Nanomaterial Graphen – Das Wundermaterial der Zukunft?

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Wer in Graphen investieren will, setzt auf ein großes Zukunftsthema. Für die richtige Investition aber scheint der Zeitpunkt derzeit jedoch noch zu früh. (Foto: r.classen / Shutterstock.com)


Fakten zu Graphen

Material: Kohlenstoffverbindung, die lediglich ein Kohlenstoffatom dick und dennoch stabil ist

Eigenschaften: Dünnstes und eines der härtesten Materialien der Welt

Beweis der Existenz: 2004 durch die Nobelpreisträger Konstantin Novoselov & Andre Geim

Besonderheit: Existenz eines zweidimensionalen Nanomaterials galt in der Physik zuvor als unmöglich

Einsatzmöglichkeiten: Materialwissenschaft, Elektronik, Chemie & Physik

Problem: Technische Anwendungen steckt noch in Kinderschuhen – Herstellung noch nicht effizient


Überblickswissen: Was ist Graphen überhaupt?

Graphen (Englisch: graphene) ist das Wundermaterial der Zukunft, bei dem Kohlenstoff mit einer zweidimensionalen Struktur modifiziert vorliegt.

In der Welt der Physik galten unendlich ausgedehnte und strikt zweidimensionale Strukturen (aufgrund ihrer Instabilität) bisher als unmöglich. Deswegen kommt die Entdeckung des Graphen einem Wunder nahe. Das zweidimensionale Kohlenstoffmaterial ist nur so dick wie eine Lage Kohlenstoffatomen. Diese Atome bilden ein Netz von sechseckigen Maschen.

Chemiker und Physiker waren gleichermaßen erstaunt und fasziniert über die Entdeckung vonKonstantin Novoselov und Andre Geim im Jahre 2004 an der Universität in Manchester. Sie erhielten im Jahr 2010 den Nobelpreis für Physik.

Aufbau von Graphen und Graphit

Graphen: Eigenschaften und mögliche Anwendungen

Alles, womit wir es in der Umwelt zu tun haben, ist dreidimensional. Graphen ist das erste Material überhaupt, das zweidimensional ist.

Graphen besteht aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen und gehört damit zu den dünnsten Materialien der Welt. Seit der Entdeckung des Graphen im Jahr 2004 werden seine Eigenschaften und Anwendungsgebiete erforscht.

Graphen macht zum Wundermittel, dass es dünn und biegsam, transparent und gleichzeitig extrem leicht ist. Dennoch ist es 125-mal fester als Stahl. Starke Verbindungen der Kohlenstoffatome untereinander sind der Grund hierfür. Es weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf. All diese Eigenschaften zusammen findet man in keinem anderen Material.

Was die möglichen Anwendungsgebiete für Graphen angeht, scheint es keine Grenzen zu geben. Es soll die Batterietechnologie revolutionieren, faltbare Bildschirme und Smartphones ermöglichen und Raumschiffe mit Photovoltaik antreiben. Es könnte das Zukunftsmaterial für Computertransistoren oder im Bereich der Energiespeicherung für Elektroden sein. Es lässt Strom nahezu widerstandsfrei transportieren.

Da das Material eine hohe elektrische Leitfähigkeit vorweist, könnte es Silicium als Transistormaterial ablösen. Dank der sehr hohen elektrischen Leitfähigkeit des Kohlenstoffmaterials können sich Elektronen 200-mal schneller bewegen als bei Silizium. Weiterhin kommt in der Grundlagenforschung der Einsatz in Superkondensatoren und Akkus in Frage. Da es gasdicht ist, kann es in Wasserfiltern, Destillatoren und Dichtmittel eingesetzt werden. Auch der Einsatz in der Photovoltaik als Solarzelle auf Graphenbasis und die Erstellung von haltbaren Speicherzellen werden diskutiert. Dank seiner Eigenschaften ist das Material den jetzigen Computerchips und Solarzellen überlegen. Die Transparenz des Graphen eignet sich gut für den Einsatz für Displays und Leuchtdioden.

Die diskutierten Einsatzmöglichkeiten für das Material sind vielfältig. So kommt auch die Nutzung als mechanische Pixel bei neuartigen und energieeffizienteren Farbdisplays in Frage. Weiterhin konnte das Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP) im Jahr 2017 OLED-Elektroden aus Graphen herstellen.

Das in Australien ansässige Unternehmen Talga entwickelt einen neuartigen Beton mit Graphentechnik. Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit der Atome soll dieser Beton die Elektromobilität vorantreiben. Ziel ist es Elektroautos induktiv zu laden und das Beheizen von Straßen zu ermöglichen.

Nutzung Graphen

Aktuelle Hürden: Problematische Herstellung

Die möglichen Einsatzgebiete für Graphen scheinen unbegrenzt zu sein. Dennoch findet man das Wundermaterial bislang höchstens in Tennisschlägern und Skiern. Woran liegt das?

