Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag

Martin Socher • Thomas Rieken • D. Baumer

Neue Werkstoffe

TAB-Arbeitsbericht Nr. 032. Berlin 1995, 57 Seiten

Zusammenfassung

Bedeutung neuer Werkstoffe für den Standort Deutschland

Neue Werkstoffe sind ein wesentlicher Bestandteil hochinnovativer Technologiefelder. Eine Reihe von Schlüsseltechnologien wäre ohne den Einsatz neuer Werkstoffe nicht realisierbar, dazu zählen u.a. Informationstechnik, Umwelttechnik, Wehrtechnik, Energietechnik, Verkehrs- und Fertigungstechnik. Diese Bereiche sind von entscheidender Bedeutung für den Wirtschaftsstandort Deutschland, ein Rückstand oder Nachlassen im Innovationsgeschehen darf nicht entstehen.

Deutschland nimmt weltweit eine führende Position in der grundlagenorientierten Werkstofforschung ein. Technologiekonzerne und Unternehmen der chemischen Industrie entwickeln Werkstoffe mit hohen Anwendungspotentialen in strukturbestimmenden Technologiebereichen. Dies erfolgt in Kooperation mit Instituten der anwendungsorientierten Werkstofforschung. Defizite existieren aufgrund einer zu zaghaften Umsetzung von Forschungsergebnissen in vermarktbare Produkte. Kleinen und mittleren Unternehmen fällt es zunehmend schwer, sich an hochinnovativen Werkstoffentwicklungen zu beteiligen. Diese Gruppe von Unternehmen zeichnet sich jedoch durch eine hohe Flexibilität bei der Umsetzung von Werkstoffentwicklungen in marktfähige Produkte aus und trägt somit wesentlich zum Erhalt der Qualität des Standortes Deutschland bei. Eine intensivere Einbindung dieser Unternehmen in das Programm der Bundesregierung zur Förderung der Materialforschung für Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts würde dazu beitragen, Werkstoffinnovationen schneller und umfassender als bisher auf dem Markt wirksam werden zu lassen.

Marktpotentiale neuer Werkstoffe

Hohe Marktpotentiale und zum Teil beträchtliche Wertschöpfungen lassen neue Werkstoffe zu einem attraktiven Bereich unternehmerischer Aktivitäten werden. Neue Werkstoffe haben eine Schrittmacherfunktion insbesondere für Entwicklungen im Bereich der Schlüsseltechnologien. Der wirtschaftliche Erfolg von Werkstoffinnovationen ist dann groß, wenn durch sie mit neuen Produkten neue Märkte erschlossen werden können. Der Substitutionswettbewerb mit klassischen Werkstoffen für reife Technologien und etablierte Märkten vollzieht sich dagegen deutlich langsamer. Insbesondere Strukturwerkstoffe können sich auf dem Markt nur dann durchsetzen, wenn sie preislich attraktiver sind als die vorher eingesetzten Werkstoffe. Funktionswerkstoffe, die nur in geringen Mengen benötigt werden, finden oft keine Hersteller, da die Wertschöpfung zu gering ist und Prognosen über die zukünftige Marktentwicklung unsicher sind. Während Technologiekonzerne systemermöglichende Werkstoffe "in-house" entwickeln, verzichten kleine und mittlere Unternehmen oftmals auf die Entwicklung und den Einsatz neuer Werkstoffe. Um diese Unternehmen stärker als bisher zu befähigen, am Markt für neue Werkstoffe zu agieren, muß der Wissens- und Technologietransfer beschleunigt und intensiviert werden, da durch die schnelle Überführung von aufbereiteten Forschungsergebnissen kleine und mittlere Unternehmen Marktchancen ohne eigenständige Vorlaufforschung nutzen könnten.

Umweltwirkungen neuer Werkstoffe

Der Einsatz neuer Werkstoffe kann während des gesamten Lebenszyklus' zu beträchtlichen Einsparungen an Grundstoffen und Energie und somit zu spürbaren Entlastungen der Umwelt führen. Beginnend mit einer umfassenden Beschreibung möglicher Umwelteinflüsse bei der Herstellung, Nutzung und Rezyklierung/Entsorgung können neue Werkstoffe auch unter Berücksichtigung ökologischer Belange maßgeschneidert entwickelt werden und somit einen wesentlichen Beitrag zu einer nachhaltig zukunftsfähigen Entwicklung leisten.

