Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) schlägt einen strategischen Kurswechsel in der Materialforschung vor, mit dem sich Hochleistungswerkstoffe künftig langlebiger, sicherer und ressourcenschonender gestalten lassen. In einem Perspektivbeitrag legen die Forschenden dar, wie sich Werkstoffe für Batterien, Wasserstofftechnologien, Windkraftanlagen, die Energieumwandlung, chemische Prozesse und moderne Elektronik so entwickeln lassen, dass ihre Stabilität, Wiederverwendbarkeit und Rohstoffverfügbarkeit von Beginn an mitgedacht werden.
Hintergrund des Vorstoßes sind wachsende Abhängigkeiten von kritischen Rohstoffen, eine begrenzte Recyclingfähigkeit und Leistungsverluste im praktischen Einsatz. Statt Werkstoffe allein auf maximale Leistungswerte zu optimieren, rückt der Ansatz ihre langfristige Stabilität, ihre Wiederverwendbarkeit und die Verfügbarkeit der benötigten Rohstoffe in den Vordergrund.
Vom Labor in den Dauereinsatz
Über die Tauglichkeit eines Werkstoffs entscheidet aus Sicht der Forschenden nicht der Spitzenwert im Labor, sondern das Verhalten unter realen Bedingungen über viele Jahre. „Das Gelingen der Energiewende entscheidet sich nicht daran, ob ein Material im Labor Höchstwerte erreicht, sondern ob es über Jahre hinweg zuverlässig in der Praxis funktioniert, reparierbar ist und vor dem Hintergrund veränderlicher Rohstoffbedingungen eingesetzt werden kann“, sagt Andrea Stucchi de Camargo, eine der Mitautorinnen des Beitrags.
Wie tragend diese Perspektive ist, zeigt sich an Windenergieanlagen. Leichtbauteile aus modernen, hochfesten Stählen können dort wertvolle Ressourcen einsparen und den Bau effizienterer Offshore-Türme ermöglichen, müssen jedoch über lange Zeiträume hohen mechanischen Belastungen standhalten. Zugleich wächst das Bestreben, chemisch komplexe Werkstoffe wie Hochleistungsstähle stärker als bisher im Kreislauf zu führen. Die Forschenden der BAM sehen darin keinen Zielkonflikt, sondern eine Gestaltungsaufgabe.
Drei Stellhebel für widerstandsfähigere Werkstoffe
Den Kern des Ansatzes bilden drei Designstrategien, mit denen sich Werkstoffe gezielt robuster gestalten lassen. „Wir haben in den letzten Jahren gelernt, Materialien immer leistungsfähiger zu machen. Jetzt müssen wir sie gleichzeitig robuster, langlebiger und nachhaltiger gestalten“, sagt Tilmann Hickel, Materialwissenschaftler an der BAM und Erstautor des Beitrags. „Ein Material ist nur dann wirklich zukunftsfähig, wenn es auch unter realen Einsatzbedingungen langfristig funktioniert.“
Die erste Strategie ersetzt kritische oder knappe Elemente gezielt durch Kombinationen häufiger verfügbarer Alternativen, ohne die Leistung zu mindern. Beim sogenannten „Defekt-Engineering“ werden Unregelmäßigkeiten im Material, etwa zwischen internen Grenzflächen oder Nanostrukturen, bewusst beeinflusst und genutzt, um Eigenschaften wie Stabilität oder Funktion zu steuern. Die dritte Strategie, von den Forschenden als „Managing Diversity“ bezeichnet, setzt statt auf wenige chemische Bausteine auf eine große Vielfalt kombinierter Elemente, um Hochleistungswerkstoffe robuster zu machen und mehrere Anforderungen zugleich zu erfüllen.
Hochleistungswerkstoffe ersetzen kritische Rohstoffe
Der Perspektivbeitrag stützt sich nicht allein auf theoretische Überlegungen, sondern auf zahlreiche Beispiele aus der angewandten Forschung. In mehreren Materialklassen ist es bereits gelungen, kritische oder knappe Elemente teilweise zu ersetzen, die Funktion über lange Zeiträume zu erhalten und typische Zielkonflikte zwischen Effizienz und Haltbarkeit aufzulösen. Damit erweisen sich Hochleistungswerkstoffe als gestaltbar, ehe neue Rohstoffengpässe entstehen.
So lässt sich der teure und geopolitisch besonders kritische Rohstoff Kobalt in Akkus bereits heute durch chemisch komplexe Batteriematerialien teilweise ersetzen. In Brennstoffzellen funktionieren neue protonenleitende Materialien dank chemischer Vielfalt selbst bei Temperaturen, bei denen herkömmliche Werkstoffe bisher versagen. Und in Katalysatoren, die für viele chemische Prozesse unverzichtbar sind, erreichen mehrkomponentige Metalllegierungen eine ähnliche Effizienz wie das Edelmetall Platin. Solche Ergebnisse stützen die Erwartung, dass sich Hochleistungswerkstoffe künftig zugleich leistungsfähig und ressourcenschonend auslegen lassen.
Originalpublikation: Tilmann Hickel, Anja Waske, Ali Tehranchi, Biswajit Bhattacharya, Tomasz M. Stawski, Tim-Patrick Fellinger, Asad Mehmood, Julia Witt, Ozlem Ozcan, Ana Guilherme Buzanich, Sourabh Kumar, Rajesh Kumar Mishra, Marco Holzer, Andrea Simone Stucchi de Camargo, Leonardo Agudo Jácome, Anna Manzoni, Andrea Fantin, Elisabeth John, Vasile-Dan Hodoroaba, Sophia Bührig, Jegatheesan Murugan, Niklas Marschall, Janine George, Reza Darvishi Kamachali, Robert Maaß, Franziska Emmerling. Chemically complex materials enable sustainable high-performance materials. IN: Current Opinion in Solid State and Materials Science, Volume 42, 2026, 101256, ISSN 1359-0286, https://doi.org/10.1016/j.cossms.2026.101256
