Materialforschung
für den Alltag
Effizientere Batterien, textile Sensoren, selbst heilender Zement: An der Empa werden Materialien in ihrer ganzen Breite erforscht. Empa-Direktorin Tanja Zimmermann erklärt, was Materialforschung bewirkt, wohin sie sich entwickelt – und weshalb Holz ihr Lieblingsmaterial ist.
Tanja Zimmermann, die Empa ist DIE Schweizer Einrichtung für Materialforschung. Woran würden wir es als Gesellschaft merken, wenn es keine Materialforschung mehr gäbe?
Rund zwei Drittel aller Innovationen basieren auf Materialentwicklungen. Ohne Materialforschung gäbe es keine Fortschritte, auch in unserem Alltag. Niemand könnte etwa eine neue Batterie oder einen medizinischen Sensor entwickeln.
Gibt es typische Beispiele von Materialien, die an der Empa entstehen?
Wir entwickeln und optimieren Materialien und Fertigungstechnologien vor allem in drei Bereichen: im Bauwesen, im Energie- und im Gesundheitsbereich. Das Spektrum reicht von der Grundlagenforschung bis zu Machbarkeitsstudien zusammen mit Industriepartnern. Im Energiebereich geht es zum Beispiel um neuartige und effizientere Batterie- oder Photovoltaiktechnologien. Es werden aber auch ganz neue Materialklassen weiterentwickelt, wie etwa MXene, das sind zweidimensionale Nanomaterialien, die als Energiespeicher für die Elektronik und Sensorik interessant werden könnten.
Und in den anderen beiden Bereichen?
Bei Materialien für medizinische Anwendungen entwickeln wir etwa textile Sensoren für die Langzeit-EKG-Überwachung, die keine Metall-Elektroden mehr enthalten. Sie funktionieren zuverlässig über lange Zeit und verhindern Hautreizungen. Oder wir entwickeln einen speziellen Kleber, der undichte Stellen nach einer Operation im Bauchraum verschliesst und dank integrierter Sensoren sofort warnt, falls ein Leck entsteht. Im Baubereich stehen Konzepte aus der Kreislaufwirtschaft und die Ressourceneffizienz im Zentrum. Wir arbeiten beispielsweise an neuen Materialien, die mit deutlich weniger Beton und Stahl die gleiche Festigkeit erreichen – deren Herstellung also viel geringere CO2-Emissionen verursacht. Wir versuchen sogar, CO2-negative Materialien zu entwickeln.
Was bedeutet das?
Selbst wenn die Menschheit heute aufhören würde CO2 auszustossen, hätten wir immer noch zu viel davon in der Atmosphäre. Die CO2-Konzentration würde nur sehr langsam wieder abnehmen. Darum müssen wir CO2 aus der Atmosphäre entfernen, quasi aufräumen. Unser Ziel ist es, der Atmosphäre das überschüssige CO2 zu entziehen, es dann aber nicht einfach in den Boden zu pumpen, sondern als Rohstoff zu nutzen. Dafür haben wir die Forschungsinitiative «Mining the Atmosphere» gestartet, an der inzwischen mehr als die Hälfte aller Empa-Labs teilnehmen. Wir untersuchen zum Beispiel, ob sich der Kohlenstoff aus dem CO2 für keramische Werkstoffe wie Siliziumkarbid nutzen lässt. Oder wie wir den Kohlenstoff in Baustoffen wie Beton einlagern können.
Das klingt nach Zukunftsmusik. Gibt es auch Empa-Innovationen, die bereits heute einen grossen Impact haben in der Gesellschaft?
Sehr viele. Unser Ziel ist es stets, Wirkung zu erzielen – für KMUs, generell für die Industrie, für das Gesundheitswesen, für die Gesellschaft. Wir haben zum Beispiel ein Verfahren entwickelt, mit dem man in wasserabweisenden Sporttextilien die problematischen PFAS-Chemikalien ersetzen kann. Oder wir bauen mit extrem hitzeresistenten Materialien eine Drohne, die direkt in ein Brandgeschehen fliegen kann, um Aufnahmen für die Feuerwehr zu machen, ohne Menschenleben zu gefährden. Und eine unserer Abteilungen hat über Jahre daran gearbeitet, kohlefaserverstärkte Kunststoffe zu entwickeln. Sie arbeitete schon vor ungefähr 20 Jahren mit dem Alinghi-Segelteam zusammen, das damals den America’s Cup gewann. Nun kommen diese ultraleichten, aber auch enorm robusten Materialien im Grossmassstab in die Umsetzung – und zwar in Brücken und anderen Bauwerken. Damit lässt sich sehr viel Stahl ersetzen, die Konstruktionen werden viel leichter – bei den gleichen mechanischen Eigenschaften. Es gäbe noch viele andere Beispiele mit unzähligen Materialien.
