Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWSScreening und Design von Hochentropielegierungen für nukleare Anwendungen – Aufbau eine „Materials Acceleration Platform"
Motivation
Die Entwicklung von Hochleistungsmaterialien für zukünftige Energiesysteme und Hightech-Anwendungen erfordert ein tiefgreifendes Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen über mehrere Längenskalen hinweg. Fortschrittliche Metalle und funktionale Beschichtungen bieten ein erhebliches Potenzial für Energietechnologien, Sensorsysteme, Mikroelektronik, die Kerntechnik sowie Oberflächenanwendungen. Die Überführung von Laborergebnissen in skalierbare und zuverlässige industrielle Lösungen stellt jedoch nach wie vor eine große Herausforderung dar.
ACCELL-NM adressiert diese Lücke, indem es die Entwicklung, Optimierung und Qualifizierung neuartiger Metalllegierungen beschleunigt. Das Projekt verkürzt den Weg von der Materialentdeckung hin zu anwendungsorientierten Demonstratoren und berücksichtigt dabei von Anfang an Herstellbarkeit, Kosteneffizienz und Nachhaltigkeit. Die enge Verzahnung von Materialdesign, digitalen Werkzeugen, Verfahrenstechnik und moderner Charakterisierung bildet die Grundlage dieser ganzheitlichen Strategie.
Ziele und Vorgehen
ACCELL-NM vereint unter anderem die komplementären Kompetenzen des Fraunhofer IWS, des Helmholz-Zentrum Dresden-Rossendorf und der anderen Partner in der Materialforschung, in fortgeschrittenen Oberflächentechnologien sowie in der Werkstoffcharakterisierung.
Das Fraunhofer IWS übernimmt eine zentrale Rolle bei der Entwicklung skalierbarer Synthese-, Beschichtungs- und Strukturierungsprozesse sowie beim Transfer neuartiger Nanomaterialien in funktionale Schichtsysteme und Bauteile. Zu den Kernaktivitäten gehören:
- Anpassung und Skalierung von Produktionstechnologien
- Integration der Materialien in anwendungsrelevante Prozessketten
- Validierung der Leistungsfähigkeit unter industrienahen Bedingungen
- Etablierung robuster Qualitätssicherung vom Labor- bis zum Pilotmaßstab
Eine zentrale Innovation von ACCELL-NM ist die Entwicklung einer wiederverwendbaren und erweiterbaren Materials Acceleration Platform (MAP), die Konzepte auf Readiness Level 2 (RL2) gezielt in Richtung Anwendungsreife weiterentwickelt. Die MAP integriert:
- Datengetriebenes Materialdesign unter Einsatz von Machine Learning
- Hochdurchsatz-Legierungsherstellung mittels Laser Directed Energy Deposition (DED-LB)
- Ionenbestrahlung und schnelle Screening-Methoden
- Beschleunigte Prüfverfahren zur Bewertung von Bestrahlungs- und Korrosionsbeständigkeit
Als Fallstudie fokussiert sich die Plattform auf Hochentropielegierungen (HEAs) für einen bleigekühlten schnellen Reaktor und adressiert damit die anspruchsvollen Bedingungen fortschrittlicher nuklearer Energiesysteme. Die digitale Integration im Pyiron-Framework ermöglicht ein systematisches Datenmanagement, die Kopplung von Simulation und Experiment sowie iterative Optimierungsschleifen. Legierungskandidaten mit hohem Potenzial werden durch schnelles Screening identifiziert und anschließend einer vertieften strukturellen und funktionalen Charakterisierung unterzogen. Diese Untersuchungen liefern mechanistische Einblicke in das Bestrahlungs- und Korrosionsverhalten und validieren Proxy-Testmethoden zur Bewertung der Langzeitperformance von Materialien.
Innovation und Perspektiven
Die Innovation von ACCELL-NM liegt in der Beschleunigung des Innovationszyklus für Hochleistungsmetalle durch die enge Verzahnung von grundlegendem Verständnis, digitalen Designwerkzeugen, Prozessentwicklung und Anwendungsvalidierung. Durch die Kombination hochauflösender Analytik mit industriell skalierbaren Fertigungstechnologien etabliert das Projekt einen strukturierten und übertragbaren Weg von der Forschung in die Produktion.
Die am Fraunhofer IWS entwickelten Verfahren ermöglichen die zuverlässige Integration fortschrittlicher Hochleistungsmetalle in langlebige funktionale Bauteile und Hochleistungs-Beschichtungssysteme für anspruchsvolle industrielle Einsatzbedingungen. Mithilfe der Materials Acceleration Platform werden Legierungsentwicklung, Qualifizierung und Implementierung deutlich schneller realisiert als über konventionelle Entwicklungsrouten.
Langfristig stärkt ACCELL-NM die technologische Wettbewerbsfähigkeit im Bereich der Hochleistungswerkstoffe und fördert nachhaltige sowie ressourceneffiziente Lösungen. Durch die Einbettung datengetriebener Methoden und maschinellen Lernens in Materialentwicklungsprozesse eröffnet das Projekt neue Perspektiven für eine effiziente, anwendungsorientierte Werkstofftechnik – sowohl für zukünftige nukleare Energiesysteme als auch für weitere Technologien unter extremen Einsatzbedingungen.