Die Zeit wird knapp. Die Menschheit steht vor der großen Herausforderung, den CO2-Ausstoß zu stoppen, um die globale Erwärmung zu begrenzen. Deshalb werden jetzt viele neue Technologien entwickelt, unter anderem im Bereich der Brennstoffzellen und der Solarzellen. Die meisten Entwicklungen beruhen auf der Entwicklung neuer Materialien. Die Materialforschung ist jedoch sehr langsam und ineffizient. Auch bei der Koordinierung der Forschung gibt es Unzulänglichkeiten.
Materialforschung
Das muss anders sein, das kann anders sein. Dies ist die heilige Überzeugung von Aaike van Vugt von VSParticle, einem Scale-up-Unternehmen, das vor sieben Jahren an der Technischen Universität Delft gegründet wurde. “Die Materialforschung ist ein “trial-and-error”-Prozess, der sehr langsam und teuer ist. Um ein neues Material zu entwickeln, vom ersten Test im Labor bis zur industriellen Produktion, vergehen leicht fünfzehn Jahre”, sagt der 31-jährige Geschäftsführer von VSParticle. Sein Unternehmen hat eine Lösung entwickelt, einen Nano-Drucker und ein automatisiertes Labor – beides könnte eine echte Revolution einleiten.
Der Nano-Printer, so Van Vugt, kann mit einem Tintenstrahldrucker verglichen werden, der mit vier Grundfarben über 15.000 Farbtypen in jeder Form drucken kann. “Mit dem Nano-Printer können wir 62 Grundelemente wie Zink, Aluminium und Titan in eine feste Form bringen. Der Drucker mischt die gewünschten Elemente in der benötigten Menge in einem digitalen Verfahren. Die Materialien werden auch in Nanopartikel umgewandelt. Dies hat den Vorteil, dass sich die physikalischen Eigenschaften des Materials ändern, was ihnen noch mehr Möglichkeiten für die Herstellung eines neuen Materials bietet.
Nano-Drucker
Die Maschine druckt das Material in einem digitalen, additiven Fertigungsprozess in beliebiger Form. Wenn man darüber nachdenkt, hat das etwas Unglaubliches an sich. Innerhalb weniger Minuten spuckt der Nano-Drucker das neue Material mit den gewünschten Eigenschaften in der gewünschten Form aus (3D-Druck). Ein Forscher würde sich monatelang damit beschäftigen, so wie es derzeit in der wissenschaftlichen Welt der Fall ist.
Der Forscher von heute muss das neue Material testen, die Daten verarbeiten, eine Schlussfolgerung ziehen und, wenn das gewünschte Material nicht zufriedenstellend ist, neue Parameter anwenden, um einen neuen “trial-and-error”-Zyklus zu beginnen. Wenn etwas schief geht, wird die Materialprüfung tausende Male durchgeführt, bevor das gewünschte Ergebnis erreicht wird. Der Nano-Printer verkürzt den Entwicklungszyklus von Jahren auf Stunden. Der Prozess der Suche nach dem gewünschten Material ist eine kontinuierliche Entwicklung. Und die Maschine muss sich natürlich nicht an Arbeitsverträge halten.
Automatisiertes Labor
Neben dem Nano-Drucker entwickelt VSParticle auch ein vollautomatisches Labor. Anstelle von Forschern aus Fleisch und Blut werden Computer neue Materialien herstellen, testen und analysieren. Ein automatisierter Roboterarm bringt das Substrat vom Drucker ins Labor, wo es von einem intelligenten Computersystem analysiert wird. Der Computer sendet jedes Mal neue Befehle an den Drucker, bis er das erhält, wonach die Forscher gesucht haben.
Das computergestützte Labor ist nicht dazu da, Forscher arbeitslos zu machen. Es gibt noch viele andere, kompliziertere und kreativere Forschungsarbeiten. Es ist besser, wenn sich die Wissenschaftler darauf konzentrieren. Computergestützte Forschung und kreative Experimente können sich gegenseitig ergänzen.