«Nachhaltigkeit kann nur entstehen, wenn die Technologie dazu vorhanden ist.»
Wie hat sich die Materialforschung in den letzten Jahrzehnten entwickelt?
Sie hat sich extrem gewandelt. Zum einen durch den Einsatz digitaler Technologien. Die heutige Materialentwicklung läuft computergestützt ab – mit Simulationen, Maschinellem Lernen, digitalen Zwillingen. Zum anderen haben sich die Analyse- und Charakterisierungsmöglichkeiten enorm verbessert. Was sich heute auf atomarer Ebene abbilden und untersuchen lässt, ist unglaublich. Auf diese Weise erkannte man zum Beispiel, dass sich Materialien im Nanobereich zum Teil ganz anders verhalten als im Mikro- oder Makrobereich. Und schliesslich ist die Materialforschung viel effizienter geworden. Heute ist es möglich, mit Hochdurchsatz-Anlagen Hunderte von Materialproben innert kürzester Zeit zu charakterisieren.
Auch die Empa selbst hat sich gewandelt, von der einstigen Materialprüfungsanstalt zur international anerkannten Forschungsinstitution. Wie wichtig ist die Materialprüfung noch für die Empa?
Die klassische Materialprüfung spielt heute an der Empa keine grosse Rolle mehr. Alles, was auch private Ingenieurbüros testen können, sollen sie übernehmen. Wir tragen aber weiterhin überall dort zur Materialprüfung oder -normierung bei, wo sehr spezifisches Know-how oder spezielle Anlagen notwendig sind.
Wo zum Beispiel?
Durch die Klimaerwärmung werden künftig andere Baumarten in unseren Wäldern wachsen. Fichten und Tannen, die bisher im Baubereich vor allem verwendet wurden, gehen zurück. In unserer Bauhalle entwickeln und testen wir deshalb zum Beispiel die Stabilität von Holzträgern aus Laubhölzern für grosse Bauten. Diese Ergebnisse fliessen in die Normierung ein. Und wir haben Teile der 2018 in Genua eingestürzten Morandi-Brücke untersucht. Dafür benötigt man ganz unterschiedliche Expertise gleichzeitig: etwa für Metalle und Korrosion, Beton und Ingenieurstrukturen. An der Empa haben wir Expertinnen und Experten in all diesen Bereichen.
Gibt es Forschungsbereiche, für die das Prüfwesen wichtig geblieben ist?
Ja, zum Beispiel bei Beton und Asphalt. Es gibt nicht überall private Firmen, die einen Prüf-Service anbieten und über entsprechende Infrastruktur verfügen. Und uns helfen solche Angebote, Vertrauen aufzubauen. Firmen kommen im Gegenzug auf uns zu für Forschungsprojekte. Überhaupt stand die Empa als Prüfanstalt ja immer für Qualität. Die Bevölkerung wusste: Was von der Empa geprüft wurde, funktioniert – egal ob der Fussball für die WM oder das Kondom. Dieser Ruf ist auch heute für unsere Forschung wichtig.
Sie selbst kommen aus der Holzforschung. Was fasziniert Sie an diesem Material?
Holz ist ein unglaublich vielseitiges und spannendes Material. Es ist die einzige nachhaltig nachwachsende Ressource, über die wir in der Schweiz verfügen. Es ist leicht und trotzdem sehr stabil. Ich finde es faszinierend, wie die Natur es schafft, auf höchst effiziente Weise einen solch funktionalen Leichtbauwerkstoff herzustellen. Ausserdem ist Holz extrem gut modifizier- oder funktionalisierbar.
Was bedeutet das?
Wir haben Holz mit neuen Eigenschaften ausgerüstet, um etwa antimikrobielles, wasserabweisendes oder auch schwer entflammbares Holz zu erzeugen.
«Wir erzeugen antimikrobielles und schwer entflammbares Holz.»
Wie genau?
