Seit mehr als 12 Jahren betreut die NMWP Management GmbH die Schlüsseltechnologiebereiche Nanotechnologie, Mikrosystemtechnik, Werkstoffe und Photonik im Auftrag der Landesregierung in Nordrhein-Westfalen.
In dieser Zeit hat sich um das Team von NMWP.NRW ein umfangreiches und engmaschiges Netzwerk aus Unternehmen aller Größenordnungen, Forschungseinrichtungen und Vertreterinnen und Vertretern der Landes-, Bundes- und EU-Politik gebildet. Vereint in dem Ziel, den Transfer neuer Technologien voranzutreiben, kommt das Netzwerk in regelmäßigen Abständen zusammen, um über aktuelle Technologietrends zu beraten. NMWP.NRW trägt in diesem Prozess die aktuellen Themen zusammen und unterstützt die Akteure als neutrale Plattform bei der Entwicklung neuer Zukunftsperspektiven.
“Nur, wer eine Technologie versteht, kann auch die Herausforderungen begreifen, die es zu lösen gilt.”
NMWP.NRW unterscheidet sich in seiner Art grundlegend von vielen Netzwerkinitiativen und Branchenclustern. NMWP.NRW ist ein Technologiecluster. Während viele Netzwerke sich mit den Entwicklungen innerhalb einer spezifischen Branche befassen, beschäftigt sich NMWP.NRW mit der Frage , wie neue Technologien zu einer Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit beitragen können und welchen Nutzen sie für die Gesellschaft bringen. Damit Antworten auf diese Fragen gefunden werden können, braucht es ein tiefgreifendes Verständnis der Technologien. Diese Fachexpertise, die teilweise auf jahrzehntelanger Erfahrung im technologieorientierten Innovationsmanagement fußt, nutzt und erweitert das Team von NMWP.NRW in den täglichen Gesprächen mit den Akteuren aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik. Die Überzeugung: Nur wer eine Technologie versteht, kann auch die Herausforderungen begreifen, die es zu lösen gilt.
Nanotechnologie
Nanotechnologie ist schon lange kein ausschließlicher Bestandteil der Forschung mehr. Spätestens seit Anfang der 2000er Jahre ist die Nanotechnologie in unserem Alltag angekommen. Zu diesem Zeitpunkt war die Strukturgröße (=Dicke) der Schaltkreise in den Computerchips unterhalb der 100 nm Grenze angelangt. Ist ein Körper in einer Dimension (x-, y- oder z-Achse) kleiner als 100 nm, ist es Nanotechnologie. Wir finden Nanotechnologie also auch in Beschichtungen (z.B. auf Brillengläsern oder nicht-reflektierenden Oberflächen), die zwar in zwei Dimensionen (z.B. x- und y-Achse) mit dem Lineal vermessen werden können, deren Dicke aber nur mit einem Elektronenmikroskop bestimmt werden kann.
Der Einfluss und die Bedeutung von Nanotechnologie, konkreter gesagt der Nanoelektronik, zeigt sich beispielsweise in der Halbleiterindustrie. Hier werden mehrere hundert Milliarden US-Dollar in die Fertigungstechnologie investiert, um die erreichbare Strukturgröße auf 2 nm zu senken. Kurz gesagt: Nanotechnologie ist längst zu einer Schlüsseltechnologie geworden, auf deren Schultern ein großer Teil der Weltwirtschaft steht und deren politische Bedeutung für die Zukunft noch gar nicht abzusehen ist. In anderen Bereichen tritt die Nanotechnologie gerade ihren Siegeszug an. Zum Beispiel in der Biomedizin bei der Krebsdiagnostik und -therapie. Auch wenn die Entwicklungen in vielen Bereichen noch am Anfang stehen, so zeigt sich doch, dass Nanotechnologie auch diesen Bereich revolutionieren wird.
Mikrosystemtechnik
Die Nanotechnologie kann ihren maximalen Mehrwert nur in Verbindung der Mikrosystemtechnik entfalten. Warum? Weil Computerchips und Sensoren auch verdrahtet werden müssen. Verdrahten meint in diesem Fall natürlich nicht allein das Einstecken einer Steckverbindung, zum Beispiel eines Stromsteckers in die Steckdose, sondern die Verbindung der einzelnen, teilweise auf Nanotechnologie basierenden Bauteile eines elektrischen Geräts. Diese Verbindungen sind in der Regel keine Kabel mehr, sondern aufgedampfte Kupferbahnen auf den Platinen. Generell ist die Planung, Fertigung, der Zusammenbau (“Packaging”) und das Testen von Platinen Teil der Mikrosystemtechnik. Das macht die Mikrosystemtechnik, wie die Nanotechnologie, zu einem wichtigen Bestandteil der Halbeleiterindustrie.
Wussten Sie, dass die Mikrosystemtechnik das Herzstück vieler smarter Produkte ist? So sind Bauteile, die eine hohe Spezialisierung aufweisen (beispielsweise das smarte Thermostat) speziell für diese Aufgabe designed worden. Das bedeutet, dass die Schaltkreise bereits so angeordnet sind, dass die Aufgabe effizient und zuverlässig erledigt wird. Damit ist klar, warum ein Kaffeevollautomat nicht zum Addieren von Zahlen geeignet ist und warum ein Taschenrechner keinen Kaffee kochen kann: er ist schlichtweg nicht für diese Aufgabe geplant worden.
