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Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag

TA-Projekt

Neue Werkstoffe

Themenbereich: Verschiedene Themen
Analyseansatz: TA-Projekt
Themeninitiative: Ausschuss für Bildung, Forschung und Technikfolgenabschätzung
Status: abgeschlossen
Laufzeit: 1992 bis 1995

1. Untersuchungsgegenstand und Zielsetzung

Im November 1992 beauftragte der Ausschuß für Forschung, Technologie und Technik-folgenabschätzung des Deutschen Bundestages das TAB mit der Durchführung einer TA-Studie zum Thema »Neue Werkstoffe". Im Beschluß des Ausschusses zur Durchführung des TA-Projektes wurden die Schwerpunkte des Projekts folgendermaßen gebündelt:

  • Für den Materialsektor (Bundesrepublik Deutschland und Europäische Union) sollen Entwicklungspotentiale, wirtschaftliche Bedeutung, ökologische Auswirkungen und soziale Relevanz in einem generellen Überblick behandelt werden.
  • In einem branchen- und produktbezogenen Ansatz sollen exemplarisch die Chancen und Risiken neuer Entwicklungen auf dem Werkstoffsektor für die deutsche Industrie untersucht werden.
  • Schließlich sollen daraus alternative Strategien entwickelt und Handlungsoptionen für ihre forschungs- und technologiepolitische Umsetzung dargestellt und analysiert wer-den.

Zur Diskussion des erreichten Standes der an insgesamt acht externe Sachverständige vergebenen Gutachten wurde am 30.09.1993 eine Klausurtagung durchgeführt, an der Gutachter, Beiratsmitglieder sowie Berichterstatter aus den Fraktionen des Deutschen Bundestages teilnahmen. Die Diskussion zeigte ganz grundsätzlich, daß es eines neuen integrativen Ansatzes für die Werkstofforschung bedarf, in dem Integration als ein dynamischer Prozeß verstanden wird, der zu einer größeren Anwendungswahrscheinlichkeit von Forschungsergebnissen führt. Ein solcher Ansatz muß der historisch gewachsenen Struktur der deutschen Forschungslandschaft gerecht werden und dazu beitragen, Innovationspotentiale der deutschen Wirtschaft zu aktivieren. In Auswertung dieser Diskussion wurden im TAB-Arbeitsbericht Nr. 22 „Wege zur integrierten Werkstofforschung“ skizziert. Unter Integration wird dabei ein dynamischer Prozeß der interdisziplinären und bereichsübergreifenden Behandlung von Problemen der Werkstofforschung verstanden. Dabei sind neben den unmittelbar materialwissenschaftlichen Gebieten alle relevanten ökonomischen und ökologischen Aspekte sowie auch die gesellschaftlichen Auswirkungen von Werkstoffentwicklungen zu berücksichtigen.

Ergebnisse

In Deutschland existiert em historisch gewachsener Sektor der Werkstofforschung, der wesentlich dazu beiträgt, die wirtschaftliche Kraft und Innovationsfähigkeit des Standorts zu erhalten. Dennoch zwingen die neuen Herausforderungen der sich ständig verändernden Weltwirtschaft auch diesen Bereich zu einer veränderten Herangehensweise an Inhalte, Schwerpunkte und Strukturen der angewandten und Grundlagenforschung. Aufgabe des Staates ist es, durch Schaffung geeigneter Rahmenbedingungen die Leistungsfähigkeit der Forschung zu erhalten, den Wissens- und Technologietransfer in der Industrie zu fördern und dort, wo ein besonderer gesellschaftlicher Bedarf besteht, das Innovationsrisiko von Unternehmen zu mindern. Innovationen im Werkstoffbereich bilden für viele Schlüsseltechnologien die Grundlage für ihren Erfolg am Markt.

Insgesamt sind für Innovationen in Technologiebereichen, die wesentlich auf Werkstoffen basieren, die folgenden Entwicklungslinien charakteristisch:

  • neue Werkstoffe für neue Anwendungen;
  • neue Werkstoffe für konventionelle Anwendungen;
  • konventionelle Werkstoffe für neue Anwendungen.

Werkstoffentwicklungen

Neben neuen Technologien bieten auch klassische Technologiefelder breite Einsatzmöglichkeiten für neue Werkstoffe. Im Flugzeug- und Fahrzeugbau hat sich bereits ein Wettbewerb zwischen konventionellen und neuen Werkstoffen entwickelt. Dies betrifft etwa Hochleistungsfaserverbundwerkstoffe oder metallische Superlegierungen für Leitwerke und Karosserieteile oder neue Keramiken innerhalb der Antriebstechnik. Ein Beispiel für konventionelle Werkstoffe in neuen Technologien ist Kupfer, das als Leitungsmaterial für die Breitbanddatenübertragung in ISDN-Netzen zur Anwendung kommt.