Man bringt zum Beispiel Mineralien ins Holz ein, um es feuerfest zu machen. Unsere ersten Versuche waren mit Kalk, der an die Zellwände angelagert wird. Etwas Ähnliches versuchen wir jetzt mit Kohlenstoff, um Holz zu einer noch grösseren CO2-Senke und gleichzeitig für Mikroorganismen schwieriger zersetzbar zu machen. Um antimikrobielles Holz zu erzeugen, haben wir Jod chemisch an das enzymatisch aktivierte Holz gebunden.
Sie haben vor allem mit Nano-Zellulose geforscht. Was ist das?
Bei fibrillierter Zellulose, wie wir sie nennen, handelt es sich um Zellulosefibrillen, die Holz oder andere Pflanzenzellwände aufbauen und deren Durchmesser im Nanometerbereich und deren Länge im Mikrometerbereich liegen. Sie haben unglaubliche Eigenschaften für technische Anwendungen. Man braucht nur wenige dieser Fibrillen in Wasser zu geben, dann erhält man ein festes, transparentes oder transluzentes Gel. Daraus ergeben sich diverse Anwendungsmöglichkeiten. Man kann es als Hydrogel nutzen. Oder Schwämme daraus herstellen, die so porös sind, dass sich damit CO2 aus der Luft einfangen lässt. Wir haben auch Zellulose-Schwämme hergestellt, die Öl aufsaugen, Wasser aber nicht und so bei Ölverschmutzungen in Gewässern helfen können.
Gibt es noch andere Anwendungen?
Fibrillierte Zellulose lässt sich als Verstärkungsmaterial in Klebstoffen nutzen. Und wenn man sie stark verpresst, ist sie eine gute Sauerstoffbarriere. Wir haben daraus eine Sprühverpackung für Früchte und Gemüse entwickelt. Die fibrillierte Zellulose wird als wässrige Suspension auf das Lebensmittel gesprayt und trocknet als dünner Film ab. Vor dem Verzehr kann man sie einfach abwaschen, grundsätzlich könnte man sie sogar mitessen. Sie sorgt dafür, dass etwa Gurken bis zu zwei Wochen länger halten.
Sie haben mit fibrillierter Zellulose sogar lebende Materialien erzeugt.
Das ist noch gar nicht lange her. Es war das letzte grosse, vom Schweizerischen Nationalfonds finanzierte Projekt, das ich mitbetreut habe, auch noch in meiner Zeit als Empa-Direktorin. Wir haben Tinten entwickelt, die Nanozellulose und Kieselalgen, sogenannte Diatomeen, enthalten –und es geschafft, das Ganze mit einem 3D-Drucker zu drucken.
Was bringt das?
Kieselalgen sind Indikatoren für die Wasserqualität. Wir konnten Sensoren bauen, die auf Wasserverunreinigungen reagieren. So könnte man die Wasserqualität in Gewässern überwachen. Es ist aber noch einiges an Arbeit nötig, um aus dem Konzept einen praxistauglichen Sensor zu entwickeln. Es gibt weitere Ideen für den Einsatz von «lebenden Materialien». Zum Beispiel könnte man bestimmte Bakterien in Zement einbringen, die in der Lage sind, bestimmte Nährstoffe in Calciumcarbonat umzuwandeln. Das liesse sich nutzen, um schwer zugängliche Risse im Zement auszubessern – eine Art selbst heilender Zement also.
Die Empa entwickelt laut ihrem Leitbild Materialien und Technologien für eine nachhaltige Zukunft. Welche Rolle spielen neue Materialien für Nachhaltigkeit?
Eine ganz wesentliche. Nachhaltigkeit kann nur entstehen, wenn die Technologie dazu vorhanden ist – sei es für Kreislaufwirtschaft, für Ressourceneffizienz oder durch Wiederverwendbarkeit. Auf der anderen Seite muss auch die Akzeptanz seitens der Gesellschaft vorhanden sein. Und am Ende muss sich die Energiewende auch wirtschaftlich auszahlen. In diesem Spannungsfeld arbeiten wir.
Woran scheitern Umsetzungen von der Forschung in die Praxis?
