Sustainable Materials

Handwerk und Industrie benötigen unterschiedlichste Werkstoffe für die Produkte, die sie herstellen. Künftig wird die Produktion von und mit Werkstoffen – ob zur Herstellung einer Wasserflasche, eines Automobils oder eines Wolkenkratzers – zu einer gewaltigen Herausforderung, denn insbesondere kohlenstoffbasierte Materialien sind endlich und klimaschädlich und müssen über kurz oder lang ersetzt werden. Im Leistungszentrum Nachhaltigkeit werden daher Technologien und Lösungen erforscht, die von der Neuentwicklung biobasierter Materialien über ressourceneffizienten Einsatz, Leichtbau, Recyclingfähigkeit und nachhaltige Produktion von Werkstoffen bis hin zur nachhaltigen Stoffumwandlung reichen.

Forschungsthemen

Bioaktive und bioinspirierte Materialien

In der Bionik geht es darum, Naturphänomene zu erforschen, zu verstehen und für den Menschen nutzbar zu machen. Das reicht vom Kleben des Muschelklebers über die Selbstreinigung beim Lotus-Effekt bis hin zur Umwandlung von Licht- in chemische Energie bei der Photosynthese. Schon jetzt werden biologisch wirksame Substanzen für spezifische Wirkungen in lebenden Organismen eingesetzt, insbesondere als Pharmawirkstoffe und Agrochemikalien. Durch die weitere Erforschung solcher Wirkstoffe sollen künftig mehr Mechanismen und Wirkstoffe aus der Natur für die Produktion von Materialien nutzbar gemacht werden. Neben der Entwicklung neuartiger Werk- und Wirkstoffe verfolgt die Forschung dabei noch weitere Ziele: Tierversuche sollen reduziert, Stoffe ressourcen- und energieeffizient hergestellt sowie Arzneimittelrückstände in der Umwelt vermindert bzw. ganz vermieden werden.

Grundlagen der Werkstoffe

Grundlagennahe Materialforschung ist nötig, um die Palette nachhaltiger Werkstoffe und Funktionsmaterialien zu erweitern. Hierzu werden verschiedene bereits existierende Forschungsstränge gebündelt und erweitert. Das Spektrum reicht dabei von der theoretischen Beschreibung und Simulation von Materialien über die Materialsynthese, die Nutzung erneuerbarer Ressourcen bis hin zum Maßschneidern von Ober- und Grenzflächen. Ziel der Forschung ist es, die Vielfalt an Materialien zu erhöhen und deren Systemintegration zu verbessern.

Materialsubstitution

Weil Ressourcen endlich und zahlreiche Stoffe umwelt- und klimaschädlich sind, geht es zunehmend darum, Materialien durch andere – weniger schädliche – zu ersetzen. Ziel der Forschung ist es zunächst, entsprechende Substitutionsmaterialien zu finden, sie anschließend in das Design bestehender Systeme zu integrieren und in neue Prozessketten zu implementieren. Damit diese Stoffe nachhaltig angewandt werden können, müssen ihre Materialeigenschaften über lange Zeiträume untersucht werden. Nur so kann garantiert werden, dass sie eine hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer erreichen, und kann verhindert werden, dass beim Recyceln eine Reduktion der Eigenschaften eintritt.

Optimierung und Anwendung von Materialien

Auf die Grundlagen- und die Substitutionsforschung folgt die Angewandte nachhaltige Werkstoffforschung. Sie erforscht die Nutzung von neuen Materialien in der Praxis. Dazu werden Eigenschaften und Funktionalisierung von technischen und nachwachsenden Materialien und deren Einsatz in Bauteilen und Systemen untersucht: Werden mit der Auswahl von Materialien Ressourcen geschont? Können sie energieeffizient verarbeitet werden?  Und wie verhalten sich Strukturen, Lebensdauer, Degradation und Recyclingfähigkeit der Materialien in der praktischen Anwendung?

Produktion

Neben den verwendeten Materialien entscheiden auch die Produktionsprozesse darüber, wie nachhaltig eine Wirtschaftsweise ist. In diesem Forschungsbereich sollen neue und veränderte Produktionsprozesse entwickelt werden, um deren negativen Einfluss auf die Umwelt zu minimieren, um den Energie- und Rohstoffeinsatz zu reduzieren und um sie für Mitarbeiter und Gesellschaft sicherer und wirtschaftlich lohnender zu machen. In einem ganzheitlichen Ansatz wird die gesamte Prozesskette mittels ausgefeilter Analytik untersucht: der Einsatz von Energie und Rohstoffen, deren Funktionalisierung, Formgebung und Eigenschaftsoptimierung, die Kontrolle und auch die Transportketten.

Stoffumwandlung

Chemische Prozesse zur Herstellung von Materialien sind meist energie- und abfallintensiv. Eine neue, nachhaltige chemische Stoffumwandlung soll in Zukunft mit weniger Energie auskommen, Abfall- und Nebenprodukte vermeiden, eine sichere Prozessführung gewährleisten sowie nachwachsende Rohstoffe einsetzen. In dem Forschungsfeld „Stoffumwandlung“ geht es darum, dazu benötigte neue Katalysatoren und Biokatalysatoren (weiter) zu entwickeln.

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