Interview mit Prof. Dr. Peter Gumbsch, Leiter Fraunhofer IWM und Projektkoordinator MaterialsCommons
Warum braucht die Welt MaterialsCommons? Woher kommt die Motivation, die MaterialsCommons-Initiative zu starten?
Hochleistungswerkstoffe sind das Fundament europäischer Wertschöpfung – rund 70 Prozent aller technischen Innovationen sind direkt oder indirekt auf sie zurückzuführen. Sie sind die entscheidenden Enabler für die grüne und digitale Transformation, für strategische Autonomie und industrielle Wettbewerbsfähigkeit in Schlüsselmärkten wie Energie, Mobilität und Kommunikation.
Doch Europa steht unter massivem Druck: Die Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen gefährdet die Versorgungssicherheit, die OECD prognostiziert einen Anstieg des globalen Ressourcenverbrauchs um 40 Prozent bis 2040 und fast 90 Prozent bis 2060, und die fossile Abhängigkeit wird zunehmend durch eine Abhängigkeit von kritischen Materialien ersetzt. Gleichzeitig hat sich der Wettbewerb mit den USA und China dramatisch verschärft – Europa verliert in Schlüsseltechnologien wie KI, Mikroelektronik und Energie den Anschluss, alles Bereiche, in denen Hochleistungswerkstoffe eine zentrale Rolle spielen.
Besonders alarmierend ist die Geschwindigkeit des Wandels im Verhältnis zur Trägheit europäischer Innovationsprozesse: Die Entwicklung neuer Materialien dauert heute 10 bis 20 Jahre – angesichts der Klimaziele und geopolitischen Verwerfungen schlicht nicht mehr tragbar. Zugleich ist Europas Forschungs- und Innovationslandschaft stark fragmentiert, wenig vernetzt und für KMU oft unzugänglich. Allein der fehlende FAIR-Datenzugang verursacht geschätzte Verluste von über 10 Milliarden Euro jährlich allein durch ineffiziente Datensuche und redundante Datenerhebung.
Aus dieser Lage heraus entstand über drei aufeinander aufbauende Strategiedokumente – das Materials 2030 Manifesto, die AMI2030 Agenda und die SRIA der IAM4EU – die Forderung nach einer integrierten, vertrauenswürdigen und föderierten digitalen Infrastruktur: dem Materials Commons. MaterialsCommons setzt genau das um – eine Plattform, die über 90 Prozent der europäischen Materialdatenrepositorien verbindet, Materialentwicklung um den Faktor 4 beschleunigt und durch eine nachhaltige Governance langfristig tragfähig ist. Es ist eine strategische Notwendigkeit für Europas industrielle Zukunft.
Welche Probleme löst MaterialsCommons?
Europas Materialforschung ist heute stark zersplittert. Materialdaten werden vorwiegend in klassischen Zeitschriften und einzelnen Online-Repositorien veröffentlicht. Daneben existieren zahlreiche isoliert entstandene Plattformen, wie beispielsweise die Materials Cloud, NOMAD, MaterialDigital, DIADEM oder CAPeX. Forscherinnen und Forscher müssen auf der Suche nach spezifischen Informationen jede Datenbank einzeln abfragen, mit unterschiedlichen Formaten und Schnittstellen kämpfen und können Daten aus verschiedenen Laboren nicht einfach oder gar automatisch kombinieren.
Es fehlen gemeinsame Taxonomien, Metadaten-Standards und Ontologien, die eine echte Interoperabilität ermöglichen würden. Hinzu kommt, dass materialwissenschaftliche Daten häufig schlecht dokumentiert und nicht maschinenlesbar sind – was KI-gestützte Innovation massiv ausbremst. Darüberhinaus klafft zwischen akademischen Datenökosystemen und industriellen Systemen wie der Asset Administration Shell eine Lücke, die durch fehlenden IP-Schutz und mangelnde Datensouveränität zusätzlich vertieft wird.
