Der unsichtbare Wettlauf um fortschrittliche Materialien

Fortschrittliche Materialien als unsichtbarer Innovationstreiber

Vom autonomen Auto bis zum Smartphone, von Impfstoffen bis zur Künstlichen Intelligenz: Moderne Gesellschaften stützen sich immer stärker auf einen kaum sichtbaren Wettlauf – den um fortschrittliche Materialien. Neben der schrittweisen Optimierung von Metallen, Polymeren, Keramiken und ihren Verbundwerkstoffen stechen zentrale Durchbrüche bei strukturellen und funktionalen Materialien hervor – etwa ultraleichte Legierungen, metallisches Glas (amorphe Metalllegierungen), Metamaterialien mit künstlich konzipierter Mikrostruktur, selbstheilende Materialien, Biomaterialien und Aerogele. Ebenso entscheidend sind Materialien für Energiemanagement und Energiespeicherung, darunter Halbleiter der nächsten Generation, zweidimensionale Materialien wie Graphen sowie Phasenwechselmaterialien. Hinzu kommen Quantenmaterialien, deren Eigenschaften aus kollektiven Quantenphänomenen entstehen – zum Beispiel Halbleiter-Nanokristalle, Hochtemperatur-Supraleiter auf Cupratbasis und topologische Isolatoren.

Globale Konkurrenz, Rohstoffzugang und industrielle Stärken

Dieser Wettbewerb ist stark durch den Zugang zu grundlegenden Rohstoffen begrenzt. Die USA liegen vorne bei Halbleitern, Quantenmaterialien und Biomaterialien. China fällt besonders bei Graphen, strukturellen Materialien sowie der Produktion im grossen Massstab auf. Japan und Südkorea sind vor allem bei Keramiken, funktionalen Polymeren und Materialien für Elektronik und Energie stark. Die EU setzt auf wissenschaftliche Exzellenz und Nachhaltigkeit und verfolgt das Ziel, in kritischen Wertschöpfungsketten strategische Autonomie zu gewinnen. In Portugal steht einer relevanten wissenschaftlichen Basis eine Industrie gegenüber, die bei Materialien mit hoher Wertschöpfung weiterhin vergleichsweise begrenzt ist – umso dringlicher ist eine engere Abstimmung zwischen Wissenschafts-, Innovations- und Industrialisierungspolitik.

Grüne und digitale Transformation: Druck auf Wertschöpfungsketten

Fortschrittliche Materialien sind ein Schlüssel für die grüne und digitale Transformation, für industrielle Wettbewerbsfähigkeit, für die Widerstandsfähigkeit von Wertschöpfungsketten und für technologische Souveränität. Weltweit geraten sie unter einen bislang beispiellosen Druck, ausgelöst durch das Zusammenspiel aus geopolitischer Fragmentierung, technologischem Tempo sowie Umwelt- und Klimabeschränkungen entlang des gesamten Lebenszyklus – von Abbau und Herstellung über Verarbeitung und Fertigung bis zum Lebensende. Wirksame internationale Zusammenarbeit benötigt deshalb nicht nur Finanzierung, sondern auch institutionelle Fähigkeiten und strategische Intelligenz; sie verlangt eine stärkere vorgelagerte Koordination zwischen Wissenschaft, Industrie und Regulierung; und sie setzt Ansätze nach dem Prinzip "safe by design" und "sustainable by design" in allen Phasen der Innovation voraus.

KI und Quanten: Materialien als Engpass und Beschleuniger

In diesem Rennen beschleunigt KI die Entdeckung und die Optimierung neuer Materialien, während digitale Systeme zugleich auf effizientere Materialien für Rechenleistung und Energiemanagement angewiesen sind. Auch Quantencomputing und Quantensensorik brauchen Materialien mit aussergewöhnlicher Kohärenz, extrem präzise kontrollierten Defekten und nicht-klassischen elektronischen Eigenschaften – damit wird die Materialwissenschaft zu einem kritischen Faktor für Spitzentechnologien.

Dabei geht es um zentrale Bereiche der heutigen Wirtschaft – Mobilität, Kommunikation, Energie, Gesundheit, Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung. Wer bei den Materialien der Zukunft führt, beherrscht nicht nur Technologien, sondern verschiebt das wirtschaftliche und strategische Kräftegleichgewicht der Welt.