Das Wunder lässt sich Zeit

Damals genügten ein Bleistift und ein Klebestreifen, um in der Welt eine Begeisterung für Graphen auszulösen. Im Herbst 2004 veröffentlichten Andre Geim und Konstantin Novoselov ihre Untersuchungen an dem Material. Die beiden Physiker an der britischen University of Manchester hatten Graphen hergestellt, indem sie mit einem Klebestreifen extrem dünne Kohlenstoff-Schichten von einer Bleistiftspitze abrissen. Geim und Novoselov wiesen nach, dass dieses Graphen außergewöhnliche elektronische Eigenschaften besitzt. 2010 erhielten die beiden Wissenschaftler für ihre Entdeckung den Physiknobelpreis.

Graphen ist eine zweidimensionale Form von kristallinem Kohlenstoff. In seiner Idealform besteht es aus einer nur eine Atomlage dünnen Schicht, in der Kohlenstoff-Atome in einem Wabenmuster angeordnet sind. Dass es solche zweidimensionalen Materialien gibt, war schon seit den 1940er-Jahren bekannt. Der Name „Graphen“ stammt aus den Achtzigern.

Ein Feuerwerk der Superlative

Geims und Novoselovs wissenschaftliche Veröffentlichung löste in Laboren rund um den Erdball intensive Forschungsaktivitäten aus. Die Superlative überschlugen sich förmlich bei den entdeckten Eigenschaften: das dünnste Material, das leichteste, stärker als Stahl, extrem glatt, praktisch unsichtbar, ein besserer elektrischer Leiter als Kupfer, ein besserer Wärmeleiter als Diamant – und obendrauf offenbarte Graphen diverse exotische Quanteneigenschaften.

Neben Graphen, das aus einer oder wenigen atomar dünnen Schichten besteht, gibt es das Material auch als Graphenoxid. Einlagiges bis wenige Lagen dünnes Graphen wird für die Anwendung oft in Form sehr dünner Schichten auf einem Trägermaterial abgeschieden, zum Beispiel für Anwendungen in der Elektronik oder Sensorik. Graphenoxid liegt häufig pulverförmig vor und dient als Zusatz in Stoffgemischen, um die Eigenschaften zum Beispiel von Kunststoffen, Verbundwerkstoffen oder Zement zu verbessern.

Es war schwer vorstellbar, welche Anwendung von diesem Wundermaterial nicht profitieren könnte: Elektronik, Computer, Baustoffe, Solarsegel und Weltraumaufzüge – all das galt als aussichtsreiches Einsatzfeld. Der Milliardär Richard Branson, Hauptanteilseigner der britischen Fluggesellschaft Virgin Atlantic, verstieg sich noch 2017 zu der Einschätzung, dass Flugzeuge in zehn Jahren aus Graphen bestehen könnten, um durch ihr dann geringeres Gewicht viel Sprit einzusparen.

Ein Flaggschiff der EU-Forschung

Die allgemeine Begeisterung rief auch die Europäische Union auf den Plan: 2013 startete sie das auf zehn Jahre angelegte „Graphen-Flaggschiff“, eine der bislang größten paneuropäischen Initiativen für Forschung und Innovation. Mehr als 200 wissenschaftliche Einrichtungen und Unternehmen arbeiteten im Lauf der Jahre gemeinsam an Projekten. Eine Milliarde Euro sollte in die Initiative fließen: 500 Millionen Euro direkt von der EU, die andere Hälfte durch die einzelnen Länder sowie durch Unternehmen und Forschungseinrichtungen. Etwa 1.000 Promovierende und Postdoktoranden begannen ihre beruflichen Karrieren auf dem Graphen-Flaggschiff. Rund 20 Ausgründungen sind entstanden, 80 Patente wurden erteilt.

Doch inzwischen wird die Graphen-Forschung in Europa mit deutlich weniger gefördert: Vorgesehen sind nun weitere 62,5 Millionen Euro zwischen 2023 und 2027, um den Weg des Materials in die Industrie weiter zu ebnen.

Es gibt verschiedene Gründe, warum Graphen bislang noch nicht den Durchbruch auf breiter Front geschafft hat. Ein Beispiel sind falsche Erwartungen: „Um 2010 gab es die Hoffnung, dass Graphen das neue Silizium für die Computerindustrie wird“, erinnert sich Cedric Huyghebaert, der damals am belgischen Forschungsinstitut IMEC arbeitete, einem der größten Forschungszentren für Nano- und Mikroelektronik in Europa. „Doch bald stellte sich heraus, dass Graphen das nicht leisten kann.“ Denn Silizium ist ein Halbleiter, und erst diese Eigenschaft macht moderne Computerchips möglich. Graphen hingegen kann nicht zum Halbleiter werden. Die Folge: „Graphen-Transistoren sind zwar äußerst schnell, aber sie lassen sich nicht ausschalten“, sagt Huyghebaert. „Doch Computerchips müssen schaltbare Transistoren besitzen.“

Und wie immer bei einem Material steckt der Teufel auch bei der Herstellung im Detail, wie das Beispiel von pulverförmigem Graphen zeigt: Es ist fordernd, ein gut verarbeitbares Gemisch zu bekommen, wenn Graphen mit seinen positiven Eigenschaften einem anderen Material hinzugefügt werden soll.

