mehr als Plaste und Elaste 

High-Tech-Werkstoffe aus der Retorte
Von Markus Bohn
Dipl.-Chemiker Dr. rer. nat. Markus Bohn ist Redaktionsleiter der SWR-Wissenschaftsredaktion Hörfunk, Baden-Baden.

Für vorgegebene Zwecke den jeweils optimalen Werkstoff zu entwickeln, ist ein vorrangiges Ziel deutscher Forschungspolitik. Die bislang vorgelegten Ergebnisse können sich international sehr wohl sehen lassen. Neue Werkstofflösungen für die Bereiche Energiegewinnung, Flugzeug- und Kraftfahrzeugbau liegen vor, aber auch für den gesamten Bereich der Medizintechnik und selbstverständlich für die Informations- und Kommunikationstechnik.
Red.


Gezielte Suche nach den besten Lösungen 

„Attraktiver Exot sucht aufgeschlossene und phantasievolle Unternehmerin. Selbst stets flüssig, verfüge ich über eine geradezu magnetische Anziehungskraft, bin extrem ausdauernd und das in tropischer Hitze ebenso wie bei sibirischer Kälte. Wer kann solch ein Prachtstück gebrauchen? “Zugegeben: Diese Kontakt-Anzeige ist fiktiv. Aber das Prachtstück gibt es tatsächlich. Eine dickflüssige Soße, so magnetisch wie ein Stück Eisen. Und irgendwann findet sich sicher auch jemand, der oder die eine Idee hat, was man damit technisch anfangen kann. Werkstoff sucht Anwendung. Dieser Fall tritt ein, wenn Forscher eher versehentlich eine Entdeckung machen. Einen Klebstoff beispielsweise, der nicht klebt, und der eben deshalb hervorragend geeignet ist für die unzähligen Haftnotizen, die tagtäglich auf Briefe oder an Computerbildschirme gedrückt werden. Neue Materialien für die Technik sind aber zu wichtig, als dass man sie allein dem Zufall überlassen dürfte. Und deshalb beschäftigt diese Forschung Zigtausende von Wissenschaftlern allein in der Bundesrepublik. Und deshalb werden dafür hierzulande auch Jahr für Jahr mehrere hundert Millionen Mark an Steuermitteln ausgegeben, die Forschung an den Hochschulen eingeschlossen: “Die Industrie konzentriert sich überwiegend auf kurz- bis mittelfristige Lösungen. Langfristige Lösungen haben doch eher einen Zeitraum von fünf Jahren oder gar zehn Jahren – von der Idee zum Produkt. Und hier engagiert sich nun die Bundesregierung, speziell das Bundesforschungsministerium mit dem Programm ‚Neue Materialien für Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts‘. Wir haben das Programm 1994 gestartet. Es hat eine Laufzeit von zehn Jahren. Wir haben analysiert im letzten Jahr, was denn die bisherige Förderung bewirkt hat, und die Ergebnisse können sich wirklich sehen lassen. Also da sind wir alle ein bisschen stolz drauf,“ meint Dipl. Ing. Wolfgang Faul, der am Forschungszentrum Jülich das Programm MaTech im Auftrag des Bundesforschungsministeriums als Projektträger koordiniert. Metalle, Kunststoffe und Keramiken sind die drei großen Klassen, in die man die Werkstoffe traditionell einteilt. Das Programm MaTech orientiert sich jedoch an den wichtigsten Einsatzgebieten für neue Werkstoffe. Energie, Verkehr, Medizin, Information und Fertigung sind demzufolge die Technikfelder, die es zu beackern gilt.

