Solar Curtain ist der Prototyp einer energieautarken Verschattung. Das Bild zeigt die Anwendung im Wohnumfeld.

THEMA von Holger Kunze

 

Das mit Bundesmitteln geförderte Innovationsnetzwerk smart³ hat sich vorgenommen, bis 2021 intelligente Funktionswerkstoffe im Alltag der Menschen ankommen zu lassen, so genannte Smart Materials.

 

Beteiligt sind nicht nur Ingenieurwissenschaften, sondern auch Design, Wirtschafts- und Sozialwissenschaften, ja sogar die Psychologie. Aus gutem Grund: Smart Materials bedeuten einen Paradigmenwechsel in der Produktwelt. Sie werden vorhandene Produkte verändern und neue hervorbringen – wenn sie richtig eingeführt werden. Das ist keine Aufgabe für Ingenieure allein. Gebraucht werden auch Fachleute, die sich mit den Wünschen und Ängsten der Menschen auskennen. Dafür hat smart³ einen einzigartigen interdisziplinären Ansatz gewählt.

 

Das Publizieren der Ergebnisse über Fachgrenzen hinaus ist Teil der Aufgabe. Das Magazin merlin zählt zu den Medien, die dabei helfen sollen. Den Titel der ersten Ausgabe schmückt ein Bild, das so gar nicht nach Technik aussieht – und auch keine ist. Gezeigt wird ein Objekt der Hallenser Künstlerin Beate Eismann, das mit Smart Materials arbeitet. Es entstand im Rahmen von smart³. Interdisziplinarität ernst zu nehmen heißt auch, eine solche sinnliche Annäherung ans Thema zuzulassen.

 

Fast alles, was innovativ ist, dreht sich heute um Informationstechnologie. Meint man. Bei Lichte besehen, ist es ein Klischee, das vom Reproduzieren zwar größer wird – aber darum nicht wahrer. Tatsächlich haben fast 70 Prozent aller Innovationen mit Werkstoffen zu tun, ganz materiellen Dingen also. Eigentlich sollte es daher auffallen, wenn Werkstoff-Innovationen aus den Labors in die Produktion drängen. Die Wirklichkeit sieht anders aus.

 

Schon vor 40 Jahren konnte man es hören: Die Amerikaner forschen insgeheim an intelligenten Materialien. Vieles von dem, wofür man bis dato noch komplizierte Konstruktionen brauche, würden sie bald aus sich selbst heraus tun können, hieß es.

 

Inzwischen schreiben wir 2017. Es gibt sie wirklich, die so genannten Smart Materials, und sie sind kein militärisches Geheimnis mehr. Trotzdem weiß man in den Konstruktionsabteilungen von Unternehmen bislang nur wenig von ihnen. Ganz zu schweigen von der Lebenswelt der Menschen, die wegen der Marktmacht ihrer Konsumenten-Bedürfnisse mit darüber entscheiden, was sich durchsetzt.

 

So liegt denn ein großes Entwicklungspotenzial brach. Es könnte Produkte einfacher, leichter, sicherer und auch preiswerter machen. Zugleich könnte es Produkte ermöglichen, an die wir heute noch gar nicht denken. Weil entscheidende gedankliche Anstöße zu ihnen fehlen.

 

Um ein Beispiel zu nennen: Ingenieure entwickeln mechatronische Antriebssysteme, die an die Grenze des technisch Machbaren gehen, damit Konstruktionen immer präziser immer kleinere Bewegungen ausführen können. Dabei kann dies in einigen Fällen schon heute ein einfacher Draht aus einem Spezialwerkstoff leisten – ganz ohne Mikromechanik und Stellmotor. Aber vielen Ingenieuren erscheint eine solche Lösung derzeit noch undenkbar. Sie neigen eher zur Optimierungslösung als zum radikal Neuen. Hinzu kommt, dass umfangreiche Regelwerke sie auf Kurs halten.

Erwärmung eines FGL-Drahtes
Drähte aus FGL nehmen unter Temperatureinfluss eine vorprogrammierte Form an.

Wovon reden wir eigentlich?

Der Begriff Smart Materials steht als Oberbegriff über einer Reihe neuartiger Funktionswerkstoffe. Im Rahmen von smart³ spielen vier Werkstoffklassen eine Rolle: thermische Formgedächtnislegierungen (FGL), Piezokeramiken, dielektrische Elastomere (DEA) und magnetische Formgedächtnislegierungen (MSM).