Das Material ist inzwischen schon gut erforscht.Das Problem liegt eher in der Herstellung für die Industrie. Es lässt sich nur schwer handhaben und bislang nicht lohnend herstellen. Bis zur industriellen Massenproduktion gibt es noch einige Probleme zu lösen. Denn erst innovative Herstellungsverfahren werden die industrielle Massenproduktion von Graphenmaterial ermöglichen. Bisher lässt es sich noch nicht im technischen Maßstab erzeugen. Die Entdecker Novoselov und Geim hatten praktisch nur sehr dünne Schichten Graphen von Graphit abgepellt. Das Ergebnis war also primitiv und lag nur in winzigen Mengen vor.

Aktuell ist die preiseffiziente Herstellung noch nicht möglich. Große Produktionsanlagen zur Herstellung müssen erst noch entwickelt werden. Das wird aber erst geschehen, wenn die Nachfrage entsprechend groß ist. Somit trauen sich zurzeit nur wenige, überhaupt in diese Richtung zu investieren. Zu groß ist die Unsicherheit im Augenblick. Das ist aber nicht ungewöhnlich. Technologische Neuentdeckungen brauchen oft Jahrzehnte, bis sie den Massenmarkt erreichen.

Zusätzlich bereitet die erwähnte Strom-Leitfähigkeit des Materials Probleme: Ständig wandern Elektronen durch Graphen, d.h. Schaltelemente lassen sich nie ganz ausschalten. Um es zu einem Halbleiter zu machen, müsste Graphen modifiziert werden. Das ist jedoch ein komplizierter Vorgang.

Tatsächlich ist das Potenzial von Graphen immens. Es könnte leichtere Flugzeuge und Autos ermöglichen oder neuartige elektronischen Bauteile für die Computertechnologie erschaffen. Die Grundlagenforschung ist inzwischen weit fortgeschritten. Jetzt benötigt es noch die Kooperation zwischen Forschung und Industrie.

Material & Besonderheiten von Graphen

Graphen-Aktien: Investition in die Zukunft?

Immer wieder fragen sich Anleger, wie Zukunftstechnologien erkannt werden können. Eigentlich muss man kein Experte sein, um Potenziale zu erkennen, bevor diese bei der Masse der Anleger bekannt werden. Häufig bieten Forscher schon in ihren Veröffentlichungen selbst entsprechende Ansätze. Doch dabei gilt es natürlich ein sogenannter „First-Mover” zu sein. So kennt inzwischen jeder Anleger Unternehmen wie Infineon, Intel, Google, Apple, Amazon oder Netflix. Die ganz großen Wachstumszeiten im Bereich der Digitalisierung der Gesellschaft scheinen hier bereits vorbei zu sein.

Bei Graphen hingegen sind die relevanten Unternehmen oftmals noch der großen Masse an Anlegern unbekannt. Hier warten noch zahlreiche Potenziale darauf, entdeckt zu werden.

Graphen-Aktien: Vor der Masse investieren

Wie der Überblick zu den Eigenschaften des Graphen gezeigt hat, scheint es sinnvoll, früh in Graphen zu investieren. Das Material hat das Potenzial, die Zukunft der gesamten Menschheit zu verändern. Theoretisch könnte es sogar Stahl oder Plastik ablösen. Von den Möglichkeiten dieser Entdeckung ist auch die EU-Kommission überzeugt. Eine Forschungsförderung in Höhe von einer Milliarde Euro wurde genehmigt.

Faszinierend sind für Forscher und Anleger gleichermaßen das wachsende Spektrum der Anwendungen. Vor allem die Chancen für die Nanotechnologie werden als groß betrachtet. Als Beispiel dient ein Graphen-Membran, welches die Filtrierung von Salz aus Meerwasser ermöglicht. In der Anwendung könnte Trinkwasser ohne energiefressende Entsalzungsanlagen gewonnen werden. Und dies ist nur ein Beispiel einer möglichen Anwendung.

Graphen-Aktien: Revolutionäres Potenzial unter der Lupe

Forscher sehen vor allem großen Nutzen in der Leitfähigkeit von Wärme und Strom. Davon können Batterien, Transistoren, Mikroprozessoren, Chips und Leuchtdioden profitieren. Aufgrund der Transparenz von Graphen werden Einsatzmöglichkeiten in Solarzellen und Touchscreens erforscht.

Aber auch die Isolationsleistungen sind bedeutend. Eine Nutzung in Verpackungen, Tanks, Autoreifen oder Dämmmaterialien ist denkbar. Das geringe Gewicht ermöglicht, Graphen als leichtes Baumaterial einzusetzen. Für den Motorenbau und die Karosserie sind ebenfalls Anwendungen im Gespräch. Wirkstoffe und Nebenwirkungen in der Medizin könnten durch das Material ebenfalls verbessert werden.

Je mehr Einsatzmöglichkeiten erörtert werden, umso eher besteht der Drang, in diese Technologie zu investieren. Doch wie können Anleger davon profitieren? Das Material wird schließlich nicht an den Rohstoff-Börsen dieser Welt gehandelt. Hinzu kommt die Herausforderung, dass die industrielle Massenfertigung noch nicht existiert.

