»ORCHESTER«: Ein Fraunhofer-Leitprojekt

Durch Krisen wie die Corona-Pandemie oder ausgesetzte Handelsabkommen kommt es immer wieder zu Lieferengpässen. Rohstoffe wie Nickel oder Magnesium und Seltene Erden, die die Industrie für die Fertigung unterschiedlichster Produkte benötigt, sind nicht immer verfügbar – oft für längere Zeit. Hier setzt »ORCHESTER«, ein neues Leitprojekt der Fraunhofer-Gesellschaft, an: Seit Januar 2024 erforschen sechs Fraunhofer-Institute, wie die nachhaltige und resiliente Versorgung gestaltet und gesichert werden kann. Das auf vier Jahr angelegte interdisziplinäre Projekt soll die Informationsbasis dafür schaffen, Werkstoffe und Bauteile in möglichst hochwertiger Form zu erhalten und in den Kreislauf zu führen.

Eine Schlüsselrolle spielt dabei die Fähigkeit, nachhaltige Produkte herzustellen: Grundlage dafür sind moderne Werkstoffe, die nicht nur als Rohstoffe zur Verfügung stehen, sondern auch in hochwertiger Form recycelt werden müssen. Begleitet von einem hochrangigen Beirat aus Forschung und Industrie arbeiten die Expert*innen der beteiligten Institute gemeinsam an einer innovativen Initiative, die sich den Herausforderungen der Kreislaufwirtschaft und der Versorgungssicherheit – insbesondere im Kontext der Energiewende – stellt.

Sichere Materialversorgung für die Zukunft

Das neue Fraunhofer-Leitprojekt strebt an, die Palette der verwendbaren Materialien zu erweitern, den Anteil recycelter Materialien in den Prozessen zu erhöhen und die Verwendung Seltener Erden auf dem Primärweg zu reduzieren, um so ein Konzept zur Krisenbewältigung zu schaffen. Damit soll ein Paradigmenwechsel in der Werkstoffspezifikation weg von einer Defini­tion über Materialzusammensetzung hin zu einer funktionsbasierten Spezifikation erreicht werden – für eine schnellere Substitution von kritischen Materialien und somit eine resilientere Materialversorgung.

Drei Demonstratoren für ganzheitliche Wirksamkeit

Die Wirksamkeit des Projekts wird anhand von drei Demonstratoren verdeutlicht, die sich auf Materialspezifikation, Recycling und Kritikalität konzentrieren:

• Für Bipolarplatten für Elektrolyseure und Brennstoffzellen oder Wärmetauscher, deren Kosten weitgehend durch den Nickelgehalt bestimmt werden – ein kritisches Element mit einem hohen Versorgungsrisiko –, wird beispielsweise nach Wegen gesucht, diesen Gehalt zu reduzieren, ohne die wesentlichen funktionalen Eigenschaften von Bipolarplatten zu beeinträchtigen.
• An anderer Stelle geht es darum, den Sekundärmaterialanteil der Aluminiumlegierung in Verdichterrädern für Wasserstoffpipelines, Brennstoffzellen und Wärmepumpen zu maximieren, um den Energiebedarf zu minimieren. Das Projekt stützt sich hierbei auf experimentelle und simulationsbasierte Hochdurchsatz-Screening-Methoden, um effiziente Legierungsvarianten zu ermitteln.
• Der dritte Demonstrator konzentriert sich auf das Recycling von Dauermagneten für Elektromotoren und Windturbinen. Dabei werden Simulationsmodelle und maschinelles Lernen eingesetzt, um den Einfluss von Verunreinigungen auf die magnetische Leistung vorherzusagen und entsprechende Legierungsfenster zu bestimmen.

»ORCHESTER« ist nicht nur ein wegweisendes Forschungsprojekt, sondern auch ein wichtiger Schritt in Richtung einer nachhaltigen und zukunftssicheren Materialversorgung für die Energiewende. Dabei können mit der verbesserten Auswahl an verwendbaren Materialien, Erhöhung des Recyclinganteils in den Prozessrouten, kürzeren Entwicklungszeiten für Legierungen, weniger Seltene Erden aus der Primärproduktion und eine erhöhte Resilienz echte Mehrwerte geschaffen werden. Das Projekt veranschaulicht, wie digitale Innovationen zur Bewältigung der Herausforderungen einer nachhaltigen und belastbaren Versorgung mit funktionssicheren Materialien beitragen können. Durch die Kombination von Forschung, Technologie und Zusammenarbeit können wir mit »ORCHESTER« neue Maßstäbe für die Zukunft der industriellen Produktion setzen und maßgeblich zur Verwirklichung einer nachhaltigen und zukunftsfähigen Wirtschaft beitragen.

Das Projektkonsortium wird vom Fraunhofer IWM koordiniert und besteht aus:

Fraunhofer IWM, Fraunhofer IWU, Fraunhofer IWS, Fraunhofer ISI, Fraunhofer IWKS, Fraunhofer IZFP.

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Laufzeit: Januar 2024 – Dezember 2027