Saarbrücken · Die Saarbrücker Spezialisten für smarte Materialsysteme, Prof. Stefan Seelecke und Prof. Paul Motzki, werben für einen Technik-Campus am Zentrum für Mechatronik (ZeMa). Sie glauben, die Transformation der saarländischen Industrie entscheidend voranbringen zu können. Die Landesregierung zeigt offenbar Interesse an den von ihnen entwickelten smarten Materialien. Um welche Chancen geht es dabei?
Innovationen werden zwar händeringend gesucht und gelten in Deutschland – und damit natürlich auch im Saarland – als entscheidende Zukunftswährung. Aber wenn es dann eine Novität gibt, ist längst nicht ausgemacht, dass daraus auch etwas wird. Weil jede Innovation sich auch rechnen, also rentieren, muss. Womit die Probleme beginnen: Wie sichert man sich eine Innovation? Wie finanziert man ihre Umsetzung? Und wer hält am Ende den Kopf dafür hin? Wie lautet nochmal der alte Spruch? Wer wagt, gewinnt.
Nägel mit Köpfen machen
"Die Karten liegen auf dem Tisch", sagt Paul Motzki, der die Brückenprofessur für "Smarte Materialsysteme für innovative Produktion" an der Universität des Saarlandes (UdS) und dem Saarbrücker Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMa) innehat. Mit anderen Worten: Jetzt wäre es an der Landesregierung, Nägel mit Köpfen zu machen und eine der womöglich vielversprechendsten Zukunftsinvestitionen für das Saarland aufs Gleis zu setzen.
Welche Karten? Und welche Zukunftsinvestition? "Wir würden hier gerne einen Technologie-Campus aufbauen und das Knowhow mit maximaler Geschwindigkeit zur Produktionsentwicklung führen, sprich zu fertigen Produkten", holt Stefan Seelecke, Professor für intelligente Materialsysteme an der UdS, aus. Zum einen forscht das Team von Seelecke und Motzki seit Jahren zur Elastokalorik, einer klimaschonenden Kühl- und Heiztechnologie, die sich das ungeheuere Energiepotenzial sogenannter Formgedächtnisdrähte zu Nutze macht. Superelastische Nickel-Titan-Legierungen – von Motzki und Seelecke fast liebevoll "NiTis" genannt – erwärmen sich, zieht man sie in die Länge. In Ruhestellung kühlen sie wieder merklich ab.
Das Potenzial freigesetzter Energie
Die freigesetzte Energie ist gut zehnmal höher als die aufgewendete. Bei ihrer Verformung wird in beiden Richtungen extrem viel Energie frei, die sich für Kühl- wie auch für Klimatechnik nutzen lässt. Auch mit Blick auf Industrieanwendungen sei das "ein ganz heißes Thema", meint Motzki. Der Saarbrücker Lehrstuhl gilt auf dem Feld der Elastokalorik weltweit als führend.
Einsatz in Medizin, Sport, Virtual-Reality-Industrie
Weil die Saarbrücker gleichzeitig auch noch zu "elektroaktiven Polymeren" (EAP) forschen, bei denen extrem dehnbare Elektroden auf hauchdünne Silikonfolien aufgedruckt werden, die kleinste Bewegung nicht nur auslösen und messen, sondern diese Impulse auch übertragen, hat sich auch noch ein zweiter Anwendungsbereich smarter Materialien aufgetan. Sei es in der Medizin, im Sport oder in der Virtual-Reality-Industrie.
Die Saarbrücker Materialsystemforscher glauben damit gleich mehrere Zündschnüre im Köcher zu haben, die nun darauf warten, gezündet, also erprobt und zur industriellen Anwendung gebracht zu werden. Um neue Arbeitsplätze zu schaffen oder bestehende zu sichern. "Unser Ziel ist es, eine Produktion dafür im Saarland aufzubauen. Das kann groß werden", sagt Seelecke und hat dabei wie Motzki den Transformationsfonds des Landes im Blick.
Industrielles Standortpotenzial im Saarland
Drei Dinge ließen sich dabei gewinnbringend verknüpfen: 1) der durch jahrzehntelange Grundlagenforschung gewonnene Vorsprung am Uni-Lehrstuhl in Sachen Elastokalorik, 2) das über 15 Jahre gewachsene anwendungsbezogene Knowhow am Saarbrücker ZeMa und nicht zu vergessen 3) das Standortpotenzial des Saarlandes in Sachen weiterverarbeitender Industrie, für die sich Formgedächtnislegierungen, aber auch elektroaktive Polymere womöglich als profitable Zukunftshebel erweisen könnten.
80 Mitarbeiter hat der Saarbrücker Lehrstuhl inzwischen und als Referenz rund 120 Industrieprojekte in seinem Portfolio. Als Seelecke und Motzki 2021 mit einem Businesspartner gemeinsam als Lehrstuhl-Ausgründung die Firma "mateligent" anmeldeten, hatten sie zwar bereits das Anwendungspotenzial sogenannter intelligenter Materialien vor Augen.
Kauf einer US-Technologieabteilung
Richtig Fahrt nahm das Ganze dann aber erst auf, als sie im vergangenen Jahr unter finanzieller Mithilfe der Montan-Stiftung-Saar die (von einem Ex-Postdoc Seeleckes geführte) Technologieabteilung einer großen US-Firma übernahmen, die über gut 150 internationale Patente verfügte. Darunter viele im Bereich smarter Textilien, mit denen sich etwa der Sauerstoffgehalt im Blut von Sportlern überwachen lässt oder das Muskelwachstum nach einer Operation.