Die Konsequenz all dieser Defizite: Die Entwicklung neuer Werkstoffe und selbst die Entwicklung neuer Bauteile aus bekannten Werkstoffen konnte bislang durch die Digitalisierungsbemühungen nicht wesentlich beschleunigt werden.
MaterialsCommons möchte diese Probleme lösen, indem es erstmals eine föderierte digitale Infrastruktur mit einem einzigen Zugangspunkt schafft, die relevanten europäischen Ressourcen verbindet und damit eine Beschleunigung der Material- und Bauteilentwicklung ermöglicht. MaterialsCommons soll für die akademische Forschung ebenso wie für die industrielle Entwicklung die relevanten Materialdaten auffindbar und nutzbar machen.
Warum ist der Zugang zu den verschiedenen Plattformen so wichtig?
Selbst wenn Materialdaten offen verfügbar sind, muss heute ein Werkstoffwissenschaftler, der nach Daten zu einer bestimmten Legierung oder einem Prozess sucht, diverse Plattformen einzeln abfragen. Jede hat eigene Schnittstellen, eigene Formate, eigene Zugangswege und eine eigene Nomenklatur. Experten, die sich extrem gut auskennen, kostet das enorm viel Zeit. Für jeden anderen führt das dazu, dass relevante Daten schlicht nicht gefunden werden, obwohl sie existieren und eigentlich zugänglich wären.
Die AMI2030 Agenda hat dieses Problem klar benannt und als Lösung ein Netzwerk vernetzter Infrastrukturen mit einem Einstiegspunkt gefordert. Die Europäische Kommission ist dieser Agenda gefolgt und MaterialsCommons setzt genau das um: Eine einzige Oberfläche, über die Forscherinnen und Forscher aus Industrie und Wissenschaft die relevanten europäischen Materialdatenressourcen finden können. Das senkt die Einstiegshürde massiv, beschleunigt die Datensuche um ein Vielfaches und schafft erst die Voraussetzung dafür, dass KI-gestützte Workflows über Institutionsgrenzen hinweg funktionieren.
Der Single Entry Point ist damit kein Komfortmerkmal, sondern die technische Grundbedingung für eine vernetzte europäische Werkstoffforschung.
Was braucht es, damit ein so großes Konsortium in vier Jahren eine funktionierende föderierte Infrastruktur schafft, die auch nach Projektende weiterleben kann?
Die Plattform ist technisch machbar, das Konsortium ist stark genug, aber die Herausforderungen sind groß. Zunächst zu dem, was für uns spricht: Wir bauen keine neue Plattform von Null, sondern wir verbinden bestehende, bewährte Infrastrukturen – Materials Cloud, NOMAD, MaterialDigital, CAPeX. Die Verantwortlichen dieser Plattformen sind direkt als Principal Investigators im Konsortium.
Materials Cloud und NOMAD repräsentieren die am weitesten verbreiteten Materialdaten-Repositorien in Europa. Sie bieten resiliente und in sich skalierbare Strukturen, aber auch Werkzeuge, um die Datensouveränität beim Anbieter belassen zu können. Dazu kommt ein bewährtes mehrstufiges Zugangsmodell für private, eingeschränkte und offene Daten. Dies wird ergänzt durch Workflow-Management-Systeme wie AiiDA oder Pyiron. MaterialDigital sticht bei der Ontologie-Arbeit hervor: deren PMDco 3.0 ist eine domänenweite Mid-Level-Ontologie für Materialwissenschaft und -technik. OPTIMADE, ein Vorläuferprojekt an dem mehrere Projektpartner beteiligt waren, hat bereits gezeigt, dass eine einheitliche Schnittstelle über 25 Repositorien hinweg funktioniert.