Mit der wachsenden Fähigkeit zur Maßschneiderung geht eine zunehmende Entkopplung zwischen den Funktionen technologischer Systeme und den zu ihrer Realisierung verwendeten Werkstoffen einher. In der technologischen Entwicklung rücken dadurch das Endprodukt und dessen Funktion in den Vordergrund. Aus Sicht des Anwenders ist es zunächst gleichgültig, welcher Werkstofftyp zur Realisierung einer Funktion herangezogen wird, wenn verschiedene Werkstoffe die gestellten Anforderungen erfüllen.

Bei der Realisierung von innovativen Systemen treten zunehmend verschiedene techno-logische und stoffliche Lösungen in Konkurrenz. Technologische Funktionen sind nicht mehr ausschließlich mit Hilfe eines bestimmten Materials oder eine bestimmten Kombination von Materialien realisierbar; völlig verschiedene Werkstoffe konkurrieren um den gleichen Einsatzbereich. Verantwortlich dafür ist die Tendenz, daß moderne Hochleistungswerkstoffe eine stete Erweiterung ihrer Belastbarkeitsgrenzen erfahren und ihre Anwendungsmöglichkeiten sich in Teilbereichen zunehmend überschneiden. Dafür gibt es vielfältige Beispiele, etwa hochfeste und hochtemperaturbeständige PolymermatrixVerbundwerkstoffe in Konkurrenz zu Metallen oder beschichtete Werkstoffe im Wettbewerb mit monolithischen Werkstoffen.

Oft ist der Wettbewerb zwischen Werkstoffen an den Wettbewerb zwischen Technologien gekoppelt. Ein bekanntes Beispiel dafür bildet die Nachrichtenübertragung, in der die fortschreitende Ablösung des elektrischen Weges durch optoelektronische Übertragung eine Substitution von Kupferleitungen durch Lichtleiter (organische oder Glasfaserlichtleiter) mit sich bringt.

Insgesamt erweitert die Einführung neuer Werkstoffe die Möglichkeiten der Auswahl von Werkstoffen für technologische Anwendungen und führt dadurch zu einer verstärkten Konkurrenz innerhalb und zwischen den Werkstoffklassen. Gleichzeitig zum verstärkten Aufkommen der Konkurrenz zwischen Werkstoffen verläuft jedoch ein inverser Prozeß. Neuen Werkstoffen wird auch deshalb eine erhebliche Bedeutung beigemessen, weil sie eine Vielzahl technologischer Systeme erst ermöglichen. Dies gilt insbesondere auf dem Gebiet der sogenannten Zukunftstechnologien. Dort, wo sich moderne Technologien durchsetzen, die entscheidend auf der Verwendung neuer Werkstoffe basieren, vollzieht sich ein Trend zur wachsenden Werkstoffspezialisierung. Dies gilt z.B. für den Bereich der Hochleistungspolymere.

Diese Tendenz führt in vielen Technologiebereichen zu einer deutlichen Einschränkung der Möglichkeiten zur Werkstoffsubstitution und damit des Wettbewerbs zwischen Werkstoffen.

Die Entwicklung neuer Werkstoffe prägt beide Tendenzen in ähnlich starkem Maße. Im Bereich der Massen- und Strukturwerkstoffe trägt sie zur Entfaltung des Substitutionswettbewerbs bei, indem sie neue und verbesserte Materialien hervorbringt. In vielen speziellen Anwendungen dagegen sind moderne Werkstoffe vor allem die Funktionswerkstoffe, oftmals ohne Konkurrenz.

In der Zukunft werden die folgenden Technologien für die Werkstofforschung von vorrangiger Bedeutung sein:

Mikroelektronik Mikrosystemtechnik Medizin und Biotechnik
übrige Elektronik Energietechnik Biotechnologie
Optoelektronik Lasertechnik Umwelttechnik
Photonik Sensorik Luft- und Raumfahrt
Nichtlineare Optik Informations- und Kommunikationstechnologie Transport und Antriebstechnik
Wehrtechnik

Diese Zusammenstellung von Zukunftstechnologien mit Bezug zu neuen Werkstoffen unterstreicht den grundlegenden Querschnittscharakter neuer Werkstoffe. In allen genannten Bereichen bilden neue Entwicklungen bei Werkstoffen ein wichtiges Glied auf dem Weg der Realisierung technologischer Fortschritte.

Marktpotenziale

Neuen, maßgeschneiderten Werkstoffen wohnt ein großes Innovationspotential mit der Möglichkeit zu hoher Wertschöpfung inne. Sie ermöglichen neue technologische Systeme und bilden damit die stoffliche Grundlage für Fortschritte in einem breiten Spektrum zukunftsträchtiger Hochtechnologiefelder.

