Sie sind hier: Startseite Forschung Nachhaltige Materialien

Nachhaltige Materialien

Nachhaltige Materialien Bibliothek

In der Forschung zum Thema Einsatz von nachhaltigen Materialien in komplexen Systemen werden die Eigenschaften und die Funktionalisierung von technischen und nachwachsenden Materialien sowie deren Einsatz in Bauteilen und Systemen untersucht. Die Generierung von nachhaltigen Systemen beginnt mit der ressourcenschonenden Auswahl und dem Design der Ausgangsmaterialien, setzt sich fort bei deren energieschonender Verarbeitung zu Strukturen sowie bei der Optimierung ihrer Funktion, Lebensdauer und dem Materialrecycling. Durch die Verwendung neuer, optimierter Materialien und Materialsysteme sowie durch neue Herstellungsprozesse lassen sich immer mehr und komplexere Funktionen in Systeme integrieren. Dadurch wird die Erforschung von Verarbeitungsprozessen an die zu integrierende Funktion gekoppelt. Eine nachhaltige Materialforschung enthält idealerweise Komponenten, die ein besseres Verständnis des Werkstoffes ermöglichen, wie etwa durch skalenübergreifende experimentelle und numerische Untersuchungen. Die numerische Simulation aller Verarbeitungsprozesse und der Lebensdauerbelastung sind wichtig, um die Belastbarkeit der Struktur in Abhängigkeit ihrer Nutzungsdauer beschreiben zu können. Thermische, mechanische, dynamische und chemische Prozesse und deren Kombination führen zu einer Alterung der Materialien und Materialsysteme. Das Verständnis und die Auswirkung der Schädigung auf die aktuelle Materialeigenschaft und die Entwicklung von Versagensmechanismen spielen in diesem Zusammenhang eine große Rolle. Damit ermöglicht die Werkstoffforschung einen nachhaltigen Einsatz von Materialien, denn sie verhindert ein  „downcycling“ der Werkstoffe und sorgt dafür, dass die Rohstoffe in der nächsten Produktgeneration wiederverwendet werden können. 

Zum Erhalt solcher nachhaltiger Systeme ist daher sowohl eine breit angelegte, grundlagennahe Materialforschung als auch eine Fokussierung auf konkrete Anwendungen erforderlich. Diese Strategie muss in drei Handlungsfeldern umgesetzt werden:

  • Substitution/Wiederverwertung
    Ersatz von konventionellen Materialien durch nachwachsende Rohstoffe und Wiederverwendung von eingesetzten Materialien
  • Langlebigkeit
    Verlängerung der Zeit bis zum Ersatz des Systems
  • Optimierung
    hohe Performance der Systeme bei gegebenem Materialeinsatz

Um die geschilderten strategischen Ziele zu erreichen, werden am INATECH weitere Forschungsarbeiten durchgeführt, die sich nach folgenden Forschungsfeldern gliedern:

Substitution und Wiederverwertung von Materialsystemen
Die Material- bzw. Stoffsubstitution hat zum Ziel, bekannte Materialien und Stoffe durch innovative Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen und aus Recyclingprodukten bzw. Abfällen zu ersetzen, um damit eine Arbeitsweise in Lebenszeitzyklen zu ermöglichen. Hierbei ist es zentral herauszufinden, wie dieses Material nach Beendigung der Lebenszeit wieder Ausgangsstoff für eine erneute Materialgenerierung sein kann (‘cradle to cradle‘). Damit verbunden ist eine gezielte Suche nach Substitutionsmaterialien und nach Möglichkeiten, diese  aufgrund der mehrdimensionalen Anforderungen weiter zu optimieren. Ziel ist die Integration in das Design von bestehenden Systemen und die Implementierung in neue, nachhaltige Prozessketten zur Materialverarbeitung und zum Systembau. Bei der Herstellung von bio-basierten Materialien, z.B. aus Reststoffen der Landwirtschaft und forstbasierten Rohstoffen, werden Bio-Werkstoffe gewonnen, ohne dabei in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion zu treten. Diese Bio-Werkstoffe werden unter anderem im Konstruktionsbereich angewendet, etwa als pflanzenfaserverstärkte Kunststoffe und thermoplastisches Holz, werden aber auch zu bio-basierten Dämmstoffen und Materialien für die Biomedizin verarbeitet.

Langlebigkeit von Systemen
Für die nachhaltige Anwendung müssen die Degradationsmechanismen in diesen Werkstoffen verstanden werden. Nur dadurch können eine hohe Zuverlässigkeit und eine lange Lebensdauer erreicht werden und  eine Reduktion der Eigenschaften beim Recyceln möglichst verhindert werden. Hier kommt heute verstärkt Integrated Computational Materials Engineering (ICME) in Kombination mit speziellen experimentellen Hochdurchsatzmethoden zum Einsatz, die durch die enge Verbindung von Simulation und Experiment zur schnellen Findung von neuen Materialien beitragen. Wenn die in solchen Systemen eingesetzten Materialien versagen, sollen sie die Fähigkeit zur stofflichen Selbstreparatur bzw. Selbstheilung aufweisen.

Optimierung funktionaler Systeme
Im Bereich der systemintegrierten Funktionsmaterialien arbeiten wir mit verschiedenen Werkstoffen: Multifunktionale und bioaktive Materialien sowie organisch/anorganische und biologisch/synthetische Hybride und intelligente Werkstoffe („Smart Materials“) ermöglichen eine Systemintegration und erzeugen spezifische Funktionen für Energiewandlung, Energiespeicherung, Aktorik/Sensorik, Elektronik, Biomedizin und Adaptionsfähigkeit durch Interaktion mit der Umwelt. Einige Beispiele hierfür sind Brennstoffzellen oder Batteriesysteme und die dafür benötigten Membranen, Elektrokatalysatoren, Elektrolytsysteme und Membransysteme für die Wasserreinigung. Transparente Elektrodenmaterialien auf Basis nachhaltig verfügbarer Elemente für Elektronik- und Photovoltaik-Anwendungen runden die exemplarische Auswahl an Themen ab.

In der Optimierung von Materialsystemen werden dabei die Langlebigkeit sowie die Auswahl, Wiederverwertung und Substitution zu Nachhaltigen Ingenieursystemen zusammengeführt.

Engineering of Functional Materials
Diese Forschungsrichtung trägt dem gegenwärtigen Trend der Materialwissenschaften hin zu einem komplexeren Aufbau von Werkstoffen Rechnung, in welchen die Vorteile der verschiedenen traditionellen Werkstoffklassen gezielt kombiniert werden. Dieser Ansatz  berücksichtigt darüber hinaus  die hierfür benötigte komplexere Prozessführung zur Herstellung der Materialien. Durch eine grundlagenorientierte Ausrichtung der Aktivitäten ergibt sich die Perspektive, Werkstoffe mit maßgeschneiderten Bulk- und Oberflächeneigenschaften unter Verwendung numerischer Methoden sowie gezielter experimenteller Untersuchungen zu definieren. Dabei wird durch die Miniaturisierung/Reduktion des Volumens ein geringerer Materialeinsatz von Bedeutung sein. Dieser Aspekt wird  im Wesentlichen durch die Kooperation mit dem IMTEK bearbeitet.