Glas-Genom entschlüsseln

Die Materialinformatik liefert leistungsstarke Instrumente, um Eigenschaften von Gläsern immer besser vorhersagen zu können. Die Experten von SCHOTT heben damit die wissenschaftliche Methodik der Glasentwicklung, die der „Glasdoktor“ Otto Schott schon im 19. Jahrhundert begründete, auf die nächste Stufe.

Die Materialinformatik liefert leistungsstarke Instrumente, um Eigenschaften von Gläsern immer besser vorhersagen zu können. Die Experten von SCHOTT heben damit die wissenschaftliche Methodik der Glasentwicklung, die der „Glasdoktor“ Otto Schott schon im 19. Jahrhundert begründete, auf die nächste Stufe.

Schon als kleiner Junge ist Otto Schott fasziniert vom väterlichen Glashüttenbetrieb. Der Chemiker beginnt ab 1879, chemische Elemente auf ihre Eignung für die Glasherstellung zu erforschen. In seinen Laborversuchen kommt er zur Erkenntnis, wie er durch die passende chemische Zusammensetzung die Eigenschaften von Gläsern definieren kann. Er entdeckt Gesetzmäßigkeiten: Seine „Mischungsregel“ misst erstmals Elementen bzw. Oxiden Koeffizienten zu, mit denen sich die Eigenschaften des späteren Glases – wie etwa Lichtbrechung oder thermische Ausdehnung – aus der geplanten Zusammensetzung ungefähr vorausberechnen lassen.

Dieser Meilenstein schafft den Durchbruch zur modernen Glaswissenschaft. Jahrtausendelang hing die Glasherstellung einzig von der Erfahrung und Experimentierkunst der Glasmacher ab. Otto Schott kommt den Eigenschaften von Gläsern nun schon auf dem Papier näher. So entwickelt er in kurzer Zeit nicht nur völlig neuartige Gläser (siehe Infobox) und Fertigungsverfahren, sondern begründet auch die Spezialglasindustrie als neue Branche – und macht SCHOTT zum Weltunternehmen.

„Man sagt, Otto Schott konnte dem Glas ins Herz schauen. Er war aber auch der Erste, der Gläser durch die Verarbeitung von Daten entwickelte. Mit den leistungsfähigen digitalen Mitteln der Materialinformatik blicken wir heute noch tiefer in sein Erbe hinein, sozusagen ins Genom eines Werkstoffs“, beschreibt Senior Principal Scientist Dr. Ulrich Fotheringham. Der Physiker beschäftigt sich mit Materialentwicklung und arbeitet schon über 30 Jahre bei SCHOTT – seit dem Einstieg in die digitalisierte Glasentwicklung Anfang der 1990er-Jahre, als er den Anstoß für die Zusammenarbeit mit der Fakultät für Physik der Johannes-Gutenberg Universität Mainz gab.

Mathematische Modellbildung und Simulation ermöglichen Experimente am Bildschirm, um Erkenntnisse über ein reales System zu gewinnen oder Vorhersagen zu treffen. Dies beschleunigt und verbessert die Materialentwicklung auf dem Weg hin zu kürzeren Entwicklungszeiten und Innovationszyklen. SCHOTT nutzt diese Methoden inzwischen bei der Optimierung und Entwicklung nahezu aller technologischen Prozesse und Produkte.

„Dank der mathematischen Simulation gelingt es heute in der Glaskeramik-Herstellung, maßgebliche Eigenschaften wie thermische Nullausdehnung oder Farbeindruck auf gewünschte Werte punktgenau einzustellen“, erläutert Dr. Fotheringham.

Auch die Entwicklung innovativer Werkstoffe mit überraschenden Qualitäten wird begünstigt. Brandaktuelles Beispiel ist ein neues Borosilicatglas, das sich hervorragend als Brandschutz- Sicherheitsglas eignet. Dazu muss man es allerdings thermisch vorspannen, ein physikochemisch komplexer Prozess, dessen Ergebnis Erfahwesentlich von „hidden parameters“ des Glases abhängt. „Diese Parameter haben wir bei der Entwicklung erstmals nicht mühsam experimentell, sondern simulatorisch ermittelt und dadurch in erheblichem Maß Zeit und Kosten eingespart“, fährt Dr. Fotheringham fort.