Hochfeuerfeste Keramiken für Kraftwerke

Beginnen wir mit der Energiegewinnung. Will man aus Kohle, Öl und Gas möglichst viel Energie herausholen, muss man diese Brennstoffe bei möglichst hohen Temperaturen verfeuern. Im Brennraum selbst will man deshalb künftig bis zu 1700 Grad Celsius erreichen. An die keramischen Werkstoffe, mit denen die Riesenöfen in den Kraftwerken ausgemauert werden, stellt dies extreme Anforderungen. Vor allem aber auch an die diversen Filter, mit denen die äußerst aggressiven glutflüssigen Aschetröpfchen abgeschieden werden müssen, bevor die Verbrennungsgase in die Turbine, also in den Stromgenerator, geleitet werden:„Es gibt, so wie bei der Bierherstellung, eine Art „Siemens-Reinheitsgebot“, wonach fünf Milligramm Partikel im Kubikmeter Luft enthalten sein dürfen mit Tropfengrößen unter fünf Mikrometern. Ansonsten, können Sie sich vorstellen, ist eine Turbinenschaufel innerhalb von wenigen Minuten wegkorrodiert. Bei Gasgeschwindigkeiten von bis zu 60 Metern pro Sekunde wirkt ein Tröpfchen wie ein Sandstrahlgebläse,“ erklärt Prof. Rainer Telle von der Technischen Hochschule in Aachen. Die glutflüssigen Aschetröpfchen sind aber nicht nur mechanisch äußerst aggressiv, sondern vor allem auch chemisch. Sie dringen in die keramischen Werkstoffe ein, die aus lauter mikroskopisch kleinen Kristallkörnchen bestehen, und das eigentlich feuerfeste Material zerbröselt, löst sich wie Zucker im Kaffee. Verhindern oder wenigstens bremsen lässt sich das nur, wenn die chemische Zusammensetzung der Keramik genau auf die jeweilige Kohle abgestimmt ist:„Es gibt beispielsweise nach langjähriger Forschung hier im Hause sehr gute Werkstoffkonzepte für bestimmte Kohlen, z. B. Ruhrkohle oder auch skandinavische Kohle aus Spitzbergen, die gelegentlich auf dem Markt sehr billig ist. Wir machen aber die Erfahrung, dass die Kraftwerksbetreiber nach Belieben die Kohle wechseln und dass dann die guten Effekte, die sich im Labor einstellen lassen, sich wieder ins Gegenteil umkehren.“ (Telle)Dagegen helfen auch die besten Computersimulationen nichts, mit denen die Aachener Forscher heute die jeweils optimale Keramik austüfteln können. Gesucht werden deshalb Lösungen, die unabhängig von den Eigenschaften der Kohle oder des Öls funktionieren.„Es gibt zwei Varianten. Die Entwicklung ‚intelligenter‘ Werkstoffe, die also auf die ankommenden chemischen Einflüsse und Temperatureinflüsse aktiv reagieren und sich selbst stabile Schutzschichten aufbauen. Eine weitere Strategie wäre einfach, die mechanische Filterung von solchen Schlacketröpfchen auszuschließen und elektrostatische Filter einzubauen. Wir brauchen also neue keramische Werkstoffe, die bei diesen Temperaturen elektrisch aktiv sind, Felder aufbauen können und dann infolgedessen die Teilchen ablenken können, so wie man heute beim Fernsehapparat beispielsweise einen Elektronenstrahl ablenkt, um das Bild zu erzeugen.“ (Telle) Schon dieses scheinbar simple Beispiel – hochfeuerfeste Keramiken für Kraftwerke – zeigt, welch enormer Forschungsaufwand nötig ist, um den Wirkungsgrad unserer Kraftwerke weiter zu steigern und so Kohle, Öl und Gas zu sparen. Technisch noch aufwendiger sind beispielsweise die nur Bruchteile eines Millimeters dünnen keramischen Isolier-Schichten, die auf die Schaufelräder der Turbinen aufgebracht werden müssen, um vor allem die enorme Hitze vom metallischen Kern fernzuhalten. Auf diesem Gebiet hat Deutschland mittlerweile eine Spitzenposition erobert.