Ein weiterer Vorteil der Automatisierung der Materialrecherche besteht darin, dass alle Daten automatisch gespeichert werden. So entsteht Schritt für Schritt die weltweit umfangreichste und wertvollste Datenbank für Materialeigenschaften. Die Datenbank kommt der Wissenschaft zugute, und die teilnehmenden Universitäten und Institute können von ihr profitieren. Die Datenbank gewährleistet auch eine bessere Effizienz und Koordination.
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Öffentliches Interesse
Da es sich bei der universitären Welt um eine etwas abgeschottete Sphäre handelt, kommt es regelmäßig vor, dass ein und dieselbe Materialforschung zur gleichen Zeit an mehreren Einrichtungen durchgeführt wird, ohne dass die Menschen davon wissen oder wissen wollen. Die Abfrage der Datenbank hilft, Doppelungen zu vermeiden.
Der Nano-Printer und das automatisierte Labor können für die Gesellschaft von großem Nutzen sein, da neue Materialien viel schneller entwickelt werden können. Dies wird Innovationen und damit der Reduktion von Kohlenstoff zugute kommen.
Die Idee von VSParticle hat etwas Altruistisches an sich. Es handelt sich um eine Art Einrichtung des öffentlichen Interesses. VSParticle spricht mit den bekanntesten Universitäten und wissenschaftlichen Einrichtungen der Welt auch über das Sponsoring eines NanoPrinters.
Geschäftsmodell
Dennoch ist das Geschäftsmodell des Unternehmens wirtschaftlich sinnvoll. Als Gegenleistung für die kostenlose Bereitstellung (und Unterstützung) der Hardware für die “Wissenschaft” erhält VSParticle bestimmte Rechte am geistigen Eigentum oder an dem, was mit dem Gerät entwickelt wird. “Unser Unternehmen ist das Bindeglied zwischen Forschung und Industrie”, erklärt Van Vugt.
Für seine Industriekunden entwickelt VSParticle in seinem automatisierten Labor neue Materialien, die es ihnen ermöglichen, Hightech-Produkte der neuen Generation auf den Markt zu bringen. Um das von VSParticle entwickelte Material in die Produktion bringen zu können, entwickelt VSParticle in Zusammenarbeit mit Industriepartnern einen Nano-Printer der zweiten Generation, der die Produktion ermöglicht. Sobald das neue Hightech-Produkt an den Kunden verkauft ist, erhält VSParticle einen “fairen Anteil am Umsatz”, wie van Vugt sagt.
Datenbank der Materialeigenschaften
Der erste Nano-Printer wird im Jahr 2022 vorgestellt. Van Vugt hat keine Angst, dass das gesamte Projekt scheitern könnte. Schließlich wird ein Prototyp an der Technischen Universität Delft bereits zufriedenstellend eingesetzt. Und in den letzten vier Jahren wurden die Submodule von VSParticle, funktionierende Komponenten des Druckers, in dreißig Einrichtungen auf der ganzen Welt installiert, darunter in China, Japan und den Vereinigten Staaten. Dieser Nano-Printer soll zum weltweiten Standard für die Herstellung neuer Materialien werden und zu einem globalen Netzwerk im Bereich des Datenmanagements beitragen. Es sollte auch zu einer Zusammenarbeit zwischen den führenden Institutionen führen.
Es ist zu hoffen, dass die Zusammenarbeit zustande kommt. Van Vugt räumt ein, dass dies auf den ersten Blick nicht einfach ist. “Wir gehen aber davon aus, dass die Dringlichkeit des Klimaproblems die Wissenschaftler tatsächlich zur Zusammenarbeit bewegen wird. Wir richten uns insbesondere an die neue Generation von (Assistenz-)Professoren, die sich dessen bewusst sind und auch um die Ineffizienz der derzeitigen wissenschaftlichen Forschung wissen.”
Es bleibt die Frage, welche Technologie hinter dem Nano-Drucker steckt. Kurz gesagt handelt es sich um die so genannte Funkenablation (spark ablation), ein physikalisches Verfahren, bei dem reine Teilchen in einer hochkontrollierten Umgebung ohne den Einsatz von Chemikalien erzeugt werden.
Erfunden wurde diese Technologie von Andreas Schmidt-Ott, Professor für Chemieingenieurwesen an der Technischen Universität Delft. Er ist auch einer der Mitbegründer von VSParticle.
Kollaboration
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