Geleitet von der Evolution: Junge Forschende treiben die Grenzen biogener Materialinnovation voran
- GSI
- vor 2 Stunden
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Über den gesamten Kontinent hinweg übernehmen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Anfang ihrer Laufbahn zunehmend Verantwortung für die Modernisierung der Materialwissenschaften. Während ökologische Belastungen weiter zunehmen – von Plastikabfällen über schrumpfende natürliche Ressourcen bis hin zu den steigenden Kosten industrieller Neuentwicklungen – gestalten junge Forschende Fortschritte, die die Entwicklung nachhaltiger Materialien grundlegend verändern könnten. Zu den vielversprechendsten Ansätzen gehört eine Initiative des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung, in enger Zusammenarbeit mit Universitäten, bei der evolutionäre Berechnungsverfahren und moderne KI eingesetzt werden, um die Entdeckung erneuerbarer, biogener
Kunststoffalternativen zu beschleunigen.
Unter der Leitung aufstrebender Talente wie Sophia Stinus und Luca Noll steht diese Arbeit für weit mehr als einen weiteren Forschungserfolg. Sie markiert einen Wandel darin, wer die wissenschaftliche Antwort auf den ökologischen Niedergang anführt, und zeigt, wie junge Fachkräfte bereit sind, Verantwortung für die kommenden Jahrzehnte zu übernehmen.
Eine Herausforderung, die nicht länger aufgeschoben werden kann
Aus fossilen Rohstoffen hergestellte Kunststoffe dominieren weiterhin die weltweite Produktion und erreichen rund 414 Millionen Tonnen pro Jahr. Mikroplastik verunreinigt inzwischen Meere, landwirtschaftliche Böden und sogar den menschlichen Körper. Schätzungen zufolge nehmen Menschen jährlich zehntausende solcher Partikel auf oder atmen sie ein – eine Entwicklung, die sich verschärfen wird, wenn praktikable Alternativen nicht deutlich ausgeweitet werden.
Der Ersatz dieser Materialien ist jedoch alles andere als einfach. Biogene Polymere aus erneuerbaren Ressourcen wie Lignin, Zellulose oder Stärke besitzen grosses Potenzial, doch ihre natürliche Variabilität erschwert die Optimierung. Jede mögliche Rezeptur verhält sich anders, und die nahezu unendlichen Kombinationen aus Additiven und Prozessparametern zu erforschen, kann extrem kostspielig sein. Für viele Forschungsgruppen und KMU verlangsamen diese Hürden den Übergang zu nachhaltigen Formulierungen und treiben die Entwicklungskosten in die Höhe.
Genau dieses Hindernis möchte das Fraunhofer-Projekt überwinden.
Wo künstliche Intelligenz auf evolutionäre Logik trifft
Im Zentrum der Initiative steht eine grundlegende Frage: Kann rechnerische Intelligenz bessere Materialformulierungen schneller finden als traditionelle Experimente?
Mithilfe von Strategien, die von biologischer Evolution inspiriert sind, hat das Team ein System entwickelt, das enorme experimentelle Möglichkeiten mit beeindruckender Geschwindigkeit analysieren kann. Neuronale Netze und Gradient-Boosting-Modelle beurteilen wahrscheinliche Ergebnisse und steuern die Auswahl vielversprechender Formulierungen – Monate an Laborarbeit werden so auf Tage oder Wochen verkürzt.
Anstatt hunderte Varianten von Ligninanteilen, enzymatischen Aktivitäten, Trocknungsparametern oder Faserzugaben zu testen, hebt die KI nur diejenigen Kombinationen hervor, die das grösste Potenzial besitzen. Erste Tests zeigen bereits nach der ersten Optimierungsrunde deutliche Verbesserungen der Biegefestigkeit. Über zehn Zyklen hinweg verbesserten sich die Druckbarkeit und die mechanischen Eigenschaften kontinuierlich – ein klarer Hinweis auf das Potenzial vollständig erneuerbarer Materialien für die additive Fertigung.
Für Entwicklerinnen und Entwickler von Beschichtungen, Klebstoffen und Materialien könnten die Auswirkungen grundlegend sein. Die Neuentwicklung einer einzigen Produktformulierung kann zwischen 3 und 24 Monaten dauern und bis zu 300.000 € kosten – eine untragbare Belastung für kleinere Unternehmen. Ein KI-gestützter Ansatz hingegen kann Zeit und Kosten drastisch reduzieren und nachhaltige Innovationen in der Industrie wesentlich zugänglicher machen.