Mit Folientechnologie auf der Hannover Messe
Diese Woche ist der Lehrstuhl gleich mit mehreren Projekten auf der Hannover Messe (Halle 2, Stand B10) präsent. Auch die in Saarbrücken weiterentwickelte Folientechnologie wird das Team von Seelecke und Motzki dort vorstellen. Die aus sogenannten "dielektrischen Elastomeren" bestehenden Folien sind nur 50 Mikrometer dick und wirken durch die aufgedruckten leitfähigen Elektroden wie eine zweite, fühlende Haut. Bewegungssignale können darüber empfangen und weitergeleitet werden, erklärt Motzki.
Werden die Elektroden unter Spannung gesetzt, ziehen sie sich zusammen und "stauchen die Folie, die zur Seite ausweicht und dabei ihre Fläche vergrößert". Weil das elektrische Bewegungsmuster Punkt für Punkt physikalisch messbar ist, lassen sich die entsprechenden Schwingungen mit Hilfe spezieller Sensortechnik und dem Umwandeln von Signalen in Bewegung (im Fachjargon Aktorik genannt) damit prinzipiell auch auf einen anderen Menschen übertragen.
Welches Anwendungsspektrum es für diese smarten Elektrodenfolien gibt, wollen die Saarbrücker Forscher auf der Hannover Messe anhand einer ganzen Palette intelligenter Materialsysteme veranschaulichen. Sie reicht vom Einsatz in Schuhsohlen über Sportshirts oder andere smarte Textilien bis hin zu Arbeitshandschuhen für die Industrie 4.0. Denkbar wäre ein Folienmembran-Einsatz auch in der Fördertechnik, weil die Energieeffizienz von smarten Ventilen auf Basis von dielektrischen Elastomer-Aktoren (DEA) um den Faktor 400 höher ist als bei elektromagnetischen Ventilen.
Smarte Greiftechniken
Noch weiter gediehen ist ein anderes Projekt der Materialsystem-Spezialisten, die mittlerweile durch die Junior-Professor von Gianluca Rizzello Verstärkung in Sachen Mechatronik- und Robotik-Systemen erhalten haben. Hier spielen die "NiTis" (die eingangs erwähnten Formgedächtnislegierungen) und deren Einsatz in der Automatisierungstechnik eine zentrale Rolle. Sofern sich smarte Greiftechniken am Markt durchsetzen, könnte die Pneumatik, also der Einsatz von Druckluft zum Bewegen von Greifarmen in der Industrie, bald ausgedient haben.
VW als möglicher Pilotkunde?
So spielt der Saarbrücker Lehrstuhl seit Längerem mit Volkswagen den Einsatz rein elektrisch betriebener Greifsysteme in den VW-Produktionshallen durch. NiTi-Legierungen könnten, künstlichen Muskeln gleich, in der "Fabrik der Zukunft" als absolut geräuschlose und äußerst energieeffiziente Vakuumgreifer agieren. Und der bisherige Projektpartner VW so "zu einem unserer Pilotkunden werden", umreißt Prof. Motzki die Vision des Ganzen.
Dazu aber müsste aus Landesmitteln die bestehende Lücke zwischen Forschung und Praxis durch den Ausbau der anwendungsbezogenen Produktionsforschung in enger Partnerschaft mit Unternehmen geschlossen werden. Ein Gesamtpaket wäre zu schnüren: Aufbau eines Technik-Campus und der Bau von Produktions- und Laborstätten für Prototypen. Platz wäre am ZeMa-Standort am Fuße des Eschbergs. Auf Landesseite hat man das Potenzial der Materialsysteme offenbar erkannt. "Um eine innovative Technologie zu etablieren, ist es wichtig, die ersten Schritte am Markt zu machen", sagt Seelecke. Mit den drei Standbeinen NiTis, elektroaktive Polymere und smarte Textilien könnte das Triumvirat Seelecke, Motzki, Rizzello, da womöglich gleich drei Asse in der Hand halten.
Mikro-Massage heilender Knochen
Eigentlich könnte es sogar noch ein viertes geben: Sind Motzki und Seelecke doch als Ingenieurwissenschaftler auch noch an einem faszinierenden medizinischen Forschungsprojekt beteiligt, das unter Leitung der Homburger Unfallchirurgie unter Prof. Tim Pohlemann und dem Lehrstuhl für Innovative Implantatentwicklung von Prof. Bergita Ganse von der Werner Siemens-Stiftung mit acht Millionen Euro gefördert wird. Smarte Implantate sollen nach OPs nicht nur die Knochenheilung überwachen, sondern auch unter Einsatz der NiTi-Drähte via Smartphone steuerbare Mikro-Massagen zur optimalen Frakturheilung ermöglichen. Klingt vielversprechend. Nur dass der Weg von der Grundlagenforschung zum marktreifen Produkt eben sehr, sehr lang ist – zumal, wenn es um Zulassungsverfahren für solche Implantate geht.
Anders sieht dies nicht nur bei manchen smarten Textilien aus, sondern insbesondere auch bei den industriellen Anwendungen, die die Elastokalorik-Spezialisten Seelecke und Motzki im Blick haben. Vor eineinhalb Jahren erhielten sie vom Bundesforschungsministerium für diese eine Förderzusage über 17 Millionen Euro.
Das Saarland als Modellregion?
Ziel des über neun Jahre geförderten saarländischen Forschungsverbundes (neben der Uni und dem ZeMa sind dabei auch die Saarbrücker HTW und die Montanstiftung Saar im Boot) ist es, die Kühl- und Klimatechnik mittels der Nickel-Titan-Wunderdrähte energieeffizient umzubauen. Das Saarland könnte hier zur Modellregion und zum industriellen Vorreiter werden. Vor eineinhalb Jahren meinten Seelecke und Motzki im SZ-Gespräch, die Elastokalorik könne zum wichtigen Transformationsmotor werden. Heute setzen sie noch eins drauf und sprechen von einer einmaligen Chance.