Eindrucksvolles Erfolgspotenzial bietet außerdem die Entwicklung spezieller Glaskeramikpulver für einen attraktiven Zukunftsmarkt: die nächste Generation von Batterietechnologien. Das Material ist ein Schlüssel zur Herstellung neuartiger Festkörperbatterien, welche die Reichweite von Elektrofahrzeugen steigern sollen.

Diese Beispiele unterstreichen: Neue Werkstoffe mit verbesserten Eigenschaften sind heute oft der entscheidende Treiber bei der Entwicklung neuer Produkte. Schätzungen zufolge hängen heute rund zwei von drei Innovationen von neuen Werkstoffen ab. Auf diesem Weg kann die Materialinformatik buchstäblich als Turbo wirken. Die Zukunftsdisziplin baut neuerdings auch auf Künstlicher Intelligenz, Maschinellem Lernen und automatisierten Analysevorgängen in der Datenverarbeitung. Solche Konzepte unterstützen auf anderen Gebieten bereits erfolgreiche Anwendungen wie das Autonome Fahren, Spracherkennung auf Mobiltelefonen oder die Erschließung von Internet-Daten für Nutzerprofile und gesteuerte Werbung. Hierbei verarbeiten leistungsstarke Rechner auf Basis von Algorithmen selbstlernend eine Fülle von Daten.

„Mit Hilfe von Maschinellem Lernen lassen sich Muster und Gesetzmäßigkeiten extrahieren und Vorhersagen treffen – und genau darauf zielen wir ab. Allerdings stehen uns in der Glasentwicklung nicht solche Datenmengen zur Verfügung“, sagt Dr. Benedikt Ziebarth, Principal Scientist Materials Informatics. Generiert das Internet Milliarden Daten sozusagen kostenlos, so kann ein einzelner Datenpunkt in der Materialwissenschaft das Ergebnis einer Tausende Euro teuren Messung sein. „Wir entwickeln deshalb hybride Methoden, die mit weniger Datenmaterial auskommen, nutzen dazu den umfangreichen Werkzeugkasten der mathematischen Simulation und Modellbildung und sind in entsprechenden Konsortialprojekten assoziiert“, so Ziebarth. Zum Thema Digitalisierung der Materialentwicklung ist SCHOTT daher in regem Austausch mit Instituten und Unternehmen. Dies zeigt: Neben der künstlichen ist weiterhin auch menschliche Intelligenz gefragt. Und so wird SCHOTT auch nach Otto Schott eine gute Adresse für die nächsten Generationen von „Glasdoktoren“ bleiben.

Neue Gläser für die Welt

Otto Schott (1851 – 1935) wurde zum Pionier der industriellen Glasfertigung und hat allein im 19. Jahrhundert eine Fülle herausragender Glasentwicklungen und – anwendungen ermöglicht. Hier eine Auswahl:

1884 Optische Gläser für verbesserte Mikroskope
1893 Laborgläser aus Borosilicatglas
1884 Rohrgläser für Thermometer und Wasserstandsgläser
1894 Optische Gläser (bis 140 cm Durchmesser) für Linsenteleskope
1887/1893 Entwicklung des chemisch resistenten, hitze und temperaturwechselbeständigen Borosilicatglases
1891 Rohrgläser aus Borosilicatglas für Thermometer
1894 Borosilicatglas- Zylinder für die Gasbeleuchtung

Otto Schott gilt als Spezialglas-Erfinder. Als Erster entwickelt er Gläser mit genau definierten Eigenschaften.

18. Juni 2021

Kontakt

Christine Fuhr
Marketing & Communication
SCHOTT AG

nach oben