Neue Funktionswerkstoffe in Hoch- und Schlüsseltechnologien ermöglichen völlig neuartige Anwendungen, die z.B. beim Einsatz im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologien zu grundsätzlichen Veränderungen von Stoff- und Energieströmen führen können. Diese im Prinzip bekannten, beim gegenwärtig äußerst begrenzten Wissensstand jedoch oftmals nur qualitativ beschreibbaren Effekte müssen den Umweltbeeinflussungen, die bei der Herstellung, Verarbeitung und Entsorgung neuer Werkstoffe auftreten können, gegenübergestellt werden, da neue Werkstoffe sich oftmals durch eine große stoffliche und energetische Eingriffstiefe auszeichnen. So sind sie oftmals schwer abbaubar und in vielen Fällen nur mit beträchtlichem Aufwand wieder in industrielle Stoffkreisläufe rückführbar.

Die Werkstofforschung steht deshalb langfristig vor der Herausforderung, solche Materialien zu entwickeln, die umweltverträglich hergestellt werden können, sich durch eine lange Lebensdauer auszeichnen und durch Rückbau- oder Rezyklierbarkeit nur noch zu geringen Umweltbelastungen bei der Entsorgung führen. Dazu bedarf es eines Herangehens, bei dem materialwissenschaftliche und technologische Aspekte der Werkstoffherstellung und -verarbeitung gemeinsam mit stoffökologischen Aspekten bearbeitet werden. Einen Förderschwerpunkt für dieser Form der bereichsübergreifenden Forschung müßten kleine und mittlere Unternehmen bilden, da diese aus eigener Kraft oftmals kaum in der Lage sind, Innovationen mit hohem ökologischen Anspruch voranzubringen und umzusetzen.

Rechtliche Rahmenbedingungen

Werkstoffe werden in bezug auf ihre Herstellung, Anwendung und Entsorgung durch das geltende Recht umfassend erfaßt. Die Erforschung und Entwicklung neuer Werkstoffe wird durch die rechtlichen Rahmenbedingungen ebenfalls beeinflußt. Insbesondere das Umweltrecht wirkt auf die anwendungsorientierte Forschung, da neue Werkstoffe den Anforderungen des Stoff- und Kreislaufwirtschafts(Abfall)rechtes entsprechen müssen, um in Deutschland hergestellt, verarbeitet, verwendet und entsorgt werden zu können.

Maßnahmen auf Unternehmensebene, wie das Öko-Audit, Qualitätssicherung nach DIN/ISO 9000 f sowie technische Normungsverfahren, führen dazu, daß neue Werkstoffe hinsichtlich ihrer Wirkungen auf die umwelt- und arbeitsschutzgerechte Gestaltung von Produktionsverfahren, die Sicherung der Produktqualität und die international akzeptierte Zertifizierbarkeit umfassend untersucht und beschrieben werden müssen.

Die Gesamtheit der rechtlichen Vorgaben und der freiwilligen Maßnahmen der Unternehmen stellt Werkstofforscher und entwickler sowie Hersteller vor neue, anspruchsvolle Aufgaben. Während Großunternehmen den dazu notwendigen Prozeß selbst gestalten können, fehlt es kleinen und mittleren Unternehmen dafür oft an den entsprechenden personellen, finanziellen und organisatorisch-strukturellen Voraussetzungen. Da ohne die Gewährleistung der Rechtskonformität Produkte nicht vermarktbar sind, wird es für kleine und mittlere Unternehmen zunehmend schwerer sich in besonders schnell sich entwickelnden, auf neuen Werkstoffen basierenden Technologiefeldern zu engagieren.

Im Rahmen der Forschungsförderung über Verbundprojekte könnte diesen Unternehmen die Möglichkeit gegeben werden, rechtliche Probleme bei der Entwicklung aber auch Überführung neuer Werkstoffe durch entsprechende Projektpartner untersuchen zu lassen. Dadurch könnten Innovations- und Diffusionsprozesse in einem rechtssicheren Umfeld beschleunigt werden.

