Rob Bryant war viele Jahre Mitarbeiter der NASA und spielte eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung der Makro Fiber Composites (MFC). Anfang der 2000er Jahre arbeitete er gemeinsam mit Smart Material an der Weiterentwicklung und Industrialisierung von piezokeramischen Kompositen, die heute weltweit in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz kommen. Heute leitet er sein eigenes Beratungsunternehmen Technoir. In diesem Interview blickt er auf die Anfänge, seine Zusammenarbeit mit Smart Material und die Zukunft dieser Technologie zurück.
Herr Bryant, Sie haben eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von MFCs gespielt. Wie beurteilen Sie diese Innovation heute im Rückblick?
Die MFC sind nach wie vor ein bedeutender Meilenstein in der Verpackungstechnik. Diese Innovation – und ihre Varianten wie die Radialfeldmembran (RFD) – sind nach wie vor einzigartig in der Art und Weise, wie sie elektrische Felder auf piezoelektrische Keramikmaterialien anwenden. Möglicherweise gibt es noch weitere Varianten, die es zu erforschen gilt. Wir waren zwar nicht die Ersten, die dieses Konzept ins Auge gefassten, aber wir waren die Ersten, deren Herstellungsverfahren diese Bauelemente äußerst langlebig, extrem zuverlässig und für den kommerziellen Einsatz brauchbar machten. Dank dieser Produktionsmethode konnten die MFC-basierten Aktuatoren als kostengünstige und zuverlässige Technologie auf den Markt gebracht werden.
Wie verlief damals die Zusammenarbeit mit Smart Material?
Die Zusammenarbeit verlief hervorragend. Smart Material war eines der wenigen Unternehmen, das aktiv mit uns zusammengearbeitet hat – nicht nur als Beobachter, sondern als echter Partner –, das bestrebt war, unsere Fertigungs- und Liefermethoden kennenzulernen. Diese praxisorientierte Zusammenarbeit ermöglichte es Smart Material, die Markteinführungszeit zu verkürzen, Fertigungsrisiken und -kosten zu senken und sicherzustellen, dass das Team gut vorbereitet war und keine „versteckten Überraschungen“ auftauchten.
Wo sehen Sie heute die größten Anwendungsmöglichkeiten für MFCs??
Die beiden Hauptbereiche mit großem Potenzial sind die aktive Strukturdämpfung und die Zustandsüberwachung.
Für die aktive Strukturdämpfung sind MFCs besonders wertvoll in frei schwebenden Strukturen, wie sie beispielsweise in der Raumfahrt zum Einsatz kommen, oder in Präzisionsinstrumenten wie Elektronenmikroskope und Anlagen zur Halbleiterfertigung. Hier ist die Schwingungsdämpfung im Nanobereich von entscheidender Bedeutung.
Im Bereich der Zustandsüberwachung können MFCs als Schwingungssensoren in rotierenden oder oszillierenden Anlagen fungieren und Anomalien erkennen, lange bevor mechanischer Verschleiß auftritt. Dies ist besonders in schwer zugänglichen oder gefährlichen Umgebungen von entscheidender Bedeutung. Ein einzigartiger Vorteil ist ihre Fähigkeit, ihre eigene elektrische Energie zu gewinnen, wodurch keine zusätzliche Verkabelung erforderlich ist. Diese selbst erzeugte Energie kann für die Datenübertragung zur Echtzeit-Zustandsüberwachung und zur Verlängerung der Systemlebensdauer genutzt werden. Wartungspläne können aktualisiert werden oder ganz entfallen. Das spart Zeit und Geld.
Ein weiteres, oft übersehenes Marktpotenzial ist die Gesundheitsüberwachung von Wildtieren und Nutztieren. Das MFC hat erfolgreich die Langzeit-Telemetrie von Fischen in ihren natürlichen Lebensräumen demonstriert – unter extremen Bedingungen, die beweisen, wie robust die Systeme sind.
Solche Systeme könnten dabei helfen, die Aktivität, den Aufenthaltsort, den Gesundheitszustand und Verletzungen von Tieren zu verfolgen. Sie liefern wertvolle Daten für die ökologische und landwirtschaftliche Überwachung, z.B. in der Freilandhaltung. Sie ersetzen Fahrzeuge und Drohnen, die nach den Tieren suchen müssen, um dann festzustellen, ob es ihnen gut geht oder nicht.
