Der Materialmacher

Er kommt immer früher: der Tag, an dem die Ressourcen, die die Erde natürlich zur Verfügung stellt, von der Menschheit aufgebraucht sind. Lag er in den 1970er Jahren noch im Dezember oder November, wird der sogenannte »Erdüberlastungstag « in diesem Jahr schon Ende Juli, Anfang August erreicht sein.

Die Energiewende soll diesen Trend umkehren, auch in Deutschland. Doch mit der Weltbevölkerung und zunehmendem Wohlstand steigt der weltweite Konsum von Gütern, was den Energiebedarf stetig in die Höhe treibt. Damit ist fraglich, wie schnell die Welt von klimaschädlichen fossilen Treibstoffen loskommen wird.

Professor Dr. Sanjay Mathur sieht die Energiefrage als einen entscheidenden Eckpfeiler auf dem Weg in eine nachhaltige Zukunft. Daher erforscht er mit seinem Team unter anderem effiziente Elektrolysemethoden und neuartige Katalysatoren zur Gewinnung von grünem Wasserstoff. Aber da die Produktion immer neuer Güter zunehmend mehr Materialeinsatz erfordert, müssen sich auch die von der Industrie verwendeten Materialien wandeln: Sie müssen langlebiger werden und der benötigte Materialeinsatz muss sinken. Er ist überzeugt: »Die Nachhaltigkeitswende ist eine Materialwende.«

Mathur leitet den Lehrstuhl für Anorganische und Materialchemie am Department für Chemie und Biochemie der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät. In seiner Forschung auf dem Gebiet der chemischen Nanotechnologien beschäftigt er sich schon seit Jahren mit der Frage, wie die Funktionalität von Materialien verbessert, ihre Langlebigkeit erhöht und gleichzeitig der Ressourceneinsatz reduziert werden kann.

Dabei sieht er auch in Technologien, die für die Energiewende besonders wichtig sind, Verbesserungsbedarf: »Nehmen wir das Beispiel Windkraft. Die Anlagen sind heute nur für eine Funktionszeit von etwa zwanzig Jahren gebaut. Das Gleiche gilt für Materialien für Batterie- und Photovoltaiksysteme. Sie erfordern ein ganzheitliches Konzept – von der Integration der Materialien in die Bauteile bis hin zu ihrer optimalen Nutzung und Wiederverwendung. « Mathurs Team forscht daher an Batterien für Elektroautos, die mit integrierten Solarpaneelen wieder aufgeladen werden können, oder an Materialien für Brennstoffzellen, die Wasserstoff als Energieträger nutzen. Diese Aspekte der Materialentwicklung interessieren nicht nur ihn, sondern sein gesamtes Team von 45 Personen aus 17 Ländern.
 

Langlebigkeit ohne »Ewigkeitschemikalien«

Die Substitution etablierter Materialtechnologien ist für Mathur keine triviale Angelegenheit: »Das bedeutet eine disruptive Veränderung für die Industrie«, so der Chemiker. Ein Beispiel sind die Einschränkungen, die mit der zukünftigen Verwendung von per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen (PFAS), den sogenannten ›Ewigkeitschemikalien‹, verbunden sind. Die meisten PFAS dürfen in der Europäischen Union zukünftig nicht mehr verwendet werden, da ihre starken chemischen Verbindungen nicht natürlich abbaubar sind und die Umwelt belasten. Mathur sieht den Einsatz der vielseitigen Materialien mit einzigartigen Eigenschaften jedoch als dringend geboten. Zu ihren Anwendungsbereichen gehören neben Anti-Haft-Pfannen und Funktionsbekleidung die Halbleiter- und Automobilindustrie sowie andere High-Tech-Sektoren.

Für diese Art von Baustoff gibt es sogar einen ganz neuen Begriff: »engineered living materials«. Sie gehen noch einen Schritt weiter als die Fassadenbegrünung und integrieren das pflanzliche Material direkt in die Kernstruktur. »Bei diesen Materialien ist die Werkstoffauswahl besonders wichtig, denn die Stabilität und Sicherheit des Gebäudes dürfen nicht beeinträchtigt sein«, sagt Mathur.

Diese Beispiele sind nur einige von vielen Forschungsbereichen, in denen Studierende, Promovierende und Postdocs am Institut für Anorganische und Materialchemie aktiv sind. Was heute unter den Begriff Nachhaltigkeit fällt, stand dort schon viel früher auf der Tagesordnung. Sanjay Mathur ist froh, dass nun an der Uni ein Prorektorat für diesen Bereich und ein Nachhaltigkeitsbüro mit Anknüpfungspunkten für viele seiner Forschungsthemen eingerichtet wurden. Was jedoch in Köln nicht vertreten ist, sind Ingenieurswissenschaften, die die vielen anwendungsorientierten Forschungsergebnisse aus Mathurs Arbeitsgruppe testen und zur technischen Anwendung verhelfen könnten. Hier setzt er auf das starke regionale Forschungsnetzwerk: Neben den Partnern aus der Industrie kooperiert Mathurs Lehrstuhl unter anderem mit der RWTH Aachen, dem Deutschen Luftund Raumfahrtzentrum, dem Forschungszentrum Jülich und der Universität Bonn. Auch mit dem Gateway Exzellenz Startup Center ist er in engem Austausch. »Wir machen viele patentwürdige Entdeckungen. Die Technologiescouts vom Gateway schauen in alle Arbeitsgruppen rein und beraten uns.« Mit der »Materials Alliance Cologne« ist schon vor zehn Jahren eine Ausgründung gelungen, die seither die Kooperation zwischen Universität und freier Wirtschaft fördert.
 

Ein Profil für die Kölner Chemie

Die Vielfalt der Themen im Department für Chemie und Biochemie macht für Sanjay Mathur den Reichtum des Kölner Standortes aus, doch er sieht auch Vorteile in einer gezielteren Profilbildung, etwa durch das Einwerben eines Sonderforschungsbereiches oder einer anderen prestigeträchtigen Förderung: »Wenn das gelingt, können wir unsere Position in der Fachwelt stärken, effizientere Strukturen für die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses schaffen und unsere Lehrangebote optimieren.«

In jedem Fall sieht er Köln als den optimalen Standort für ein solches Vorhaben an: Neben vielen Industrieunternehmen arbeiten die Universitäten und Forschungseinrichtungen in der sogenannten ABCD-J Region (Aachen, Bonn, Köln Düsseldorf und Jülich) in vielen Bereichen eng zusammen. Gemeinsam mit diesen Partnern will der Chemiker auch weiterhin an Materialien und Energieträgern für eine Zukunft forschen, in der es keinen Erdüberlastungstag mehr gibt.

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