Leichtbau spart Treibstoff bei Autos und Flugzeugen

Energie zu sparen ist auch das Ziel vieler Projekte aus dem zweiten Feld des Programms MaTech, der Verkehrstechnik. Und hier versucht man das natürlich zuerst einmal, indem man Gewicht einspart. Leichtbau mit Aluminium statt Stahl, so lautet das bisherige Erfolgsrezept. Dipl. Ing. Wolfgang Faul:„Aluminium ist bereits in der Serienfertigung. Es gibt Fahrzeuge, die werden mittlerweile angeboten mit einer Vollaluminium-Karosserie. Die nächste Stufe ist, Magnesium zu verwenden. Das ist noch mal ein gutes Stück leichter. Und da gibt es eine Reihe von technologischen Schwierigkeiten, Magnesium so zu verarbeiten, wie man das mit Aluminium schon kann. Da fehlen zum Teil noch die richtigen Legierungen, die sich dann auch entsprechend verarbeiten und verformen lassen. Und das ist ein Schwerpunkt, der zur Zeit bearbeitet wird: Entwicklung von geeigneten Legierungen auf der Basis von Magnesium. “Und anstelle massiver Metallteile möchte man künftig auch Metallschäume verwenden. Sie sind so leicht, dass sie wie Kork auf Wasser schwimmen, und dennoch fast so fest wie das normale Metall. Bei den Flugzeugen setzt man noch auf eine andere Variante des Leichtbaus: “Was im Flugzeugbau sehr stark sich in den letzten 20 Jahren entwickelt hat – und da war Airbus führend weltweit – das ist der Bereich der Kohlenstoff-Faser verstärkten Kunststoffe CFK. Airbus fliegt mittlerweile schon mit einem größeren Satz von Bauteilen, die auf der Basis von CFK entwickelt worden sind, und es gibt ein sehr ambitioniertes Projekt, das das Bundesforschungsministerium zusammen mit dem Bundeswirtschaftsministerium betreibt: Das ist das Flugzeug der nächsten Generation, wo der gesamte Rumpf aus CFK gebaut werden soll. Und dieses ist in mehrerlei Hinsicht außerordentlich ambitioniert: Erstens sollen die Kosten für dieses Flugzeug um 40 % gesenkt werden gegenüber dem heutigen Stand und das Gewicht soll um 30 % gesenkt werden, so dass mit Verbesserung der Aerodynamik, mit Verbesserung der Turbinen, alles werkstoffbasiert, man davon ausgeht, dass die Flugzeuge der nächsten Generation nur noch etwa die Hälfte des Treibstoffs verbrauchen, den sie heute verbrauchen. Und das wäre natürlich ein gewaltiger Fortschritt.“ (Faul) Die nötige mechanische Stabilität erhalten die „CFK“ genannten Kunststoffe, wie gesagt, durch eingebettete hochfeste Kohlenstoff-Fasern. Die müssen im fertigen Bauteil allerdings so angeordnet sein, dass sie durch die äußeren Kräfte beim Einsatz des Bauteils möglichst nur auf Zug beansprucht werden. Nur dann kommt ihre Stärke auch zum Tragen. Wickelt man die Fasern z. B. wie Nähseide auf ein Pappröllchen, so lassen sich mit Kohlefaser verstärkten Kunststoffen sogar Antriebsachsen für schwere LKW realisieren. Schon vor mehr als 15 Jahren gab es derlei Prototypen, und manche Wissenschaftler prophezeiten damals, dass bald alle Achsen und Federungen in den Autos aus CFK gebaut würden. Und auch tragende Teile der Karosserie. Davon redet heute niemand mehr. Professor Gerhard Wegner, Direktor am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz:„Beim Automobil hätte man das gerne gemacht, aber die Herstellungskosten verbieten sich. Es ist einfach so, dass diese Bauteile für die Flugzeugindustrie per Hand hergestellt werden müssen. So wie der Schneider einen Anzug macht, müssen für den Flugzeugbau die einzelnen Bauteile von Hand ausgeschnitten, verklebt und verpresst werden. Und das ist nicht möglich in einer Fahrzeugproduktion, wo es um Sekunden geht in der Fertigungsgeschwindigkeit einzelner Bauteile. Bisher hat es die Forschung nicht möglich gemacht, Verfahren zu finden, die einer Metallverformung gleichkommen. Das ist einfach nicht der Fall. Und man kann auch nicht absehen, dass es so etwas geben wird. Deswegen haben diese Faser-verstärkten Kunststoffe eine schlechte Vorhersage für den Fahrzeugbau.“ 

