Prof. Olivier Guillon, Direktor am Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-1), möchte dieses Prinzip nutzen, um Energie zu sparen – aber nicht in der Küche, sondern bei Produktionsprozessen in der Industrie. „Elektrische und magnetische Felder könnten helfen, den Energieverbrauch vor allem bei der Verarbeitung von Metallen und Hochleistungskeramiken drastisch zu senken – wir denken, in einigen Fällen um über 50 Prozent“, so der Materialexperte. Hochleistungskeramiken sind keine exotischen Werkstoffe. Wir nutzen sie in Haushaltsgeräten, in Fahrzeugen oder bei der Kommunikation. Sie gelten als Schlüsselwerkstoffe für die Energieumwandlung und -speicherung. Aber ihre Verarbeitung verbraucht viel Energie. Etwa 7 Prozent des Primärenergiebedarfs wird in Deutschland für industrielle Wärmebehandlungen verwendet.

Das liegt bei den Keramiken vor allem an deren hohen Schmelzpunkten. Um die Werkstoffe zu bearbeiten, müssen hohe Temperaturen erzeugt werden. Denn erst bei großer Hitze können sie wie gewünscht verdichtet und verformt werden. Das geschieht heute meist nach dem „Backofenprinzip“: Wie beim Kuchenbacken heizt man einen Ofen vor, er wird sowohl außen als auch innen heiß und wärmt noch lange nach. „Dabei wird sehr viel Energie aufgebracht, von der nur ein Bruchteil in die tatsächliche Verarbeitung des Werkstücks fließt“, erklärt Guillon.

Genau das lässt sich mithilfe elektromagnetischer Felder vermeiden. Wie bei der Milch in der Mikrowelle wird die Wärme allein im Bauteil erzeugt. „Dadurch wird die zugeführte Energie effizienter genutzt. Außerdem beschleunigt das den Herstellungsprozess, denn das Bauteil erreicht mit dieser Methode viel schneller seine gewünschte Betriebstemperatur als durch das Aufheizen nach dem Backofenprinzip“, sagt der Wissenschaftler. Ein mögliches Einsatzgebiet für das Verfahren haben Jülicher Forscher bereits getestet: Sie haben keramische Bauteile für Festkörperbatterien nach dem Prinzip gefertigt.

Die neuen Herstellungsverfahren könnten dazu beitragen, dass Deutschland seine hochgesteckten Ziele bei der Energiewende erreicht: Neben der Umstellung auf regenerative Energien soll nämlich der Energieverbrauch bis 2020 gegenüber 2008 um 20 Prozent gesenkt, bis 2050 sogar halbiert werden. Auch die Internationale Energieagentur IEA hat die Energie­effizienz als eine von vier zentralen Maßnahmen definiert, um die globale Erwärmung auf maximal zwei Grad bis 2100 zu begrenzen.

„Die Werkstoffverarbeitung mit elektrischen und magnetischen Feldern eröffnet aber noch weitere Möglichkeiten“, sagt Olivier Guillon, der seit 2016 das Schwerpunktprogramm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) zu dem Thema leitet. Gemeinsam mit Kollegen aus dem Programm hat er vor Kurzem in einer Studie den Stand der Forschung zusammengefasst. So arbeiten Wissenschaftler daran, mittels elektrischer und magnetischer Felder die Eigenschaften bestimmter Werkstoffe zu verbessern, indem sie durch die Felder die Bewegung der Atome aktivieren. Dadurch lassen sich Materialien besser verdichten und umformen oder die atomare Struktur gezielt beeinflussen.

Es lassen sich aber auch Rohstoffe einsparen, beispielsweise bei Permanentmagneten. Diese sind heutzutage in nahezu jedem elektronischen Gerät verbaut: in Kühlschränken, Mobiltelefonen oder auch in den Generatoren von Windkraftanlagen. Besonders leistungsfähige Magnete enthalten oft wertvolle Rohstoffe, wie die Seltenerdmetalle Neodym und Dysprosium, die unter bedenklichen Umweltbedingungen fast ausschließlich in China gewonnen werden.