 

Smart Materials besitzen die Fähigkeit, sich an wechselnde Umgebungsbedingungen anzupassen, beziehungsweise ihre Eigenschaften unter dem Einfluss physikalischer Aktivierungsgrößen (Druck, Temperatur etc.) zu verändern. Weil dies mit Energiewandlungsprozessen verbunden ist, etwa von mechanischer in elektrische Energie oder umgekehrt, lassen sich mit Smart Materials komplexe Funktionalitäten in sehr einfachen Strukturen umsetzen – und zwar direkt auf der Werkstoffebene, ohne aufwändige Konstruktion.

 

Die Werkstoffe können Signale sowohl empfangen als auch verarbeiten, etwa indem sie Bewegungen ausführen. Sie können also Sensoren und Aktoren sein – oder beides zugleich. Auch als »Energiesammler« lassen sich Smart Materials einsetzen, beispielsweise, indem sie Maschinenvibrationen mindern und sie dabei sogar – in geringem Umfang – in nutzbare elektrische Energie umwandeln.

Drei Piezokeramik-Halbzeuge in verschiedenen Größen
Piezokeramik-Segmente in der Rohform. Zu Folien oder Beschichtungen verarbeitet, werden Sensoren und Aktoren daraus.

Drei-Säulen-Modell

Das Innovationsnetzwerk smart³ will Smart Materials auf die mentale Landkarte der Menschen setzen. Als eines von zehn Konsortien erhielt es 2013 den Zuschlag der Forschungsinitiative »Zwanzig20 – Partnerschaft für Innovation« des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Was überzeugte, war der inhaltlich umfassende Ansatz der Bewerbung. Aus Sicht der Jury schien er wirklich der Aufgabe gerecht zu werden, die hier anstand: einen Paradigmenwechsel in der Produktwelt anzustoßen. Denn genau das werden Smart Materials sein – wenn sie sich etablieren. Hierzu setzte smart³ mit einem Drei-Säulen-Modell an.

 

Die erste Säule betrifft die Technik: smart³ will die Entwicklung von Produkten und Prozesslösungen auf Basis von Smart Materials forcieren, den Reifegrad der Technologien erhöhen und entsprechende Prozessketten in der Produktion in Gang bringen.

 

Die zweite Säule gilt der Methode und ist mit »Interdisziplinarität « überschrieben. Ausdrücklich beschränkt sich smart³ nicht darauf, dass Werkstoffforscher unmittelbar den Konstrukteuren produzierender Unternehmen in die Hände arbeiten. Dies wäre die klassische Konstellation in Innovationsnetzwerken, und sicher würden derart auch einige »smarte« Lösungen entstehen. Aber es würde nicht genügen, die Smart Materials aus ihrem Nischendasein herauszuholen.

 

"Es gilt Smart Materials auf die mentale Landkarte der Menschen zu setzen."

 

Auch hierfür ein Beispiel: Außerhalb von smart³ hat das Fraunhofer IWU vor einigen Jahren einen auf Smart Materials beruhenden, neuen Entriegelungsmechanismus für Sauerstoffmasken in Flugzeugen entwickelt. Einfach, sicher und leicht wie er ist, begeisterte er so, dass er für den Crystal Cabin Award nominiert wurde, einen renommierten Preis der Luftfahrtindustrie. Doch hat das für Furore gesorgt, den Smart Materials Stimme gegeben? Nein. Nur ein kleiner Kreis von Fachleuten weiß davon.

Forscher mit Piezo-Lautsprecher im schallisoliertem Raum
Vereinfachte Auto-Lautsprechersysteme mit Hilfe von Piezokeramik? Auch an solchen Lösungen wird geforscht.

Bei smart³ sollen die Dinge breitenwirksam werden. Von Beginn an geht das technisch Machbare daher auch durch die Köpfe und Hände von Industriedesignern und sogar von Soziologinnen und Psychologinnen – Fachleuten also, die sich mit den Wünschen und Ängsten der Menschen auskennen. Ihre Aufgabe in smart³ besteht nicht darin, technische Innovation zum Schluss nur mit einer vermeintlich die Akzeptanz fördernden Hülle zu versehen. Vielmehr sollen sie von Beginn an mitbestimmen, welche Innovation überhaupt sinnvoll ist – weil die Menschen sie wollen. Damit aus Ideen Produkte werden können, die sich rechnen, haben auch Wirtschaftswissenschaftler ein Wort mitzureden.  

 

"Die wichtigste Aufgabe ist es, pfadabhängiges Denken aufzubrechen."