Demnächst Autoscheiben aus Kunststoff

Und dennoch können Kunststoffe im Auto künftig vielleicht wesentlich dazu beitragen, Gewicht zu sparen. Nicht als Ersatz für Metall, sondern als Ersatz für das schwere Glas:„Wir arbeiten zur Zeit sehr engagiert daran, Autoscheiben aus Kunststoff herzustellen, aus Polycarbonat, das auch für die CD verwendet wird. Problem ist noch immer die Kratzfestigkeit, und es zeichnet sich ab, dass in den nächsten Jahren zumindest die Seitenfenster und vielleicht auch die Rückscheibe aus Kunststoff gefertigt werden, für die Frontscheibe wird’s eher noch länger dauern. Es gibt zwischen deutschen Kunststoffherstellern und amerikanischen Automobilherstellern ein Joint Venture, wo man sehr engagiert daran arbeitet, das in die Fertigung zu bringen, und es gibt ja bereits erste Fahrzeuge, wo die Seitenscheiben aus kratzfestem Kunststoff sind, wo eben über die Beschichtungstechnik die Kratzfestigkeit erzielt wird.“ (Faul) Bei Brillen gibt es das ja bereits. Optisch hervorragende aber mechanisch unzulängliche Kunststoffe werden mit feinsten Keramikpartikeln beschichtet, die nur Millionstel Millimeter groß sind, den Durchblick nicht im mindesten trüben und dennoch den Kunststoff sicher vor Kratzern schützen. Ein echtes High-Tech-Produkt. Leicht, bequem, bruchsicher. Aber leider nichts fürs Auto. Professor Gerhard Wegner, Mainz:„Die Herstellung solcher Brillengläser ist langwierig. Sie braucht lange Zeit, um zu einer genügenden Aushärtung des Keramik-ähnlichen transparenten Materials an der Oberfläche des Kunststoffs zu kommen, und das verträgt sich nicht mit der Preisgestaltung, die der Kunde letzten Endes bei seinem Automobil haben möchte. Also, im Prinzip ist dies eine Technologie, die funktioniert, aber in der Fertigung zu teuer ist.“ (Wegner) Schnell und kostengünstig ist indes ein Verfahren, das derzeit am Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik in Dresden entwickelt wird. Dort werden Glasschichten auf die Kunststoffe aufgedampft, mit Hilfe von Elektronenstrahlen. Und diese Schichten, die nur sechs Tausendstel Millimeter dünn sind, sollen nahezu ebenso abriebfest sein wie normales Glas.

Erhöhung der Verbrennungsmotoren, um Energie zu sparen

Gewichteinsparung ist eine Möglichkeit, um den Benzin- und Dieseldurst unserer Autos zu verringern. Ein zweiter Weg wäre – wie bei den Kraftwerken – die Verbrennungstemperaturen im Motor zu erhöhen durch den Einsatz keramischer Bauteile. Ähnlich wie bei den Kohlenstoff-Faser verstärkten Kunststoffen waren auch hier viele Forscher vor mehr als zehn Jahren noch recht euphorisch. Aber mittlerweile sieht man es nüchterner. Professor Rainer Telle, Aachen:„Ich sehe das seit jeher etwas kritisch. Ich bin ja am Stuttgarter Max-Planck-Institut groß geworden. Wir haben da sehr viel geforscht über Turbolader, aber auch über keramische Ventile. Und trotz immenser Erfolge ist der Wettbewerb der Metalle nicht außen vor geblieben. Wir haben auch von den Kunststoffen her gute Ansätze, die in Hochtemperaturbereiche von 400 Grad vorstoßen. Da spielt sicher die Zuverlässigkeit und die Kostenrelation die ausschlaggebende Rolle. Es hat in den letzten Jahren Durchbrüche gegeben, in der Fertigungstechnik, in der Schleifbearbeitung, die wieder die Möglichkeit, günstige Keramik-Ventile auf den Markt zu bringen, in den Bereich des Möglichen gerückt haben. Aber ich denke, die Metalle sind da ebenbürtig zur Zeit, und die Vorteile, die die Keramik bringen kann, haben sich nicht so bewahrheitet, wie man sich das vorgestellt hat. Da möchte ich also der Keramik als Strukturwerkstoff im Motor selber nicht die große Zukunft prophezeien, wie das andere Kollegen tun.“ 