Ein langer Atem ist vonnöten

Henning Döscher ist Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI in Karlsruhe. Zusammen mit seinem Team hat er das Graphen-Flaggschiff über die Jahre mit einem strukturierten Roadmap-Prozess begleitet, um das Potenzial besser einschätzen zu können. Er vergleicht die Situation bei Graphen mit den Anfängen der Silizium-Elektronik in den 1950er-Jahren: „Bis daraus Innovationen wie das Internet oder das Smartphone entstanden sind, hat es noch viele Dekaden gedauert – und anfangs hat niemand diese Anwendungen kommen sehen.“ In der Materialentwicklung sei immer ein langer Atem gefragt. „Wer Graphen in seinen Produkten nutzen will, muss oft komplett neue Lieferketten aufbauen, das Vertrauen in die neuen Lieferanten muss erst wachsen. Das alles geht selten von heute auf morgen“, erläutert Döscher.

Insofern findet der Fraunhofer-Forscher es nicht überraschend, dass Graphen noch nicht den großen wirtschaftlichen Durchbruch schaffte. „Graphen ist weiterhin mehrheitlich ein technologiegetriebenes Thema, oft keines, das vom Markt gefordert wird“, sagt Döscher. „Erst wenn das Graphen bei Kosten, Nutzen und Qualität einem etablierten Material in konkreten Anwendungen überlegen ist und die Lieferketten etabliert sind, wird es zur echten Alternative.“ Die wissenschaftliche Forschung jedenfalls habe überzeugende Beweise für die Wirksamkeit von Graphen in vielen Anwendungen erbracht.

Chemischer Zusatzstoff für Gummi und Farben

Laut dem Graphen-Flaggschiffprojekt sind in den zehn Jahren der Kernförderung mehr als 100 europäische Produkte auf Graphen-Basis entstanden. Der Begriff „Produkt“ ist dabei aber recht weit gefasst, manches dieser Produkte lässt sich vielleicht treffender als Demonstrator bezeichnen. Doch es gibt sie, die Produkte, auch in Europa. Zum Beispiel produziert die 2004 in Spanien gegründete Firma Avanzare neben Spezialadditiven und funktionellen Gemischen auch Nanomaterialien, darunter Graphen. Solche Zusatzstoffe helfen grundsätzlich, die Eigenschaften von Kunststoffen, Gummi oder Farben zu verbessern. Es wird gemunkelt, dass Avanzare Graphen inzwischen im Maßstab von einigen Kilotonnen pro Jahr für Kunden herstellt. Offizielle Aussagen gibt es keine. Kilotonnen sind unter Zulieferern der Chemieindustrie nicht die Welt, aber durchaus relevante Mengen.

Ab und an tauchen auch weitbekannte Namen im industriellen Graphen-Kosmos auf. So nutzt der chinesische Elektronikkonzern Huawei inzwischen in mehreren seiner Smartphone-Modelle Graphen-Beschichtungen, um die entstehende Wärme effektiver abzuleiten. Der Automobilhersteller Ford kündigte 2019 an, in einigen Fahrzeugmodellen Kunststoffbauteile zu nutzen, die dank Graphen stabiler, besser wärmeleitend und weniger vibrationsanfällig seien.

Konsumprodukte, in denen Graphen eine Rolle spielt, gibt es unter anderem beim britischen Unternehmen Inoveight zu kaufen. Den Sohlen der angebotenen Trailrunning-Schuhe ist Graphen beigemischt. Das verbessere den Grip und mache die Schuhe langlebiger als Konkurrenzprodukte, so die Botschaft des Anbieters.

