Dr.-Ing. Peter Grambow: Ein Stück Zukunft aus Bayern – Innovation durch Nanotechnologie

Die Nanotechnologie ist eine Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Mit ihrer Hilfe können neue Materialeigenschaften durch eine genaue Beherrschung der Strukturgrößen zwischen 1 und 100 Nanometern gezielt eingestellt und Eigenschaften wie z.B. die mechanische Stabilität für die jeweilige Anwendung maßgeschneidert werden.

 

Als Quer­schnittstechno­­logie beeinflusst die Nanotechno­logie viele wichtige Branchen wie Halb­leiterindustrie, Automobilindustrie, Biotech­nologie, Chemie, Medizin­technik, Sensorik, Umwelttech­nologie, Luft- und Raum­fahrt, Maschinenbau und Textilindustrie. Darüber hinaus bieten Nanotechno­logien eine Vielfalt von Anwendungs­mög­lich­keiten für völlig neue Produkte oder Produkt­eigenschaften wie leitfähige Kunststoffe, ultraleichte Bau­stoffe oder Lacke mit hoher Wärme­leitfähigkeit.

Neben den USA und Japan liegt Deutschland im Bereich Nanotechnologie an der Weltspitze hinsichtlich Techno­logieführerschaft und Innovationskraft. Bayern gehört dabei zu den führenden Nanotechnologie-Standorten in Deutschland. Insbesondere kleine und mittlere Unter­nehmen in Bayern schöpfen aus dem enormen Potenzial der Nanotechnologie. Um diese Spitzenposition langfris­tig zu sichern und weiter auszubauen, ist die Kooperation mit nationalen und internationalen Institutionen, Netz­werken und Firmen über die bayerischen Landesgrenzen hinaus von großer Bedeutung.

raumfahrtteil
Parallel zu den Herstellungsverfahren von Nano­mat­eria­lien entwickeln sich die Prozess­technologien wie das Dis­pergieren zu Schlüssel­technologien auf dem Weg zu höheren Stückzahlen. Dabei optimiert man die gleichmäßige Verteilung eines bestimmten Nanomaterials beispielsweise in einer Kunststoffmatrix und kann damit diesen Kunststoff gezielt funktionalisieren, ihm also maßgeschneiderte Eigenschaften verleihen, die er sonst nicht hätte. Durch die Einbringung von z.B. Nanosilber kann man Kunststoffe leitfähig machen und damit völlig neue Produkteigenschaften realisieren.

Diese technische Entwicklung hat auch Auswirkungen auf die Strategie innerhalb des Clusters Nanotechnolo­gie. Die Nutzung von Synergien innerhalb und sogar zwischen verschiedenen Industrien ist äußerst wichtig für den Inno­vationsprozess. Die Projektanfragen zeigen, dass die Verknüpfung unterschiedlicher Bereiche entscheidende Impulse für den Wettbewerbsvorteil geben kann. Netz­werke spielen hier eine außerordentlich wichtige Rolle, um beispielsweise die gesam­te Wert­schöpfungskette, ausgehend von der Produktion des Grundmaterials, ver­bunden mit der weltweiten Ver­­fügbarkeit, bis hin zur Ent­sorgung abzubilden. Ei­ne Firma allein ist in der Re­gel nicht in der Lage, die erfor­derlichen Entwick­lungs­leis­tungen zu erbringen und die wirtschaftlich­en Risiken zu tragen. ­Daher hat der Clus­ter Nano­techno­logie entsprechende Netz­werke ­ins Leben ge­ru­fen (z.B. Nano­Carbon, Nano­Silber, Nano­BRIDGE etc.), die insbeson­dere an den Schnitt­stellen zwischen For­schung, anwendungsorientierter Ent­wick­lung und Pro­duktion agieren. Und genau hier setzt die Arbeit des Clusters Nano­technologie an, dessen Hauptaufgabe im Technologie­transfer zwisch­en den Stakeholdern aus Wissenschaft und Wirtschaft besteht.

Cluster Nanotechnologie ­­– Im Netzwerk zum Erfolg
Die Nanoinitiative Bayern GmbH managt das Cluster Nano­technologie in Bayern, das im Rahmen der baye­rischen Cluster­offensive vom Freistaat Bayern gefördert wird. Eine effiziente Unterstützung des Techno­logie­­transfers zwischen den Stakeholdern aus Wissenschaft und Wirt­schaft liefert neue Impulse für die Be­reiche Forschung, Ent­wicklung und Produktion. Innovationen in diesem Hochtechnologiebereich werden vor allem von kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) betrieben, da bei der Umsetzung ­häu­­­fig eine hohe Risiko­bereit­schaft und ein hohes Maß an Flex­ibilität erforderlich sind. Da­her liegt der Fokus des Clusters auf der Unterstützung der KMUs bei der Umsetzung im Rahmen konkreter FuE-Projekte.