 

Solch ein bewusst interdisziplinärer Ansatz ist staatlichen Förderprojekten nicht eben einbeschrieben. Auch wenn smart³ mit 45 Mio Euro finanziell gut ausgestattet ist – das Geld sitzt nicht locker. Jedes einzelne Projekt muss vor einer Prüfungskommission des BMBF bestehen, und Genehmigungsverfahren werden schwieriger, wenn Fachleute ihr Wissen und Können beisteuern wollen, die nicht zur gewohnten klassischen Auswahl zählen. Doch wo ein Wille ist, ist bekanntlich auch ein Weg.

 

Und die dritte Säule? Sie heißt »Sichtbarkeit und Akzeptanz «. Die Ergebnisse der Projektarbeit so aufzubereiten, dass die Menschen sie verstehen, gehört ebenfalls zu den Aufgaben. Zuerst gilt das für die so genannten Demonstratoren, jene Funktionsmodelle für Produktideen also, die die Ergebnisse von smart³ quasi verkörpern sollen. Interdisziplinär entstandene Demonstratoren können das einfach besser. Aber man muss sie sehen und erfahren können. Daher entwickelt smart³ auch neuartige Präsentations- und Kommunikationsmittel.

 

"Gute Demonstratoren sind Botschafter für neue Produkte."

Was »interdisziplinär« wirklich heißt

Wo so unterschiedliche Fächer wie Ingenieurtechnik, Industriedesign oder Soziologie zusammenarbeiten sollen, spielt die Arbeitsmethodik eine große Rolle. Jedes Fach hat seine eigenen Bewertungsmaßstäbe, Denkschemata, Methoden, ja sogar Begriffe.

 

Die Verantwortlichen von smart³ mussten anfangs viel in Projektorganisation und Moderation investieren. Sie haben Veranstaltungsformate entwickelt, Kommunikations-Tools ein- und Ideenwettbewerbe durchgeführt – all das, um die Netzwerkteilnehmer wirklich zusammenzubringen.

Die wichtigste Aufgabe besteht darin, etabliertes, »pfadabhängiges « Spartendenken aufzubrechen und durch ein prinzipielles und umfassendes Kooperationsdenken zu ersetzen. Ein Puzzlespiel, bei dem alle Beteiligten so lange als möglich in gewohnter Weise an ihren jeweiligen Bausteinen arbeiten und die Ergebnisse am Ende ad hoc zu einem Gesamtbild vereint werden, galt es zu verhindern.

 

Erreicht wird das nicht etwa durch motivierende Appelle ans Wir-Gefühl, sondern durch das Setzen individueller Anreize und die überzeugende Darstellung des Mehrwerts für jeden Beteiligten, der sich aus solcher innovativer Arbeitsweise ergibt.

 

Es hat Zeit gebraucht. Es hat Kraft gekostet, das Effizienzdenken in der Findungsphase auf den zweiten Platz zu verbannen, in der Hoffnung, dass ein solches Verschieben sich später auszahlt. Es kostet sogar noch immer Kraft: Wer sich als Netzwerkteilnehmer integriert hat, arbeitet zwar bald effizient mit, aber smart³ wächst noch immer, und für jeden weiteren Teilnehmer beginnt der Prozess aufs Neue. Derzeit zählt das Netzwerk 108 Teilnehmer: Universitäten und Hochschulen, außeruniversitäre Forschungsinstitute, Verbände, Werkstoffhersteller, Unternehmen der verarbeitenden Industrie und Anwender aus verschiedensten Branchen. Als Konsortialführer von smart³ agiert das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Dresden.

 

"Es entstehen bereits Strukturen einer künftigen Zusammenarbeit bei Smart Materials."

 

In einer Vielzahl von Forschungsprojekten sind Kooperationen entstanden, wie es sie zuvor noch nicht gegeben hat. Unterschiedlichste Fachleute haben – nicht ohne Schwierigkeiten – gelernt miteinander umzugehen, und die meisten haben den prognostizierten Mehrwert dieser besonderen Arbeitsweise tatsächlich erfahren können. Inzwischen reden Ingenieure mit Textildesignerinnen oder auch Industriedesignern mit einer Selbstverständlichkeit, die sie sich anfangs nicht hatten vorstellen können.

 

Bei aller Vielfalt ergibt sich aus der Anlage der Forschungsinitiative auch eine Fokussierung: »Zwanzig20« will die in Ostdeutschland etablierten, herausragenden wirtschaftlichen und wissenschaftlichen Kompetenzen wirksam werden lassen. Die Mehrzahl der Netzwerk-Mitglieder kommt deswegen aus den neuen Ländern.

Materialwand im Atelier der Burg Giebichenstein
Werkstoff-Kompetenz ist Teil des Industriedesign-Studiums an der Burg Giebichenstein Kunsthochschule Halle - Smart Materials inbegriffen.