Ein Generationenwechsel in der wissenschaftlichen Führung
Hinter dem technischen Erfolg steht eine tiefere kulturelle Aussage. Der Fortschritt des Projekts wurde durch die Entschlossenheit und Flexibilität junger Forschender vorangetrieben, deren Bereitschaft, unkonventionelle Methoden zu erkunden, rasche Entwicklungen erst ermöglicht hat.
Ihre Beteiligung unterstreicht eine grundlegende Wahrheit: Die ökologischen Herausforderungen von morgen werden in vollem Umfang auf den Schultern heutiger Studierender und Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler lasten. Sie werden mit den Folgen von Klimastörungen und Ressourcenknappheit konfrontiert sein – und sie werden diejenigen sein, die widerstandsfähige Alternativen entwickeln müssen.
Projekte wie dieses zeigen, wie der Zugang zu modernen digitalen Werkzeugen, interdisziplinärer Ausbildung und praxisnaher Forschung junge Menschen befähigt, globalen Umweltbelastungen mit wissenschaftlicher Kreativität zu begegnen. Sie sind nicht nur Lernende – sie gestalten den zukünftigen Kurs der Industrie.
Bildung als Grundlage des ökologischen Fortschritts
Diese Arbeit vermittelt eine klare Botschaft an politische Entscheidungsträger und Wirtschaftsführungen: Bildung bleibt das wirksamste langfristige Mittel des Umweltschutzes. Investitionen in wissenschaftliche Ausbildung, Forschungsinfrastrukturen und Programme an der Schnittstelle von KI, Biotechnologie und nachhaltigem Ingenieurwesen sind unerlässlich, wenn zukünftige Generationen die kommenden Herausforderungen bewältigen sollen.
Solche Initiativen dienen als praxisnahe Ausbildungsplattformen. Sie verlangen von Studierenden, reale Probleme zu lösen, etablierte Abläufe zu hinterfragen und auf Grundlage von Evidenz neue Lösungen zu entwerfen. Auf diese Weise wird Nachhaltigkeit nicht nur zu einer moralischen Erwartung, sondern zu einer technischen Aufgabe, der sie gewachsen sind.
Die Vorteile dieser Bildungsinvestitionen reichen weit über das Labor hinaus. Die Forschenden von heute werden die Entscheidungsträgerinnen und Entscheidungsträger von morgen sein – verantwortlich für die Materialien, Technologien und Systeme, die eine nachhaltige Wirtschaft tragen.
Auf dem Weg zu einem intelligenteren und verantwortungsvolleren industriellen Modell
Durch die Verbindung von prädiktiver KI und evolutionärer Optimierung stellt das Fraunhofer-Team ein zukunftsweisendes Modell der Materialentwicklung vor – eines, bei dem erneuerbare, zirkuläre und ressourcenschonende Prinzipien die Grundlage des Engineerings bilden, statt nur ein nachträglicher Zusatz zu sein.
Dieser Ansatz ist in vielen Branchen anwendbar – von der Polymerwissenschaft bis zur Pharmaforschung. Er stellt die Annahme infrage, dass Nachhaltigkeit zwangsläufig hohe Kosten bedeutet, und zeigt stattdessen, dass intelligente Werkzeuge in Verbindung mit gut ausgebildeten Fachkräften Entwicklungszyklen verkürzen, Kosten senken und verantwortungsvolle industrielle Praktiken fördern können.
Dies ist nicht nur ein technologischer Erfolg; es ist ein Beweis für den Wert von Bildung, die Bedeutung der Förderung junger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie die zentrale Rolle, die Forschungseinrichtungen bei der Vorbereitung der Gesellschaft auf ökologische Veränderungen spielen.
In einer Zeit ökologischer Dringlichkeit gibt es kaum eine wichtigere Investition, als die nächste Generation zu befähigen, Verantwortung zu übernehmen.
Weiterführende Literatur
Weitere Informationen zur Entwicklung dieser Methode finden Sie unter:
„Wie man ‘Holzplastik’ für den Drucker entwickelt: Evolutionsalgorithmen für den 3D-Druck“, Biointelligenz.