In der Medizintechnik ist Keramik unangefochtener Favorit

Unangefochtener Favorit ist die Keramik indes im dritten Feld des Forschungsprogramms MaTech, nämlich der Medizintechnik. Kein Wunder. Schließlich sind auch unsere Knochen eine Art Keramik, zumindest was die chemische Substanz angeht. Durch die gewachsene Struktur allerdings sind Knochen jedem technischen Ersatz noch immer haushoch überlegen. Vorzeigeprodukte keramischer Medizintechnik sind seit vielen Jahren die künstlichen Hüftgelenke:„Problem bei künstlichen Hüften ist heute vielfach, dass nach einer Einsatzdauer von 10 bis 15 Jahren nicht das Material ermüdet ist, sondern die Wechselwirkung zwischen dem natürlichen Knochen und dem künstlichen Implantat zu einer Verschlechterung der Situation führt. Also beispielsweise löst sich diese Hüfte. Und es wäre ein großer Fortschritt, sowohl für den Patienten als auch für die medizinische Technik, wenn die Lebensdauer solcher Implantate deutlich verlängert werden könnte, auf 20 oder gar 30 Jahre.“ (Faul) Große Hoffnungen setzt man hier auf neue keramische Oberflächenbeschichtungen. Nicht nur bio-inert sollen diese Materialien sein sondern bio-kompatibel. Im Klartext: Sie sollen vom Körper nicht nur nicht abgestoßen, sondern möglichst wie körpereigenes Material akzeptiert werden. In Aachen ist man auf diesem Gebiet besonders erfolgreich, nicht zuletzt dank der Tatsache, dass die Werkstoff-Forscher eine der größten Universitätskliniken vor der Haustüre haben. Professor Telle:„Wir haben eine Entwicklung vorangetrieben, die derzeit weltweit einzigartig ist. Wir können nämlich die Bio-Kompatibilität, d. h. die Verträglichkeit, in Werkstoffe hineinbringen, die von vornherein zwar die Festigkeit bringen, die aber bislang nur bioinert waren. Wir haben hier im Hause eine Oberflächenmodifizierungsstrategie entwickelt, wonach wir jede beliebige Oxidkeramik mit einer Schicht versehen können, d.h. es ist eigentlich keine Schicht, sondern das Anhängen von Molekülen, die dem Körpergewebe suggerieren, dass es sich hier um einen bioverträglichen Werkstoff handelt. Die Zellen lagern sich an, die Zellen vermehren sich, wir haben ein Zellwachstum von 160 % gemessen, das entspricht eigentlich dem Idealfall eines normalen körpereigenen Knochenmaterials, und wir sind damit so weit fortgeschritten, dass wir ein Weltpatent angemeldet haben. “Bis zur klinischen Prüfung am Menschen wird es freilich noch ein wenig dauern. Nach den erfolgreichen Zelltests müssen nun erst einmal die (vorgeschriebenen!) Tierversuche gemacht werden.