Genau vermessene Projektlandschaft

Am Beginn von smart³ stand akribische Recherche zur praktischen Relevanz der Projektarbeit: Welchen Feldern für potentielle Anwendungen von Smart Materials sollte man sich widmen, weil sie den meisten Erfolg versprechen? Viele Faktoren spielten dabei eine Rolle: der Aufmerksamkeitswert und die Offenheit für neue Formen der Zusammenarbeit ebenso wie das wirtschaftliche Marktpotenzial. Zum Schluss wurden vier Themenfelder ausgewählt: Fertigungsprozesse, Konsumgut / Lifestyle, Medizintechnik und Mobilität. Um die Projekte stärker zu spezifizieren, wurden innerhalb der Themenfelder noch bestimmte Leitanwendungen definiert.

 

Die Art der Projekte ist dabei sehr verschieden. Produktorientierte Lösungen innerhalb der Leitanwendungen sind eine davon. Eine andere sind Prozesslösungen. Sie beschäftigen sich mit den Veränderungen, die der Einsatz von Smart Materials in der Fertigungstechnologie mit sich bringen muss – über Leitanwendungen und Themenfelder hinweg. Eine dritte Art von Projekten gilt der gezielten Vermittlung von Know-how zu Smart Materials – an Techniker, Ingenieure, Designer und sogar an deren Nachwuchs an Gymnasien, Hochschulen und Universitäten.

 

Zur Veranschaulichung seien hier lediglich zwei beispielhafte Projekte genannt. Bereits als Prototyp liegt Solar Curtain vor, ein energieautarker Mechanismus zur Verschattung großer Glasfassaden. Er arbeitet mit FGL-Draht-Aktoren, die direkt auf die Strahlungswärme der Sonne reagieren. Solar Curtain gewann den Fraunhofer-Ideenwettbewerb 2016.

 

Noch in Arbeit befindlich ist das Projekt SmartFrame+. Es will piezokeramische Sensoren und Aktoren in Leichtbau-Fahrradrahmen integrieren, um Gefahrensituationen beim Fahren besser begegnen zu können. Das Ergebnis soll später auf andere Fortbewegungsmittel übertragen werden. Abgesehen vom zu schaffenden Demonstrator, wird das Projekt sich auch mit der Fertigungstechnologie befassen: Entsprechende piezokeramische Komponenten herzustellen und serienmäßig in Leichtbaustrukturen zu verarbeiten, ist eine ebenso große Herausforderung wie die technische Prinziplösung.

Zwischenbilanz und Ausblick

Finanziert wird smart³ bis 2021. Dann müssen alle Projekte abgeschlossen sein. Zeit also für eine Zwischenbilanz: Was lässt sich vorweisen? Vier Projekte sind bereits abgeschlossen, 16 weitere laufen, 17 Projekte befinden sich noch in der Antragsphase. Das Innovationsnetzwerk hat inzwischen den Zustand der Eigendynamik erreicht. Kann man auch einen Ausblick wagen?

 

Sicher ist: Was den angestrebten Paradigmenwechsel angeht, so wird am Ende eine große Zahl von guten Demonstratoren stehen, die als Botschafter für Smart Materials auf Messen, Vortragsveranstaltungen und in Ausstellungen auftreten können – zu erwartendes Medienecho inklusive.

 

Es wird eine Anzahl ausgereifter Prozessketten in der Produktion geben – und sehr wahrscheinlich eine Anzahl produktorientierter Lösungen, die an der Schwelle der technischen Umsetzbarkeit stehen.

 

Bereits jetzt etablieren sich zwischen einzelnen Netzwerkteilnehmern Strukturen einer Zusammenarbeit, die über den Förderzeitraum hinausweist. Darunter gibt es auch Unternehmen, die Smart Materials gemeinsam zum Bestandteil ihrer Produktportfolios machen wollen – und die sich dabei keine Produkt-Neuentwicklung ohne Industriedesigner mehr vorstellen können. Bei einigen Unternehmen ist Smart-Materials-Kompetenz bereits Teil der Personalplanung.

 

Solche Kompetenz ist inzwischen zum festen Bestandteil von Lehre und Forschung an der Burg Giebichenstein Kunsthochschule Halle und der Weißensee Kunsthochschule Berlin geworden. Beide Hochschulen sind Teil des Innovationsnetzwerks. Künftig werden sie also Multiplikatoren für die neuen Werkstoffe heranbilden.

 

Letztlich gilt für smart³ das Gleiche wie für alle Forschungsnetzwerke: Ihre eigentliche Qualität zeigt sich dann, wenn die Finanzierung ausgelaufen ist. In diesem Fall darf man optimistisch sein.