Und was ist mit Piezokompositen im Allgemeinen?
Lassen Sie mich kurz ein paar allgemeine Dinge über Piezokeramiken und Polymere sagen. Als Materialwissenschaftler und Ingenieure sagen wir oft: „Ein neues Material muss sich seinen Weg in eine Anwendung erst erkämpfen.“ Das soll heißen, dass es schwierig ist, eine bestehende Technologie zu ersetzen, denn den potenziellen Kunden ist möglicherweise gar nicht bewusst, dass sie mit einer neuen Technologie einen Vorteil hätten. Anders ausgedrückt: Wer noch nie einen Apfel gesehen hat, wird auch nie nach Apfelkuchen fragen.
Bei Piezo-Materialien gibt es zwei Grundtypen: Keramiken mit geringer Nachgiebigkeit und hoher Kraft sowie Polymere mit hoher Nachgiebigkeit und geringer Kraft. Im Allgemeinen eignen sich Keramiken besser als Aktoren, während Polymere als Sensoren hervorragende Eigenschaften aufweisen. Anstatt auf Feinheiten einzugehen, ist es die Integration und Verpackung dieser Materialien, die es ihnen nicht nur ermöglicht, in Anwendungsbereiche vorzudringen, die von herkömmlicher Hardware dominiert werden. Vielmehr bieten sie auch Vorteile, mit denen sie bestehende Technologien ersetzen können, indem die für deren Betrieb erforderlichen Hilfssysteme überflüssig werden.
Wenn eine neue Technologie „eingekauft“wird, mag der Anschaffungspreis zwar hoch sein, doch die langfristigen Kosten sind gering – das gilt auch für piezoelektrische Systeme. Ich habe das Gefühl, dass wir bisher nur an der Oberfläche dessen gekratzt haben, was möglich ist. Leider konzentrieren sich die meisten Fördermittel und der kommerzielle Fokus auf einen engen Anwendungsbereich, während viele andere potenzielle Einsatzmöglichkeiten noch unerforscht sind. Es dauert eine Generation, bis sich ein neues Materialkonzept in der Industrie etabliert hat. Derzeit fehlt es noch an speziellen mikroelektronischen Trägersystemen, mit denen man die Effizienz der aus diesen Materialien hergestellten Bauelemente voll ausschöpfen kann.
Was erhoffen Sie sich von der Zusammenarbeit zwischen der NASA und Smart Material?
Was Weltraumanwendungen betrifft – einschließlich derjenigen unter der Leitung der NASA, der ESA und anderer Weltraumorganisationen –, hoffe ich, dass wir als Menschheit unseren Vorstoß in den Weltraum mit immer ausgefeilteren Instrumenten fortsetzen werden. Das wird nötig sein.
Im Rahmen früherer Missionskooperationen mit Smart Material hat die NASA gezeigt, dass piezoelektrische Systeme in der abgelegenen, komplexen Umgebung des Weltraums leistungsstarke, zuverlässige und risikoarme Lösungen bieten. Zur Bewältigung dieser Herausforderungen wird eine enge Zusammenarbeit mit spezialisierten Herstellern solcher Systeme wie Smart Material angestrebt. Sie stellen einzigartige Antriebs-, Sensor- und Elektroniklösungen bereit, die für die Missionsziele erforderlich sind und sie übertreffen.
Sie besitzen zahlreiche Patente und planen, diese zur Gründung neuer Unternehmen in Deutschland und Europa zu nutzen. Können Sie bereits verraten, worum es dabei geht?
Wir hoffen, den Zeitaufwand, den Schulungsbedarf und die Einstiegskosten für die Herstellung von materialbasierten Anlagen zur Produktion von hochmodernen Kompositen, Folien, Laminaten, Beschichtungen und anderen hochentwickelten materialbasierten Produkten zu reduzieren. Unser Fokus liegt nicht darauf, die Produkte selbst anzubieten, sondern anderen die Möglichkeit zu geben, neue, innovative Materialien zu entwickeln oder bestehende zu verbessern. Kurz gesagt: Wir möchten Innovationen fördern, indem wir die entsprechenden Werkzeuge und das Know-how zugänglich machen. Es lohnt sich, diese Entwicklungen zu verfolgen!
