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Intelligente Materialien und Technologien – die Zukunft von heute

Intelligente Materialien passen sich ohne menschlichen Einfluss an Umweltveränderungen an, erinnern sich an ihre Form oder reparieren sich sogar selbst. Diese Smart Materials vereinfachen nicht nur unseren Alltag, sondern bieten gleichzeitig auch Lösungen für die Rohstoffnachfrage der Zukunft.

Smart Materials am ersten Formel-E-Rennen in der Schweiz

Weltweit wird die Elektromobilität erforscht. Symbolisch für die zunehmende Bedeutung dieses Themas war die Austragung des Formel-E-Rennens in der Stadt Zürich im Juni dieses Jahres. Dabei präsentierten Experten aus Wirtschaft und Forschung die Fahrzeuge der Zukunft: Hybrid- und Elektroautos.

Doch wie schaffen es elektrisch angetriebene Autos, eine so hohe Geschwindigkeit zu erreichen? Der Schlüssel zum Erfolg der einfachen E-Mobilität bis hin zu E-Rennwagen ist der Antrieb mit Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Diese Batterien ermöglichen es, die Schadstoffbelastungen im Vergleich zu Benzin- und Dieselfahrzeugen zu verringern und der Luftqualität Sorge zu tragen. Mit der Entwicklung von noch leistungsfähigeren und umweltschonenderen Batterien ist es somit nur eine Frage der Zeit, bis unsere Strassen von Elektrofahrzeugen dominiert werden.

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Intelligente Materialien treiben den Markt für elektrische Fahrzeuge voran

Bis 2030 werden 72 Prozent aller Fahrzeuge in irgendeiner Form elektrisch angetrieben sein. Das stärkste Wachstum wird bei vollständig elektrisch angetriebenen Fahrzeugen erwartet.

VM = Verbrennungsmotor (einschliesslich Start/Stopp)
MHEV = Mildhybridfahrzeug (48 Volt, Energierückgewinnung)
HEV = Vollhybridfahrzeug (Start/Stopp, Energierückgewinnung, Leerlauf und «Segeln», Elektromodus)
PHEV = Plug-in-Hybridfahrzeug (wie Vollhybrid mit eingebautem Ladegerät)
EV = Elektrofahrzeug

Quelle: RobecoSAM

Energiespeicher hergestellt aus intelligenten Materialien

Im Falle von Formel-E-Rennwagen ermöglichen die 200 Kilogramm schweren Lithium- Ionen-Akkumulatoren eine Beschleunigung von 0 auf 100 Stundenkilometer in 2,9 Sekunden. Die Rennwagen können eine Maximalgeschwindigkeit von 225 Stundenkilometern erreichen. Diese leistungsstarken Batterien sind das Ergebnis jahrzehntelanger Forschung mit Lithium und ein prominentes Beispiel für einen Energiespeicher, der aus verschiedenen Smart Materials besteht.

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Aufbau einer Lithium-Batteriezelle aus Smart Materials

Jede Zelle einer Lithium-Ionen-Batterie besteht aus einer Kathode und einer Anode, einem Separator sowie einem Elektrolyten. Für die Anode wird häufig Graphit verwendet. Beide Elektroden können Lithium-Ionen zwischen den Netzebenen einlagern.

Quelle: Physik Journal 13 (2014), Nr. 10

Die Suche nach noch besseren Energiespeichern, die stärker, leichter und kleiner sind, ist aber noch lange nicht abgeschlossen. Bessere Anoden in Lithium- Ionen-Akkus sollen Lebensdauer und Speicherkapazität erhöhen sowie die Ladezeit verkürzen, und zwar mit Hilfe neu entwickelter intelligenter Materialien. Dieses Beispiel zeigt, dass der Weiterentwicklung in der Mikrostruktur von Materialien keine Grenzen gesetzt sind.

Ressourcenknappheit fördert den Einsatz von Smart Materials

Was sich aber im Labor erforschen lässt, muss sich im breiten Einsatz in der Elektroindustrie erst noch bewähren. Insbesondere führen uns limitierte oder erschwerte Zugänge zu Rohstoffen vor neue Herausforderungen. Die politische Instabilität in der Demokratischen Republik Kongo, die wirtschaftliche Beziehungen erschwert, ist im Falle von Kobalt (ein wichtiger Bestandteil von Lithium-Ionen- Batterien) ein Beispiel dafür.

Zwar gehen Experten davon aus, dass Batteriegrundstoffe wie Lithium oder Kobalt vorerst noch ausreichen. Dennoch streben Industrien danach, neue Vorkommen zu finden, effizientere Fördermethoden zu entwickeln und alte Batterien zu recyceln. Die Entwicklung von effektiveren Verfahrenstechniken bei der Gewinnung und Verarbeitung von Batterierohstoffen sowie die Suche nach neuen geeigneten Materialien ist somit von grossem wirtschaftlichem Interesse.

Der 3D-Drucker kann auf bis zu 100 verschiedene Materialien zurückgreifen, die nach Bedarf in Form und Art verändert werden.

Intelligente Materialien erfordern intelligente Technologien

Zu den intelligenten Materialien zählen aber nicht nur Lithium-Ionen-Akkus, die uns umweltfreundlicher und leiser Auto fahren und länger telefonieren lassen. Abdunkelnde und thermoregulierende Fensterscheiben oder Gegenstände, die ihre Grösse und Form ändern oder Erinnerungsvermögen aufweisen, sind weitere Beispiele aus der Welt der Smart Materials. Ohne entsprechende Technik in Gestalt von modernster Computersoftware, Robotern und anderen hochsensiblen Maschinen wären das Erforschen neuer intelligenter Materialien und deren Einsatz in der Praxis jedoch undenkbar.

Intelligente Technologien in verschiedenen Bereichen einsetzbar

Bei dreidimensionalen Druckmaschinen handelt es sich beispielsweise um eine Entwicklung, die in der Industrie bereits seit einigen Jahren zum Einsatz kommt. Das zu erstellende Zielobjekt wird eingescannt und auf den Computer übertragen, damit Designer das Objekt konstruieren können. Der Drucker kann dabei auf bis zu 100 verschiedene Materialien zurückgreifen, die im Druckvorgang in dünnen Schichten aufgetragen und nach Bedarf in Form und Art verändert werden.

Aus der Medizin und der Luftfahrt, dem Automobilbau, aber auch aus der Architektur ist der 3D-Druck nicht mehr wegzudenken. Unabhängig davon, wie verschieden die 3D-Drucker konstruiert sind, bleibt das Resultat immer das gleiche – ein gebrauchsfertiges und effizient erstelltes Produkt. Die präzise Verarbeitung von Materialien ermöglicht somit eine nicht nur kostengünstige, sondern auch ressourcenschonende Produktion, was die Nachfrage nach 3D-Druckern weiter erhöht.