Die tatsächlichen Marktpotentiale neuer Werkstoffe entsprechen derzeit nicht den angesichts ihrer attraktiven Eigenschaften häufig hochgesteckten Erwartungen. Nach bisherigen Erfahrungen gelangen neue Werkstoffe in erster Linie dann zu Anwendungen, wenn die Eigenschaft der Systemermöglichung zur Erreichung eines hohen Grades an Systeminnovation genutzt wird. Substitutionen konventioneller Werkstoffe durch neue vollziehen sich dagegen nur schleppend.

Ein fundamentales Problem im Bereich neuer Werkstoffe ist, dass die Wertschöpfung im Produktionszyklus maßgeblich am Ende der Wertschöpfungskette beim Produkt- oder Bauteilhersteller geschieht. Werkstoffentwickler sind nicht in ausreichendem Maße am Markterfolg neuer Werkstoffe beteiligt, da dieser Erfolg erst auf der Ebene der Bauteil- und Produktfertigung sichtbar wird. Dies führt zu einer im Hinblick auf ihren Umfang und ihre Anwendungsorientierung unzureichende Entwicklungsaktivität. Das hat zur Folge, daß der bereits bestehende, ohnehin schon relativ geringe Bedarf an neuen Werkstoffen zum Teil nicht gedeckt werden kann.

Abhilfe könnte hier durch einen Forschungs- und Entwicklungsprozeß geschaffen werden, der die bisher vorherrschende Trennung zwischen Werkstoffentwicklung und -anwendung im Rahmen eines intensiven Technologie- und Wissenstransfers überwindet und gewünschte Systemeigenschaften in den Zielkatalog der Werkstoffentwicklung integriert. Im Hinblick auf eine Steigerung der Anwendungswahrscheinlichkeit von neuen Werkstoffen ist dabei auch die Berücksichtigung nichtmaterialwissenschaftlicher Fragestellungen mit rechtlichem, ökologischem oder sozialem Hintergrund wichtig. Die Fähigkeit zur Maßschneiderung bietet dazu hervorragende Voraussetzungen.

Forschung und Entwicklung im Werkstoffbereich

Die Untersuchungen im Rahmen dieses TAB-Projektes deuten nachhaltig darauf hin, daß eine integrative Herangehensweise an den Innovationsprozeß im Bereich neuer Werkstoffe und werkstoffbasierter Technologien unter vielen Gesichtspunkten an Bedeutung gewinnt. Die Marktpotentiale neuer Werkstoffe sind vor allem dort hoch, wo neue Werkstoffe für innovative technologische Systeme genutzt werden. Dazu bedarf es insbesondere im Bereich kleiner und mittelständischer Unternehmen einer intensiven Beratung bei der Systementwicklung, die nur in Zusammenarbeit mit Werkstoffherstellern erfolgen kann.

Die Kooperation zwischen Werkstoffherstellern und -anwendern kann den Markterfolg von werkstoffbasierten Technologien erheblich positiv beeinflussen. Zudem wird sich eine umfassende und frühzeitige Einbeziehung ökologischer und gesellschaftlicher Anforderungen in die Werkstofforschung und -entwicklung vor dem Hintergrund sich zu-sehends verschärfender gesetzlicher Regelungen voraussichtlich vorteilhaft auf die Wettbewerbsfähigkeit neuer Werkstoffe und daraufberuhender Produkte auswirken. Andererseits wird das Innovationsgeschehen bereits gegenwärtig durch die unzureichende Verfügbarkeit neuer Werkstoffe gehemmt, die aus der ungenügenden Beteiligung von Werkstoffentwicklern am Markterfolg von Produkten resultiert. Werkstoffe sind ein fundamentaler Bestandteil der meisten Schlüssel- und Hochtechnologien. Technologische Kompetenz und Wettbewerbsfähigkeit des Standortes Deutschland werden zukünftig auch davon abhängen, inwieweit es gelingen wird, Werkstoffinnovationen zum richtigen Zeitpunkt in zukunftsfähige technologische Entwicklungen einzubringen. Dazu bedarf es einer Herangehensweise, die

  • das spezifische Fachwissen aller an der Wertschöpfungskette beteiligten Akteure berücksichtigt,
  • Chancen und Risiken von Werkstoff- und Systeminnovationen verknüpft,
  • den Kriterien einer nachhaltigen und zukunftsfähigen Entwicklung gerecht wird und
  • sich in einem gesellschaftlich (national, aber auch international) akzeptierten Umfeld befindet.