Überführung von Werkstoffinnovationen

Die Entwicklung neuer Werkstoffe und deren Überführung in marktfähige Produkte erfolgt in einem Prozeß, dessen Erfolg wesentlich von der Zusammmenarbeit zwischen Werkstoffentwickler/hersteller und dem Endanwender geprägt ist. Der Ausstieg der BASF aus dem Geschäftsbereich der Hochleistungsfaserverbundwerkstoffe verdeutlicht, daß insbesondere im Substitutionswettbewerb große wirtschaftliche Risiken beim Materialhersteller liegen, da Endanwender oftmals beträchtliche investive Vorleistungen fordern, jedoch letztlich entscheidend an den preislichen Vorteilen neuer Werkstoffe interessiert sind. Ohne weitergehende unternehmerische Anreize aus dem Bereich der Endproduktentwicklung bedeutet deshalb die Einführung neuer Werkstoffe ein beträchtliches Risiko für Materialhersteller. Um dieses Risiko zu mindern, bedarf es einer intensiven Kooperation zwischen den verschiedenen Akteuren der Wertschöpfungskette. Neben der direkten Zusammenarbeit auf Unternehmensebene könnte die gemeinsame Teilnahme an Projekten der staatlichen Forschungsförderung dazu einen entscheidenden Beitrag leisten.

Das Beispiel der Kooperation zwischen einem mittelständischen Unternehmen und einem Forschungsinstitut verdeutlicht, daß Forschungsergebnisse im Werkstoffbereich erfolgreich umgesetzt werden können, wenn dadurch Systeminnovationen ermöglicht werden, die zu neuen Produkten auf neuen und etablierten Märkten führen. Die Einführung eines neuen Werkstoffs in ein Produkt sollte von einer Verbesserung bzw. Erneuerung der damit verbundenen Herstellungstechnologien begleitet werden, da dadurch zusätzliche Vorteile im Preiswettbewerb ermöglicht werden.

Forschungsförderung im Werkstoffbereich

Bereits seit 1984 fördert die Bundesregierung die Werkstofforschung durch ein eigenständiges Programm. Die Fortschreibung des ersten stofforientierten Materialforschungsprogramms (Matfo) war begleitet von der Weiterentwicklung hin zu einem Materialforschungsprogramm für Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts (Matech). Im Rahmen dieses technologieorientierten Programms werden Werkstoffe für die Informationstechnik, die Energietechnik, die Verkehrstechnik, die Medizin- und Fertigungstechnik entwickelt. Langfristige ökologische Aspekte sollen verstärkt Berücksichtigung finden. Mit dem Programm wird angestrebt, den Innovationsprozeß zu beschleunigen und die Kooperation zwischen institutioneller und Industrieforschung zu verbessern, so daß die Diffusion von neuen Werkstoffen in breite Anwendungen schnell und effizient erfolgt.

Obwohl das Programm sehr breit angelegt ist, bestehen Defizite hinsichtlich der Integration außerdisziplinärer Bereiche, dies gilt insbesondere für die Umweltforschung und die Berücksichtigung rechtlicher Aspekte. Die Berücksichtigung dieser Bereiche ist oftmals entscheidend für die erfolgreiche Überführung von Forschungsergebnissen in Produkte.

Insgesamt wird dem Technologietransfer zu geringe Aufmerksamkeit gewidmet. Durch eine wirtschaftliche Orientierung des Technologietransfers könnten vor allen Dingen kleine und mittlere Unternehmen in die Lage versetzt werden, Ergebnisse der Werkstofforschung maßgeschneidert für ihren Bedarf zu erwerben. Ein kommerzialisierter Technologietransfer würde durch den marktnahen Wettbewerb auch zu einer Belebungund Beschleunigung von Innovationsprozessen beitragen.

Die Förderung der Werkstofforschung kann über verschiedene Instrumente erfolgen. Für das Matech-Programm wurde die direkte Förderung von Verbundprojekten gewählt, da diese eine zielgenaue Mittelzuwendung und Erfolgskontrolle gestattet. Indirekte und indirekt-spezifische Förderinstrumente, wie z.B. Steuervergünstigungen, Sonderabschreibungen oder auch rückzahlbare Darlehen, sind jedoch für den Mittelstand oftmals attraktiver, da durch sie Entscheidungsfreiheit und Verantwortung bei den Unternehmen gelassen und eine flexiblere Behandlung anwendungsnaher Forschung und Entwicklung gewährleistet wird. Zudem könnte eine differenziertere Anwendung förderpolitischer Instrumente dazu beitragen, den breiten Mittelstand stärker als bisher an staatlichen Forschungsprogrammen zu beteiligen und damit zur Zukunftssicherung des Standortes Deutschland beitragen.