„Wo analoge Lösungen effizienter sind als digitale“

Der Top-Materialwissenschafter Peter Fratzl erforscht Biomaterialien. Über Informationsverarbeitung in der Natur, Wechselwirkungen zwischen Natur- und Geisteswissenschaften und das Recyclingproblem.

Er gehört zu den meistzitierten Materialwissenschaftern der Welt und damit zu den Topforschern auf seinem Gebiet: Peter Fratzl, gebürtiger Wiener, ist Direktor am Max-Planck-Institut für Kolloidund Grenzflächenforschung in Potsdam, wo er an der Schnittstelle von Biound Materialwissenschaften forscht. Fratzl gliedert sein Department aus Biologen, Physikern und Ingenieurwissenschaftern in drei Bereiche: Es geht um die Erforschung von Materialien für medizinische Implantate („für die Natur“), Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen („von der Natur“) und bioinspirierten Strukturen („durch die Natur“).

Standard: Sie arbeiten in Ihrer Abteilung „Biomaterialien“ohnehin stark interdisziplinär. An den aktuellen Projekten sind außerdem Design- und Geisteswissenschaften beteiligt. Wie kommt das?

Fratzl: In einem Exzellenzcluster mit der Humboldt-Universität und Kunsthochschulen wollen wir unter Beteiligung vieler Disziplinen das Analoge im Zeitalter des Digitalen beleuchten und verstärken. Das Internet braucht jetzt schon einen großen Teil unseres Strombedarfs – Tendenz steigend, weil immer mehr Geräte damit verbunden werden. Wenn wir alles nur mehr über Rechner steuern, dauert das viel zu lange. Wir brauchen lokale Informationsverarbeitung direkt in intelligenten Materialien und analoge mechanische Lösungen dort, wo sie viel effizienter sind als digitale.

Können

Sie

ein

Beispiel

Standard: nennen?

Fratzl: Ein historisches Beispiel ist der Keilriemen, der die Drehrichtung eines Rads auf ein anderes überträgt. Da brauche ich keinen Sensor, der die Drehrichtung misst, die Information an einen Rechner schickt, der Signale an das zweite Rad und dessen Motor sendet. Wir überlegen im Projekt: Wie viel Information kann ich ins Material packen, ohne dass es digitale Datenverarbeitung braucht?

Standard: Wo kommen die Biomaterialien ins Spiel?

Fratzl: Wir kennen viele Beispiele aus der Natur, bei denen massiv Information in der Konstruktion von Material steckt. Am MPI wurde etwa die australische Pflanzengattung der Banksien erforscht. Viele ihrer Arten bilden Samenkapseln, die jahrzehntelang regungslos sind und erst durch die große Hitze eines Buschfeuers einen Riss bilden, der beim nächsten Regen Wasser einlässt. Die Kapsel kann aufquellen, wodurch der Samen herausfällt. Dieses komplexe Verhalten geschieht ohne das Zutun einer lebenden Zelle, gebaut von einer Pflanze, die nicht einmal ein Nervensystem hat! Wenn bestimmte Bedingungen eintreten, verhält sich das Material richtig. Die Information dafür ist in die Struktur eingeschrieben. Das begeistert einen Ingenieur.

Standard: Wie sieht die interdisziplinäre Kooperation aus?

Fratzl: Meine Erfahrung hat gezeigt, dass es schon nicht einfach ist, mit Medizinern zusammenzuarbeiten – aber das ist nichts im Vergleich zur Arbeit mit Geisteswissenschaftern. Die Arbeitsweise ist irre unterschiedlich. In dem Projekt geht es aber nicht nur darum, zu dokumentieren, wie etwas war oder ist, und daraus Schlüsse zu ziehen. Es geht außerdem um die Herangehensweise und Zukunft von Forschung, auch der naturwissenschaftlichen, die durch die Wechselwirkung mit den Geisteswissenschaften verändert werden kann. Wir kommen dadurch zu ganz neuen Forschungsfragen, die meine Abteilung vorher nicht auf dem Schirm hatte.

Welche Fragestellungen sind

Standard: das?

Fratzl: Etwa: Wie könnten wir besser recyceln? Unser Hauptproblem dabei ist das Trennen verschiedener Materialien. Das gibt es bei Biomaterialien in der Natur nicht, weil fast alles aus Zuckern, Proteinen und Mineralien besteht. Beispiele wären Zellulose, Wolle und Knochen. Diese Stoffe müssen nicht getrennt werden und können einfach abgebaut werden. Schwieriger ist der Abbau eines Smartphones, das gleichzeitig Kunststoffe, Schwermetalle und seltene Erden enthält. Wenn das kaputtgeht, ist es giftiger Sondermüll.

Standard: Wie ließe sich das Problem materialwissenschaftlich anders angehen? Fratzl: Wir können versuchen, diese hohe Komplexität der chemischen Zusammensetzung zu reduzieren und stattdessen mehr Komplexität auf Strukturebene schaffen. Denken Sie an die Schalldämmung: Dafür kann ich Kunststoff verwenden, aber auch andere Materialien entsprechend porös gestalten und so die Schallausbreitung verringern. Das wird nicht alle Probleme lösen, bietet aber spannende Projekte, die sich aus dieser Zusammenarbeit ergeben. Viele interessante Lösungen kann man nicht direkt umsetzen, sondern muss sie verstehen und daraus neue Prinzipien entwickeln. Das passiert nicht von heute auf morgen. Aber heute und in Zukunft ist mehr denn je die Frage wichtig: Wie können wir in einer Mangelsituation, in der wir nicht alle Rohstoffe unbegrenzt zur Verfügung haben, trotzdem genauso gut leben wie bisher?

PETER FRATZL, 1958 in Wien geboren, ist Diplomingenieur und Physiker. Er war Professor an der Uni Wien, der Universität München und der Montanuniversität Leoben sowie Direktor des Erich-SchmidInstituts für Materialwissenschaft der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Hinzu kommen mehrere Ehrendoktorate und Honorarprofessuren. Seit 2003 zählt er zu den Direktoren des Potsdamer Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung. 2010 erhielt er mit dem LeibnizPreis der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) den wichtigsten deutschen Wissenschaftspreis. Er bleibt aber auch Österreich verbunden: Er ist u. a. Mitglied der ÖAW und kooperiert zur Erforschung von Knochenerkrankungen mit dem LudwigBoltzmann-Institut für Osteologie.