Alternativreich Forscher nutzen KI für die gezieltere Materialsubstitution

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Versorgungsengpässe, hohe Kosten, technischer Optimierungsdruck und nicht zuletzt EU-Verbote schreien nach Materialalternativen. IPA-Forscher wollen das mit Künstlicher Intelligenz (KI) erreichen.

Kobalt etwa kommt in Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge zum Einsatz. Das Element spielt also eine wichtige Rolle bei der Energiewende. Doch das silbergraue Metall zählt aus mehreren Gründen zu den kritischen Rohstoffen, denn es ist zum Beispiel selten. Sein Anteil an der gesamten Erdkruste betrage nämlich nur rund 0,004 Prozent. Die weltweit bekannten Kobaltreserven werden dennoch auf 7,2 Millionen Tonnen geschätzt. Über die Hälfte davon findet sich aber etwa in der Demokratischen Republik Kongo. Und die Arbeitsbedingungen in den Bergwerken des doch recht instabilen zentralafrikanischen Landes sind oft schlecht, die Umweltschäden beim Erzabbau groß, geben Forscher vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) aus Stuttgart zu bedenken. Deshalb wollen sie etwa weg von Kobalt und hin zu Alternativen.

Bisherige Substituenten-Suchen führten oft ins Leere

Es gebe zwar Datenbanken, die Produktentwickler für die Recherche heranziehen könnten, doch die lieferten oft keine brauchbaren Ergebnisse, weil sie den genauen Anwendungsfall im Unternehmen nicht berücksichtigten. Um die Suche in Zukunft zu erleichtern und passendere Ergebnisse zu erzielen, hat man am nämlich IPA ein KI-unterstütztes Tool zur Materialsubstitution entwickelt. Über eine Eingabemaske müssen die Nutzer dabei zunächst spezifische Details zu dem Werkstoff oder Rohstoff angeben, den sie ersetzen möchten, heißt es. Dann sind die erforderlichen Eigenschaften des alternativen Materials sowie Informationen zum Kontext des gewünschten Materialeinsatzes zu nennen. Es folgt eine KI-Recherche, mit der die Datenbank „Semantic Scholar“ anhand der Anforderungen durchforstet wird, wie es weiter heißt. Durch den Abgleich der Eingaben mit den in der Datenbank verfügbaren Informationen identifiziert die KI schließlich geeignete Materialalternativen.

Schneller zu alternativen Rohstoff kommen

Die KI-Anbindung zur Materialsubstitution sei aber nur einer von mehreren Bausteinen, mit dem die Forscher Unternehmen bei der Suche nach alternativen Rohstoffen, Werkstoffen oder chemischen Stoffen unterstützten. Denn nachdem die KI ihre Aufgabe erfüllt hat, werden die vorgeschlagenen Substitute sowie die Ausgangsmaterialien umfassend bewertet. Rechtliche, ökologische und soziale Aspekte sowie die Versorgungssicherheit würden dabei auch berücksichtigt. Im, wie betont wird, engen Austausch mit dem jeweiligen Unternehmen prüfen die IPA-Experten dann, wie genau die vorgeschlagenen Materialien die spezifischen Anforderungen erfüllen. Am Ende des Prozesses gibt es einen Bericht. Darin werden die geeignetsten Substitute sowie die Bewertung der verschiedenen Kriterien dargestellt, um die Entscheidung für die Anwender zu erleichtern.

Mit Blick auf Kobalt hat es wohl schon geklappt

Als Alternative zu Kobalt schlage das KI-unterstützte Materialsubstitutions-Tool beispielsweise Eisen vor. Das, so geben die IPA-Forscher zu, ist zwar keine neue Erkenntnis, dass anstelle von Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid auch Lithium-Eisenphosphat für die Kathoden von Batterien verwendet werden kann, aber dieses und weitere Ergebnisse haben nach Aussage des IPA offensichtlich bewiesen, dass die KI-Unterstützung bei der Suche nach alternativen Materialien zu richtigen Antworten führen kann.

Entstanden ist das KI-unterstützte Materialsubstitutionstool im Forschungsprojekt „Ultraeffizienzfabrik – Deep Dive“, das im April 2024 gestartet ist und noch bis Ende August diesen Jahres läuft. Unterstützt wird das Forschungsprojekt vom Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg mit insgesamt 1,4 Millionen Euro. Projektpartner sind auch das Fraunhofer-IAO, das Centrum für Digitalisierung, Führung und Nachhaltigkeit Schwarzwald gGmbH (Campus-Schwarzwald), die Umwelttechnik BW GmbH, die Alpirsbacher Klosterbräu Glauner GmbH, die Ansmann AG und die Protektorwerk Florenz Maisch GmbH & Co. KG sowie als assoziierter Partner die Zecha Hartmetall-Werkzeugfabrikation GmbH.

Dieser Artikel stammt von unserem Partnerportal MM MaschinenMarkt.

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