Zusätzlich bildet der Förder­verein Nano­netz Bayern e.V. eine ­of­­-
fene Platt­form für die Clus­ter­­aktivitäten. Durch die Bünde­lung und Ko­­­­ordi­nierung der Kernkom­pe­tenzen aus den Be­reich­en der Forschung, Indust­rie, Lehre und Dienst­leistung werden Synergien geschaffen, die wesentlich zur Ein­­­bringung von Nano­­tech­nologie-Ansätzen in den gesellschaftlichen und wirt­schaftlichen Raum beitragen.

Eine Vielzahl von Veranstalt­ungen, z. B. Clustermeetings, Fach­­kongresse oder Messe­teil­nahmen in Form von Cluster-Gemein­schaftsständen, wurde gezielt auf die Kernaktivitäten abgestimmt, um den interessierten Unter­nehmen und Akteuren des Clusters einen deutlichen Mehr­wert anzubieten. Eine der wichtigsten Kernaktivitä­ten des Clusters ist die Pro­jektarbeit. Diese erstreckt sich, je nach Kunden­bedarf, von der Initiierung eines Projektes über Begleitung, Beratung und Durchführung bis hin zum kompletten Management eines Pro­jektes. Darüber hinaus kön­­nen FuE-Projekte oder Arbeits­kreise auch den fach­lichen Keim bil­den, um weiterreichende Netz­werke aufzubauen. Hier gilt es, insbesondere inno­vative kleine und mittlere Unter­nehmen, Groß­­unter­neh­men und an­-wen­dungs­orientierte For­schungs­ins­­­titu­te ­und Uni­versi­täten zu­­­­­sam­menzu­­schließen ­mit dem Ziel, Nano­­materia­l­ien in kon-krete, markt­­nahe Anwen­dun­­gen und Pro­­duk­te zu überführen.

Die Produktionskapazität für MWCNT (Multi-Wall Car­­bon Nanotubes) bei­spiels­­weise ist wei­ter angestiegen und lag nach Aus­sage der Ame­rican Cera­mic Society weltweit bei über 4.500 Jahres­tonnen (2011). Das bedeutet, dass diese Nano­materialien zunehmend auch in größeren Mengen zur Verfü­gung stehen. Insbesondere aufgrund des wachsenden Interesses, der enormen technischen Möglich­­­­keiten von Carbon Nanotubes und auch der ­Ent­deck­ung der Graphene wurden die Cluster-Aktivitäten in diesem Bereich stärker ausgebaut und das Ko­op­erationsnetz­werk Nano­Carbon gegründet.

Das Netzwerk NanoCarbon
Das Netzwerk NanoCarbon zielt vor allem auf die Un-
­ter­­stützung von KMUs bei der Umsetzung von For­schungs­ergebnissen zu ­Na­-
no­kohlen­stoffmaterialien in inno­­va­tive Anwendungen und marktfähige Produkte ab. Nano­Car­bon fungiert als Anlauf­stelle für Partner aus Indus­trie und Forschung und be­schäftigt sich mit der Herstellung, Verarbeit­ung, Anwen­dung, Produktion und Entsorg­­ung von Na­­-
no­kohlenstoff­­­ma­te­ria­lien. Die Partner werden dabei durch die Moderation des Netz­werk­manage­ments bei der Zusammenarbeit umfassend unterstützt und durch eine enge technologische Zusammenarbeit in die Lage versetzt, neue Anwendungen und Produkte für Nano­kohlen­stoffe am Markt zu etablieren. Im Rahmen des Netzwerks NanoCarbon sind mehrere zielgerichtete FuE-Projekte zur Nutzung des Poten­zials von Nano­kohlenstoffmaterialien zwischen Insti­tuten und Unter­nehmen geplant, von denen eine Reihe in Bayern ansässig sind (FutureCarbon, Eckart und HPS). Durch die Teil­nahme der Unter­nehmen am Netz­werkvor­ha­ben soll die Wettbewerbsfähig­keit des baye­rischen Mittel­­stands nach­haltig gesteigert ­werden.

Netzwerkprojekt NanoSilber
Das Netzwerk NanoSilber hat sich die Förderung und Unterstützung kleiner und mittlerer Unternehmen bei der verantwortungsvollen Nutzung von Nano­silber durch innovative Entwick­lun­gen zur Auf­­gabe gemacht. Nanosilber ist ein Material mit einem hohen technisch­en und wirtschaftlichen Potential: Silber-Nanopartikel und -drähte zeigen einzigartige Eigen­schaften, die makroskopisches Silber nur in geringerem Ausmaß aufweist. Aufgrund dieser Eigenschaften prognostizieren Markt­studien dem Nanosilber­markt ein Wachstum von 290 Mio. US-Dollar im Jahr 2011 auf 2 Mrd. US-Dollar in Jahr 2018.
Das Netzwerkmanagement unterstützt die Partner da­bei durch Moderation der Zusammenarbeit, bei der Beantra­g­ung von Fördermitteln und beim Finden neuer Koop­e­rations­partner.