Großkonzerne wie IBM, Intel, Nokia, Sony oder Samsung stehen mit ihren Forschungsabteilungen bereit. Sie beschäftigen sich bereits intensiv mit der Technologie. Graphen-basierte Patente werden im Akkord ausgestellt und zeigen, wohin der Weg gehen kann. Dichter am Thema ist der im TecDax gelistete Maschinebau-Spezialist Aixtron. Bei Produktionsanlagen für LED-Technologie betrachtet sich das Unternehmen bereits als Marktführer. Das Potenzial des Materials hat Aixtron ebenfalls erkannt und setzt verstärkt auf die Herstellung von Graphen. Sie sehen also: Es gibt durchaus passende Unternehmen für eine Investition.

Graphen-Aktien: Kleinere Spezialisten bieten Wachstumschancen

Noch interessanter sind die Graphen-Spezialisten. Dies sind kleinere, an der Börse notierte Betriebe, die sich ausschließlich mit dem Material beschäftigen. An einer effizienten Herstellung arbeiten beispielsweise AGM aus Nordengland sowieCarbon Sciences aus Kalifornien. Das Ziel ist hier eine kostengünstigere industrielle Herstellung. Weitere Anwendungsbereiche werden von Cientifica in Madrid erforscht. Und Graphene 3D Lab aus New York arbeitet sogar an graphen-basierten Druckern.

An demselben Thema forscht auch das britische Unternehmen Haydale Graphene Industries. Für Anleger interessant ist hier der Fakt, dass das Unternehmen in Süd-Korea sowie den USA agiert. Auch in Deutschland wird die Haydale-Aktie an den Börsen Stuttgart und Frankfurt seit 2015 gehandelt. Doch zumindest an der Frankfurter Börse spielt der Anbieter keine Rolle mehr und auch international sieht es nicht viel besser aus. Ein schlechtes Omen für die Zukunft der Branche? Insbesondere die hohen Investitionskosten in die Forschung scheinen dem Unternehmen ein Schnippchen zu schlagen.

Graphen-Aktien erfordern von den Anlegern eine hohe Risikobereitschaft.

Graphen-Aktien: Noch Jahre bis zum großen Durchbruch

Die obigen Beispiele zeigen, dass sich die Branche erst noch entwickeln muss. Und dies kann durchaus noch Jahre dauern. Sobald die Technologie flächendeckend eingesetzt wird, ist die Zukunft der Spezialisten ohnehin ungewiss. Große Konzerne werden mit hoher Wahrscheinlichkeit mit Übernahmen reagieren. Einer dieser Konzerne könnte beispielsweise der deutsche Chemiegigant BASF sein. Auch hier wird an den Anwendungsmöglichkeiten aktiv geforscht. Auf derzeit rund 8 Milliarden US-Dollar schätzt der Chemiekonzern den Markt für Graphen. Diese Zahl zeigt, dass hier noch Entwicklungsarbeit notwendig ist.

Diese Forschungsarbeit ist auch hinsichtlich der gesundheitlichen Folgen von Graphen auf den menschlichen Körper notwendig. Durch scharfkantige Partikel gibt es bereits erste Anzeichen dafür, dass das Material negative Auswirkungen haben kann. Es ist davon auszugehen, dass sich der Stoff nicht in einem klaren Siegeszug ohne Tiefen etablieren wird. Doch Korrekturen bieten auch immer gute Einstiege für Anleger.

Unabhängig von allen Unkenrufen gibt es auch klare Profiteure der Entwicklung. Dies sind in erster Linie Minenbetriebe wie: Focus Graphite, Mason Graphite, Great Lakes Graphite. Diese fördern hochwertiges Graphit als Basismaterial und können alleine für die Anwendung in Batterien mit einer jährlichen Nachfragesteigerung um gut 6% rechnen.

Fazit: Graphen in der Welt von morgen

Die zukünftigen Pläne der Forscher mit Graphen scheinen direkt aus Science-Fiction-Filmen zu stammen: Fernseher, die als Tapeten ausgerollt werden können und faltbare Bildschirme. Forscher erwarten trotz der aktuellen Unsicherheiten bahnbrechende Forschungserkenntnisse in den nächsten Jahren.

Die UnternehmenSamsung undIBM sprechen von „Wunderchips“, die anstelle von drei mit bis zu 1.000 Gigahertz arbeiten sollen. Das wäre möglich, wenn Graphen das Silizium ablösen würde. Die Forschungsabteilungen der Unternehmen arbeiten intensiv daran.

Erste Prototypen sollen die Nanomaterial-Revolution in absehbarer Zeit einleiten. Es können mit dem Wundermaterial leistungsfähigere Computer und faltbare Bildschirme hergestellt werden. Flexible Leuchtdioden und effizientere Solarzellen wären mit den zweidimensionalen Schichten des Materials möglich.

Ohne Frage: Graphen ist ein Zukunftsthema. Bis zum großen Durchbruch können aber noch Jahre vergehen. Der industrielle Einsatz wird wohl etwas länger dauern, als manch einer wünscht.

Selbst die Erfinder und Nobelpreisträger Geim und Novoselov sehen die Herausforderungen für eine kostengünstige Massenproduktion größer als weithin gedacht.

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Von: Ralf Hartmann. Über den Autor

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