Resorbierbare Implantate

Ein anderes spannendes Gebiet der medizinischen Materialforschung sind die sogenannten „resorbierbaren“ Implantate. Implantate also, die sich von selbst auflösen, wenn sie ihren Zweck erfüllt haben. Bekannt und längst gang und gäbe sind ja Fäden, mit denen Verletzungen oder Operationswunden vernäht werden und die man nach der Heilung nicht mehr ziehen muss. Aber beim „Flickzeug“ für komplizierte Knochenbrüche auf der Basis desselben Materials ist man mit dem Erreichten noch nicht zufrieden. Wolfgang Faul: “Dieses Implantat muss ja so lange wirklich stabil bleiben, wie der Knochen die Aufgabe noch nicht wieder übernehmen kann. Und im Augenblick ist es so, dass die Implantate dazu tendieren, ich sage mal zu früh ihre Festigkeit zu verlieren. Und das ist natürlich auf gar keinen Fall erwünscht. Hier, denke ich, werden wir noch eine Entwicklungszeit von eher mehr als fünf Jahren vor uns haben, bis wir eine Situation erreicht haben, wo die Stabilität so lange wirklich ausreichend verfügbar ist, wie sie denn auch benötigt wird.“ Günstiger ist die Situation bei künstlichem Knochenersatz auf der Basis von Calciumphosphat. Auch das ist im Grunde eine Art „resorbierbares“ Implantat. Es soll jedoch nicht nach einer bestimmten Zeit völlig verschwinden, sondern optimal einwachsen. Entscheidend für den Erfolg ist hier nicht nur die Chemie, sondern auch die Struktur des Werkstoffs. Nicht massiv wie übliche Keramik müssen diese Teile sein, sondern porös. Und die Poren müssen zudem ganz bestimmte Größen und Formen haben, damit das körpereigene Gewebe entsprechend darauf reagiert. Das im Labor oder in der Fertigung hinzukriegen, ist nicht einfach, aber der Aufwand lohnt sich. Professor Rainer Telle: „Der Vorteil der porösen Calciumphosphatkeramik besteht darin, dass das körpereigene Gewebe dieses Material langsam abbauen kann, weil es ja knochenidentisch ist, und an den Stellen hoher Belastung wieder aufbauen kann. Wir können also dem Körper eine Art Nährsubstanz zur Verfügung stellen für die Selbstreparatur. Das ist sehr wichtig bei Kieferproblemen. Denken Sie an Motorradfahrer, die nach einem schweren Sturz eventuell große Defekte im Kieferbereich haben, wo ganze Knochenstücke einfach fehlen. Da kann man heute solche porösen Calciumphosphatkeramiken einsetzen, die dann im Laufe der Zeit einwachsen.“ Neben den Keramiken spielen Kunststoffe in der Medizintechnik eine ganz herausragende Rolle. Als Membranen in künstlichen Nieren beispielsweise, vor allem aber auch als Basismaterial für die Züchtung biologischer, d. h. gewachsener Ersatzteile wie Haut oder anderer Organe. Nur ein Exempel:„In der Arterienchirurgie werden ganze Gefäße aus Kunststoff oder Kunststoffnetzen eingesetzt, die so konstruiert sind, dass sie von Zellen überwachsen werden und dann nach einiger Zeit vom Körper als körpereigenes Material angesehen werden. Das geht soweit, dass man heute sogar Polymerisationen, also die Herstellung des Kunststoffs, im Körper durchführen kann, so dass es gar nicht mehr nötig ist, zunächst ein Bauteil zu machen, was dann implantiert wird, sondern man erzeugt das Implantat direkt während der Operation im Körper. Das ist phantastisch. Ich selber hätte es vor wenigen Jahren noch nicht für möglich gehalten, dass das geht. Aber es ist machbar.“ (Wegner)

Amalgam-Ersatz: stabil und doch leicht zu verarbeiten

Fast trivial erscheint dagegen das letzte Beispiel für Materialforschung im Bereich Medizintechnik. Aber volkswirtschaftlich ist es dafür umso wichtiger. „Amalgamersatz ist ein Thema, mit dem wir uns von der Werkstoffseite her seit mehreren Jahren beschäftigen. Hier haben wir auch gute Fortschritte erzielt, einen keramischen Werkstoff zu entwickeln, der vom Zahnarzt mühelos verarbeitbar ist in kurzer Zeit, der vom Patienten hinterher uneingeschränkt genutzt werden kann, ohne dass es ihn belästigt, und der nun wirklich frei von quecksilberhaltigen Verbindungen ist. Die Situation, die wir heute erreicht haben ist, dass es mittlerweile Substanzen gibt, keramische Werkstoffe, die auch verarbeitbar sind, wo aber der technische Einsatz noch auf bestimmte Schwierigkeiten stößt, wenn der Patient dann beim Kauen diese neuen Werkstoffe beansprucht. Die Experten und auch die Firmen sagen, dass sie einen hohen Stand erreicht haben, dass man aber für die Umsetzung in die Praxis noch zwei bis drei Jahre weiter entwickeln muss. Aber der Anfang ist gemacht, und es zeichnen sich wirklich ganz interessante Alternativen ab.“ (Faul) Alternativen, die wesentlich kostengünstiger sein sollen als keramische Inlays. Die gibt es ja schon länger. Aber diese kleinen Kunstwerke müssen – wie Kronen – im Dentallabor passgenau angefertigt werden. Was man gerne hätte, ist eine Masse, die so stabil und haltbar ist wie gesinterte Keramik und so leicht zu verarbeiten wie Kunststoff. 