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Europäisches Zentrum für Dispersionstechnologien (EZD) Neben den Nanomaterialien (z.B. Nanosilber und Nanokohlenstoff) nimmt die Verarbeitungs- und Prozess­technologie einen immer höheren Stellenwert ein. Die Automatisierungstechnik und Verfahrenstechnik spielen häufig die entscheidende Rolle, um Nanotechnologie in den jeweiligen Produktionsumgebungen einzuführen oder effizienter zu gestalten. Um einen deutlichen Schwerpunkt in der Prozesstechnologie zu setzen, wurden durch den Cluster Nanotechnologie die Gründungsaktivitäten für das Europäische Zentrum für Dispersionstechnologien (EZD) in Selb zusammen mit dem Süddeutschen Kunststoffzentrum (SKZ) initiiert und durchgeführt. In einer konzertierten Aktion von engagierten Unternehmen aus der Region, dem SKZ und dem Cluster konnten in 2012 Fördermittel in Höhe von über 5 Mio. Euro für die Errichtung und den anfänglichen Betrieb des EZD akquiriert werden.

Das Hauptaugenmerk des neugegründeten Forschungs- und Technologietransferzentrums liegt auf der Herstell­ung und der Charakterisierung von mikro- und nanoskaligen Dispersionen. Um diese relevanten Dienstleistungen für die Industrie anbieten zu können, stehen in Selb ein kompetentes Team sowie eine vielfältige Ausstattung in den drei Bereichen – Formulierung, Dispergierverfahren und Analytik – zur Verfügung. Die enge Kooperation mit der Industrie spielt eine wesentliche Rolle für das EZD. Gerade kleine und mittelständische Unternehmen verfügen meist nicht über ausreichende Kapazitäten zur Forschung und Entwicklung. „Diese können ab sofort Unterstützung auf dem Gebiet der Dispersionstechno­logien durch das EZD in Anspruch nehmen“, so der EZD-Leiter Wolff-Fabris. Ein wei­ter­er Schwerpunkt des EZD liegt auf der Weiter­bildung und dem Wissenstransfer.
Vom Labor zur Serien­produktion Zahlreiche Na­notechnologie-basierte Entwick­lun­gen haben da­­­­bei in den letzten Jah­ren zu einer Vielzahl von neu­­artigen Pro­dukten ge­­führt. Aktu­­ell wer­den Her­stell- ­­­und Ver­­­arbeit­ungs­tech­­­­­ni­ken ­wei­­ter­­ent­­wickelt und ­wirt­­­­­­­­­­schaft­­­­­lich opti­­­miert.

EZD
Da­zu zwei Bei­spiele:

Aus den Labors der Uni­versität Würzburg ist 1998 als Spin-off die Firma nanoplus Nanosystems ­and Technologies GmbH entstanden. Seit der Gründung expandiert nanoplus kontinuierlich. Headquarter und Haupt­werk von nanoplus ist Gerbrunn bei Würzburg. Ein zweites Werk wurde im Jahr 2009 in Meiningen/Thüringen eröffnet. Die Firma hat sich auf Laserdioden für die Gassensorik spezialisiert und ist damit heute weltweit Marktführer. Die Wellenlängenbereiche der monomodigen Halbleiter­laser reichen von 760 bis 3500 Nanometer.

Ein Gründungmitglied des Nanonetzes Bayern e.V. ist die Firma Schaeffler Technologies GmbH & Co. KG. Als Automobilzulieferer ist die Reduktion von Reibung in herkömmlichen Verbrennungsmotoren ein zentrales Thema für Schaeffler. Im Beschichtungszentrum, das speziell für die Entwicklung innovativer Schichtsysteme gegründet wurde, werden seit vielen Jahren raffinierte Schichtsysteme ausgetüftelt, die die Reibung erheblich reduzieren. Rei­bungsreduktion bedeutet CO2-Einsparung, im konkreten Fall bis zu zwei Prozent je Fahrzeug, so dass an dieser Stelle ein erheblicher Beitrag zur Ressourcen­schonung durch den direkten Einfluss von Nanotechno­logie zu verzeichnen ist. Weiterhin wurden Bauteile und Systeme, z.B. für den Automotive-Bereich, entwickelt und in Großserie überführt.

Peter-GrambowDer Autor hat in Darmstadt Elektrotechnik studiert und im Anschluss als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart das Mikrostrukturlabor geplant und mit aufgebaut. Nach der Promotion folgten verschiedene Stationen in der Industrie. Seit 2010 ist Dr. Grambow zuständig für das Management des Clusters Nanotechnologie.