Neue Materialien
Disruptive Innovationen, die eine Volkswirtschaft grundlegend verändern können, sind ausnahmslos an die Entdeckung bzw. Nutzbarmachung neuer Werkstoffe und Materialien gekoppelt. In der Tat haben Werkstoffe ganze Epochen der Menschheitsgeschichte nicht nur geprägt, sondern diesen auch ihren Namen gegeben. Selbst die industrielle Revolution wäre ohne den Werkstoff Stahl nicht in diesem Maße möglich gewesen, die digitale Revolution nie ohne die Prozessierbarkeit von Silizium entstanden. Auch heute spielen neue Materialien eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung neuer Technologien und bei der Entstehung neuer Märkte. Egal ob Quantencomputer oder druckbare Solarzellen: Neue Materialien und ihre Verarbeitung sind der Schlüssel zum Erfolg.
Die Bedeutung der Materialien für die Weltwirtschaft und -politik zeigt sich sowohl bei den seltenen Erden als auch bei Lithium. Während seltene Erden vor allem für die Elektroindustrie ein wichtiger Rohstoff sind, ist Lithium ein Kernelement der Energiewende. Dort findet es vor allem Anwendung als Elektrodenmaterial. Zwar wird auch an der Nutzung von Natrium oder Aluminium geforscht, in naher Zukunft ist ein Austausch von Lithium jedoch nicht vorstellbar. Da die derzeitige Förderung von Lithium und seltenen Erden aus vielen Gründen umstritten ist, bekommen Recycling und Kreislaufwirtschaft eine immer stärkere Bedeutung für die Materialwirtschaft. Das heißt, dass neue Materialien gebraucht werden, die nicht nur performant, sondern auch recyclebar sind.
Photonik
Die Photonik beschreibt die Wechselwirkung von Photonen (griechisch Photon „Lichtteilchen“) mit Materie und ist ein bedeutender Enabler sowohl für Innovationen in zahlreichen Branchen als auch die Grundlage für das tägliche Leben von Menschen, Tieren und Pflanzen.
Glasfasern, Laser und Photodioden sind die Voraussetzung für schnellste Datenverbindungen z.B. für das Internet. Leuchtdioden (LEDs) ermöglichen energiesparende Beleuchtungssysteme. Hochleistungslaser bilden die Grundlage moderner, digitaler Fertigungsverfahren. Kameras, LIDAR und optische Sensoren sind die Augen für (teil-) autonome Fahrzeuge. Solarzellen produzieren nachhaltige, grüne Energie. Dies sind nur einige wenige Beispiele, in denen photonische Komponenten und Systeme eine Schlüsselrolle spielen.
Zahlreiche kleine und große Unternehmen, Hochschulgruppen und Forschungseinrichtungen aus Nordrhein-Westfalen entwickeln und fertigen zum einen Lösungen für den Weltmarkt, zum anderen nutzen sie diese, um ihre Produkte und Dienstleistungen weiterzuentwickeln.
Geballte Power der Schlüsseltechnologien – Die Solarzelle
Während jede Schlüsseltechnologie für sich genommen schon eine beeindruckende Bandbreite an Anwendungen besitzt, wird die Bedeutung von Nanotechnologie, Mikrosystemtechnik, neuer Materialien und Werkstoffe sowie Photonik erst in ihrem Zusammenspiel deutlich. Nehmen wir eine Solarzelle als Beispiel.
Das Herzstück einer Solarzelle ist das sogenannten Absorbermaterial. Das Absorbermaterial wandelt Licht in Strom um. Damit aber ein Strom fließen kann, muss ein Lichtteilchen seine Energie an das Material abgeben. Dies geschieht durch den sogenannten “Photoelektrischen Effekt”, für den Albert Einstein seinen Nobelpreis in Physik erhalten hat. Der Effekt beschreibt, einfach formuliert, die Aufnahme der Lichtenergie durch ein Elektron, welches seinen ursprünglichen Platz verlässt und im Zuge dessen ein Loch zurücklässt. Bei vielen Halbleitermaterialien, wie z.B. speziell präpariertem Silizium, kann dieser Vorgang, der allgemein als “Anregung” beschrieben wird, durch sichtbares Licht (Solarzelle) oder Wärme (Thermoelektrikum) erreicht werden.
Nachdem das Elektron durch Licht angeregt wurde und sein Loch im Absorbermaterial hinterlassen hat, muss es schnell gehen, denn Elektron und Loch dürfen nicht zueinander zurückfinden. Deshalb besitzen Solarzellen Schichtstrukturen aus speziellen Materialien, die Elektron und Loch schnell voneinander trennen. Dadurch wird ein Stromfluss erzeugt und die Energie des Lichtes kann in Form des angeregten Elektrons genutzt werden.
Nachdem wir uns nun angeschaut haben, wie Photonik (photoelektrischer Effekt) und Materialien dazu geführt haben, dass ein Stromfluss entstehen kann, müssen wir noch klären, wie Nanotechnologie und Mikrosystemtechnik in der Solarzelle genutzt werden können. Während die Bedeutung der Mikrosystemtechnik sehr leicht durch Schaltkreise etc. klar wird, ist die Nanotechnologie – wie so häufig – nicht auf den ersten Blick sichtbar.
Die Anwendung von Nanotechnologie in, bzw. auf der Solarzelle, erfolgt in Form einer Beschichtung. Diese Beschichtung erhöht entweder die Kratzresistenz, verbessert das Abperlen von Wassertropfen (Hydrophobizität) oder erschwert das Ablagern von Schmutz. Damit können die Solarzellen länger die benötigte Leistung erbringen und müssen nicht so häufig ausgetauscht werden. Ein unspektakulärer aber wichtiger Beitrag zur Funktionsweise von Solarzellen.
Wir hoffen, dass wir Ihnen mit diesem Beitrag einen Einblick in die Bedeutung von Schlüsseltechnologien geben konnten. Das NMWP.NRW Team und die gesamte NMWP Management GmbH freut sich auf Ihre Kontaktaufnahme.