In der Materialforschung höchste Priorität für die Informations- und Kommunikationstechnik

Fast trivial erscheint dagegen das letzte Beispiel für Materialforschung im Bereich Medizintechnik. Aber volkswirtschaftlich ist es dafür umso wichtiger. „Amalgamersatz ist ein Thema, mit dem wir uns von der Werkstoffseite her seit mehreren Jahren beschäftigen. Hier haben wir auch gute Fortschritte erzielt, einen keramischen Werkstoff zu entwickeln, der vom Zahnarzt mühelos verarbeitbar ist in kurzer Zeit, der vom Patienten hinterher uneingeschränkt genutzt werden kann, ohne dass es ihn belästigt, und der nun wirklich frei von quecksilberhaltigen Verbindungen ist. Die Situation, die wir heute erreicht haben ist, dass es mittlerweile Substanzen gibt, keramische Werkstoffe, die auch verarbeitbar sind, wo aber der technische Einsatz noch auf bestimmte Schwierigkeiten stößt, wenn der Patient dann beim Kauen diese neuen Werkstoffe beansprucht. Die Experten und auch die Firmen sagen, dass sie einen hohen Stand erreicht haben, dass man aber für die Umsetzung in die Praxis noch zwei bis drei Jahre weiter entwickeln muss. Aber der Anfang ist gemacht, und es zeichnen sich wirklich ganz interessante Alternativen ab.“ (Faul) Alternativen, die wesentlich kostengünstiger sein sollen als keramische Inlays. Die gibt es ja schon länger. Aber diese kleinen Kunstwerke müssen – wie Kronen – im Dentallabor passgenau angefertigt werden. Was man gerne hätte, ist eine Masse, die so stabil und haltbar ist wie gesinterte Keramik und so leicht zu verarbeiten wie Kunststoff. In der Materialforschung höchste Priorität für die Informations- und Kommunikationstechnik Jenes Forschungsgebiet, das in dieser Übersicht nun am Ende steht, findet sich auf der Prioritätenskala des Programms MaTech an allererster Stelle. Die Informationstechnik. „Wegen hoher Wachstumsraten und der für nahezu alle Branchen wettbewerbbestimmenden Querschnitt- und Schrittmacherfunktion wird die Informationstechnik weltweit mit höchster Priorität eingestuft.“, heißt es dort. Diesem Trend schließt sich das Bundesforschungsministerium vorbehaltlos an. Und das ist strategisch sicher richtig. Aber was sich an Materialforschung auf diesem Gebiet tut, sprengt den Rahmen eines solchen Artikels. Allein mit dem Auflisten der vielen Effekte, die sich heute dank neuer Werkstoffe in mikroelektronischen Bauteilen verwirklichen und nutzen lassen, könnte man leicht mehrere Seiten füllen. Natürlich beherrschen vor allem keramische Werkstoffe dieses Feld. Fast alle Halbleitermaterialien gehören dazu, und deren Verhalten wird bereits durch winzigste Spuren fremder Elemente sprunghaft verändert. So lassen sich neben den klassischen Bauteilen der Elektronik, wie man sie in Computern oder Stereoanlagen findet, heute auch ganz neuartige Chips herstellen. Z. B. Sensoren für alle möglichen physikalischen Messgrößen sowie für ganz bestimmte Chemikalien. Mittlerweile gibt es sogar schon eine elektronische Nase, die Umweltchemikalien buchstäblich riechen kann. Viele Analysen im Labor werden dadurch überflüssig. Die ungeheure Funktionsvielfalt der elektronischen Bauteile auf Keramikbasis lässt indes leicht vergessen, dass auch die Kunststoffe hier eine ganz entscheidende Rolle spielen. Professor Gerhard Wegner vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz:„Die ganze Polymertechnologie ist eine sehr evolutiv ausgerichtete Technologie. Kleine Fortschritte tragen Tag für Tag dazu bei, dass im Verlauf von Jahren große Fortschritte erreicht werden, die wir dann z. B. in