Während die materialwissenschaftliche Grundlagenforschung in Deutschland frei und offen strukturiert ist, sieht sich die angewandte Werkstofforschung und -entwicklung einem zunehmenden Erfolgsdruck ausgesetzt, auf den im Rahmen einer klassischen Forschungsstruktur nur noch bedingt reagiert werden kann. Dem Staat kommt es zu, solche Rahmenbedingungen für die Forschung zu schaffen, die

  • die freie Entfaltung der innovativen Kräfte fordern,
  • die Anwendungswahrscheinlichkeit von Innovationen erhöhen,
  • Diffusionsprozesse in die Wirtschaft hinein ermöglichen bzw. verbessern und
  • zu selbsttragenden wirtschaftlichen Anwendungen führen.

Die im Rahmen des neuen Materialforschungsprogramms des BMFT beibehaltene .Form der direkten Förderung ausgewählter Werkstoffe für Schlüsseltechnologien greift nach Auffassung des TAB zu kurz. Direkte Projektforderung bedeutet die Zuwendung für spezifische Vorhaben an einzelne Unternehmen, Institutionen bzw. Verbundpartner im Rahmen des Förderprogramms. Durch die längerfristige Festlegung von Förderschwerpunkten wird jedoch der zu bearbeitende Bereich der neuen Werkstoffe entscheidend eingeschränkt. Da neue Werkstoffe von überragender Bedeutung für Schlüsseltechnologien sind, würde eine offene und indirekte Förderung dem Systeminnovationscharakter eher entsprechen. Dies würde bedeuten, daß

  • sich Programmschwerpunkte ändern können,
  • außerdisziplinäre Bereiche von grundsätzlicher Bedeutung (z.B. Umweltaspekte, Ar-beitsschutz, Rechtskonformität) für die Überführbarkeit der Forschungsergebnisse ebenfalls forderfähig sind,
  • für kleine und mittlere Unternehmen stärkere Anreize geschaffen werden können, sich in FuE zu engagieren und
  • die Integration durch die Verbundpartner selbst gesteuert wird.

TAB-Modell

Im Rahmen der Arbeiten zum TAB-Projekt »Neue Werkstoffe« wurden die Grundzüge eines Modells entwickelt, welches

  • die integrierte Werkstofforschung fordern soll,
  • sich für Verbundprojekte unter Beteiligung kleiner und mittelständischer Unternehmen eignet und
  • den Staat aus einer spezifischen Verantwortung für die Relevanz und Durchführung von Verbundprojekten entläßt.

Der Ansatz dieses Modells besteht u.a. darin, daß durch den Staat im Rahmen eines Programms zur integrierten Entwicklung von Werkstoffen für die breite Anwendung in Schlüssel- und Hochtechnologien Forschungsdarlehen anstelle von projektspezifischen Fördermitteln vergeben werden. Die Förderung der Werkstofforschung durch die Vergabe von Forschungsdarlehen hat zwei wesentliche Aufgaben:

  • Übernahme des FuE-Risikos bei komplexen Aufgabenstellungen im Bereich von Schlüssel- und Hochtechnologien durch den Staat und Gewährleistung eines effizienten und marktorientierten Technologietransfers
  • Stärkung der Innovationskraft und Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen durch Abbau von Subventionen im Falle einer erfolgreichen Überführung von FuE-Ergebnissen.

Die Fördermittel werden als Forschungsdarlehen an die industriellen Verbundpartner vergeben. Grundfinanzierte Forschungsinstitute werden weiterhin direkt gefördert. Die Verbundpartner führen ein eigenständiges Controlling durch und entscheiden über die weitere Nutzung der von ihnen erzielten Ergebnisse.

Werden diese durch die beteiligten Unternehmen nicht selbst genutzt, übernimmt der Staat das Darlehen, aber auch die FuE-Resultate, die er durch einen kommerziell organisierten Technologietransfer weitergibt. Somit können sich für alle Beteiligten neue Chancen auf einem wettbewerblich strukturierten Technologietransfermarkt ergeben.

Durch die Verbundpartner genutzte und überführte Ergebnisse sind das Resultat einer Forschung, bei der nur noch das Risiko durch den Staat mitgetragen wird. Die erfolgreiche Umsetzung der Forschungsergebnisse hat für den Industriepartner zur Konsequenz, daß das Forschungsdarlehen zu Konditionen, die denen des bereits existierenden BMFT-Programms »FuE-Darlehen für kleine Unternehmen zur Anwendung neuer Technologien« ähneln könnten, zurückgezahlt wird.

Der Projektträger übernimmt eine neue Funktion. Er fördert die Integration außerdisziplinärer Bereiche, die wesentlich zur erfolgreichen Überführung von FuE-Ergebnissen beitragen können, und unterstützt insbesondere kleine und mittlere Unternehmen beim Controlling und dem Technologietransfer.

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