Geheimniskrämerei in der Wirtschaft

Henning Döschers Team hat 2022 in einer nicht repräsentativen Stichprobe weltweit in Internetshops Konsumprodukte recherchiert, die laut Eigenbeschreibung Graphen enthalten. „Da kam tatsächlich eine Zahl von rund 220 Produkten zusammen“, sagt er. „Das reichte von einem Toaster mit transparentem Deckel über Funktionskleidung bis zum Schmiermittel. Wir haben aber nicht überprüft, ob und wie viel Graphen tatsächlich in den einzelnen Produkten steckt.“ Der Markt für Graphen als industrielles Zusatzprodukt sei sehr intransparent: „Oft verschweigen Hersteller, dass ihre – womöglich überlegenen – Produkte Graphen enthalten, um die Konkurrenz nicht mit der Nase darauf zu stoßen.“

Industrielle Produkte hat auch Sixonia im Visier, ein Start-up aus Dresden. „Wir können eine ganze Familie von Graphen-Materialien elektrochemisch erzeugen, deren Eigenschaften wir über den Herstellungsprozess einstellen“, erklärt der Gründer und Chemiker Martin Lohe. „So entsteht funktionalisiertes Graphen aus wenigen atomaren Lagen, das unsere Kunden ihren Produkten beimischen, zum Beispiel für verbesserte Beschichtungen.“ Die Pilotanlage für die Graphen-Herstellung ist im Rahmen der Flaggschiffinitiative der EU entstanden. „Im Verlauf der Jahre haben wir zusammen mit Kunden in rund 150 Projekten getestet, wo die größten Potenziale für eine industrielle Anwendung liegen“, berichtet Lohe. Er arbeitet seit 2017 an der Entwicklung der Technologie. Sein Unternehmen beschäftigt heute sechs Mitarbeiter und hat seit 2025 einen privaten Investor an Bord.

Inzwischen richtet Sixonia seinen Fokus auf Graphen für Batteriezellen. „Die Leistungsfähigkeit der Elektroden kann von unserem Graphen profitieren“, sagt Lohe. Für die Zelle würde das ein schnelleres Laden, weniger Verlustwärme und eine größere Leistungsdichte bedeuten. „Uns geht es aber nicht nur um aktuelle Lithium-Ionen-Batterien, sondern auch um künftige Technologien, etwa um Lithium-Metall-Batterien.“ Die Entwicklung bei Zellherstellern verläuft immer in mehreren Stufen, sodass Sixonias aktuelle Produktionskapazitäten von 50 Tonnen Graphen-Lösung pro Jahr ausreichend sind. „Die schrittweise Skalierung ist kapitalintensiv, aber später nötig, um die Herstellungskosten für das Graphen weiter zu drücken“, beschreibt Lohe die Perspektive. Dass die Forderung nach stärker lokalisierten Lieferketten in Europa gerade Fahrt aufnimmt, kommt Sixonia dabei entgegen.

Kohlenstoff-Schichten mit Knitterfalten

Ebenfalls auf den Einsatz in Batteriezellen und anderen Energiespeichern wie Superkondensatoren zielt die Firma Skeleton Materials aus Estland ab. Sie betreibt in Bitterfeld-Wolfen in Sachsen-Anhalt seit 2025 die weltweit erste Anlage zur Herstellung von „Curved Graphene“ (geschwungenem Graphen) – einer besonderen Form des Materials mit knitteriger Struktur und daher großer Oberfläche. Das verbessert zusätzlich die Leistungsdichte.

Terrance Barkan, Executive Director des Branchenverbands Advanced Carbons Council (ACC), bezifferte 2019 in einem Kommentar für die Wissenschaftszeitschrift Nature Nanotechnology die Zahl der Unternehmen, die auf Graphen setzen. Demnach gab es damals in Nordamerika, Europa und Australien fast 300 Unternehmen. In China seien es mindestens einige Hundert. Ein Problem sei überall, dass es keine Standardqualität für Graphen gebe, meint Barkan, was es für potenzielle Nutzer aufwendig mache, für ihre Belange geeignete Anbieter zu finden. Der ACC hat daher ein Zertifizierungsprogramm ins Leben gerufen, um eine unabhängige Bewertung von Graphen-Produzenten und ihren Produkten zu ermöglichen. Zudem gibt es seit 2025 eine internationale Norm für dem Graphen ähnliche 2D-Materialien. In der Norm ist festgelegt, anhand welcher Eigenschaften ein Graphen-Material definiert wird, mit welchen Testmethoden das geschieht und wie groß die Streuung bei diesen Eigenschaften ist. Sämtliche Informationen müssen vergleichbar aufbereitet sein.

Hennig Döscher erwartet, dass es bis zum Ende des Jahrzehnts klarere Anzeichen dafür gibt, ob Graphen sich „in Richtung eines umfassenden Materialinnovationssystems entwickelt, das ebenso einflussreich werden könnte wie Silizium oder Stahl es heute sind, oder ob es ein Nanowerkstoff unter vielen bleibt“. Bis dahin werde sich auch zeigen, wo erste Leitmärkte entstehen – geografisch und bei konkreten Anwendungen. Der Karlsruher Fraunhofer-Forscher ist sich sicher: „Wir befinden uns gerade in einer entscheidenden Phase der Marktentwicklung.“ ■

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