Das ist unterschiedlich. Wir haben von unseren mehr als 350 Schweizer Industriepartnern gelernt: Selbst wenn wir noch so tolle Materialien und Technologien entwickeln, funktioniert der Transfer in die Praxis nur dann, wenn es sich auch lohnt. Zudem hat man in der Vergangenheit oft vergessen, auch die Bevölkerung mitzunehmen. Man hat etwas entwickelt und geglaubt, die Gesellschaft werde es dann schon annehmen und nutzen. Aber der wichtigste Grund für ein Scheitern ist normalerweise die Skalierung: Etwas funktioniert im Labor, aber noch lange nicht in einem grösseren Massstab. Darum ist es wichtig, dass wir an der Empa über verschiedene Technologietransferplattformen verfügen, in denen wir Materialien auch im grösseren Massstab auf ihre Praxistauglichkeit testen.
Wo sehen Sie die Anwendungsfelder der Zukunft für Materialinnovationen?
Bei den Materialien rund um Energiewende und Klimawandel gibt es noch viel zu erforschen, das wird ein Trend bleiben. Beim Thema Digitalisierung müssen wir aufpassen, dass wir in der Schweiz den Zug nicht verpassen – und unsere Nische suchen, weil wir nicht die Ressourcen haben, alle Aspekte zu bearbeiten. Die alternde Gesellschaft ist ebenfalls ein grosses Thema, und Technologien für die Weltraumforschung sind gerade im Trend. Bei einem weiteren Thema hätte ich noch vor einigen Jahren nie gedacht, dass es aufkommen würde.
Bei welchem?
Bei der Sicherheit und Verteidigung. Wir sind eine Bundesinstitution und verpflichtet, auch solche Themen zu untersuchen, wenn die Schweizer Behörden diesbezüglich Bedürfnisse haben. Es geht dabei um Materialien und beispielsweise darum, wie man eine dezentrale Energieversorgung im Gelände sicherstellt oder wie man Körperfunktionen bei Soldaten im Einsatz überwacht.
«Die klassische Materialprüfung spielt heute an der Empa keine grosse Rolle mehr.»
Wie können Stiftungen wie die WSS mithelfen, damit in Institutionen wie der Empa neuartige Materialien entstehen?
Wir sind Stiftungen unglaublich dankbar für ihre Unterstützung. Und ich glaube, gerade die Finanzierung des Empa-Projekts CarboQuant durch die WSS ist ein hervorragendes Beispiel für eine unglaublich vielversprechende Förderung mit exzellenten Forschenden. Aber ein solches Projekt braucht einen sehr, sehr langen Atem. Dass wir es dank der WSS über zehn Jahre weiterverfolgen können, mit hochkarätigen Instrumenten, ist unglaublich wertvoll.
Wenn die Empa morgen ein unkonventionelles, riskantes Forschungsprojekt ohne Rücksicht auf Förderlogik oder Politik starten dürfte – welches Thema würden Sie sofort wählen?
Das wäre etwas Visionäres, wie ich es zu Beginn des Gesprächs skizziert habe: der Versuch, mit «Mining the Atmosphere» Kohlenstoff aus der Luft zu holen, um den CO2-Anteil in der Atmosphäre wieder auf das vorindustrielle Niveau zu senken und den Kohlenstoff gleichzeitig sinnvoll zu verwenden. Dazu braucht es eine sehr breite Zusammenarbeit – und, ganz wichtig: Wir müssen zuerst noch so weit kommen, dass wir genügend nachhaltige Energie erzeugen. Das alleine ist eine grosse Aufgabe und ein Vorhaben von riesengrosser Relevanz.
Tanja Zimmermann
Tanja Zimmermann ist Professorin für Materialwissenschaft und -technik an der ETH Zürich und an der EPFL in Lausanne und seit 2022 Direktorin des Materialforschungsinstituts Empa. Die 58-Jährige studierte Holzwissenschaften und -technologie und promovierte zu den Grundlagen technischer Anwendungen von Zellulose. Sie baute an der Empa das Forschungsgebiet Zellulose-Nanokomposite auf und etablierte es in der Schweiz. Von 2011 bis 2017 leitete sie an der Empa die Forschungsabteilung Angewandte Holzforschung. Ab 2017 war sie Direktionsmitglied und Leiterin des Departements Functional Materials, das sich mit ganz unterschiedlichen Materialien befasste, von Holz- und Zellulose-basierten Werkstoffen über Beton und Asphalt, Hochleistungskeramik und Polymerfasern bis hin zu Materialien und Komponenten für Energieanwendungen.