Form von Miniaturisierung tragbarer Geräte erkennen können. Wenn man sich daran erinnert, dass ein tragbares Telefongerät noch vor 10 Jahren die Größe eines Aktenkoffers hatte und das Gewicht einer mittleren Tennisausrüstung, und heute daran denkt, dass ich mein Handy in die Hosentasche stecken kann, dann ist das nicht zuletzt ein Fortschritt der Polymertechnologie. Man stellt sich zwar immer vor, dass die Elektronik aus Halbleitern und Kupferleitern bestehe, aber sie wäre ja ohne eine Fototechnologie und eine Fotochemie gar nicht möglich, die es erlaubt, diese miniaturisierten Schalter und Schaltungen zu machen, die sich in diesen Bauteilen finden. Im fertigen Bauteil sind die Polymeren dann evtl. gar nicht mehr enthalten, aber als Prozesshilfsmittel sind sie unabdingbar. Darüber hinaus ist der größte Anteil des Gewichts von tragbaren elektronischen Geräten oft die Batterie, also die tragbare Energieversorgung. Und die wiederum beruht ganz wesentlich auf modernen Polymerwerkstoffen. “Und ein Ende dieser Miniaturisierung ist nicht abzusehen. Nicht einmal beim Handy. Auch wenn die Mobiltelefone aus ergonomischen Gründen kaum noch kleiner werden können, so lassen sich eben bei gleicher Größe mehr Funktionen im Gehäuse unterbringen. Kunststoffe sind im Reich der Elektronik aber nicht nur als Hilfsmittel wichtig für die Produktion der Chips oder als Werkstoff für die Gehäuse. Ohne Flüssigkristalle gäbe es schon bisher keine Bildschirme für Laptops. Und auch die Bildschirme der nächsten Generation basieren auf Kunststoffen:„Die neue Technologie, die jetzt entwickelt wird und die in den nächsten Jahren eingeführt wird, ist die von Leuchtdioden, die auf polymerer Basis beruhen und die Licht abstrahlen, auch bildmäßig abstrahlen, vor dem Hintergrund eines sogenannten Elektrolumineszenz-Effekts. Es handelt sich um spezielle Polymere, die gute Isolatoren sind, in die man aber Ladungsträger – positive und negative Ladungsträger – injizieren kann. Diese Ladungsträger rekombinieren im Material und erzeugen einen leuchtenden Zustand der Moleküle, und diesen Effekt kann man zur Bilderzeugung ausnutzen.“ (Wegner) Seit nunmehr sechs Jahren läuft das Forschungsprogramm MaTech „Neue Materialien für Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts“. Knapp zwei Milliarden Mark haben Steuerzahler und Industrie gemeinsam dafür ausgegeben. Bleibt die Frage: Was wurde bislang mit diesem enormen Aufwand erreicht ?Wolfgang Faul, der Manager – oder wie es offiziell heißt – „Projektträger“ von MaTech im Auftrag des Bundesforschungsministeriums:„Ein Highlight ist zweifellos, dass wir auf dem Gebiet der Werkstoffe für die Verkehrstechnik weltweit führend sind. Ich glaube, dass man ohne etwas Falsches zu sagen, noch immer oder gerade jetzt behaupten kann, dass Automobile, die in Deutschland gefertigt sind, technisch gesehen wirklich spitze sind. Auch im Bereich der Kraftwerkstechnik, um elektrische Energie zu erzeugen mit Turbinen, sind Produkte aus Deutschland international führend. Es gibt die sogenannte Delphi-Studie, die im Auftrag des BMBF 1993 und 1998 durchgeführt wurde. Und in dieser Studie wird der deutschen Werkstofftechnik bescheinigt, dass sie von – ich glaube – 108 abgefragten Feldern in einem guten Drittel eine international führende Position hat, also auch noch vor den USA oder Japan, und dass sie in einem weiteren Drittel vor Japan hinter den USA rangiert, so dass wir also im internationalen Wettbewerb eigentlich ganz gut dastehen.“
 


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