Trotzdem gibt es große Entwicklungsaufgaben: Die semantische Qualität und damit die Verständlichkeit der Datenbeschreibungen für Mensch und Maschine ist noch unzureichend. Daten sind oft technisch korrekt gespeichert, aber nicht so annotiert, dass sie automatisch mit anderen Daten kombiniert werden könnten. Genau diese Lücke schließt MaterialsCommons mit seiner semantischen Grundlage, den gemeinsamen Schemas und der föderierten Architektur.
Dazu kommt enormer politischer Rückenwind durch den Advanced Materials Act und die IAM4EU-Partnerschaft. Und wir streben bewusst TRL6 an, also einen funktionalen Prototyp, kein fertiges Produkt. Das ist für vier Jahre realistisch.
Gleichzeitig bin ich mir der Risiken sehr bewusst. 26 Partner plus über 30 assoziierte Partner bedeuten eine enorme Koordinationslast. Forschende wechseln ungern ihre Gewohnheiten – selbst wenn die Technik steht, ist die Nutzung nicht garantiert. Unternehmen werden ihre wertvollsten Daten nur teilen, wenn IP-Schutz und Datensouveränität bewiesen sind. Und sich auf gemeinsame Ontologien zu einigen, ist politisch wie technisch extrem anspruchsvoll.
Deshalb haben wir vier klare Erfolgsbedingungen definiert: Erstens brauchen Forscher einen sichtbaren Nutzen in den ersten 18 Monaten – einen »Wow-Effekt«, der zeigt, dass sich die Arbeit lohnt. Zweitens setzen wir auf Pragmatismus statt auf Perfektion – lieber 80 Prozent Interoperabilität für fünf Plattformen als 100 Prozent für keine. Drittens brauchen wir externe Anreize zur Adoption, etwa wenn Fördermittelgeber MaterialsCommons-kompatible Datenablagen verlangen. Und viertens muss die finanzielle Absicherung nach 2030 stehen – deshalb gründen wir bereits im Projekt die MaterialsCommons Foundation und arbeiten an einem tragfähigen Geschäftsmodell mit Mitgliedsbeiträgen, Nutzungsgebühren und nationaler Ko-Finanzierung, ähnlich dem ELIXIR-Modell in den Lebenswissenschaften.
Die Chancen stehen sehr viel besser als bei ähnlichen Vorhaben. Denn die Devise »Build it and they will come« hat in der europäischen Forschungslandschaft selten funktioniert. Entscheidend wird die Akzeptanz durch die relevante akademische Community und der industrielle Nutzen sein und hier ist die Größe und die Reichweite des Konsortiums unsere große Stärke.
Was verbirgt sich hinter den Use Cases? Sind die Use Cases nicht schon riesige Forschungsprojekte für sich? Wer setzt die Use Cases um?
Die Use Cases sind bewusst keine eigenständigen Materialforschungsprojekte. Sie sind Demonstratoren, deren Aufgabe es ist, die MaterialsCommons-Infrastruktur zu validieren – nicht das vollständige Forschungsproblem zu lösen. Jeder Use Case muss zeigen, dass unsere digitalen Werkzeuge in der Praxis funktionieren: semantische Interoperabilität, interoperable Workflows und föderierte Datenräume. Umgesetzt werden sie nicht von einzelnen Partnern allein, sondern als Querschnittsaufgabe.
Pro Use Case arbeiten zwischen 6 und 10 Partner mit jeweils mehreren Industriepartnern zusammen – insgesamt haben wir das schriftliche Commitment von 30 externen Partnern. Die Industrie bringt dabei reale Daten, Labore und Anforderungen ein, während die akademischen Partner die Infrastruktur-Komponenten entwickeln und integrieren. Die Anreize sind für beide Seiten konkret: Die industriellen Partner erwarten Zeiteinsparungen von 25 bis 60 Prozent und Kostensenkungen von bis zu 80 Prozent. Akademische Partner erhalten Zugang zu Industriedaten, die normalerweise unerreichbar wären, publizieren in hochrangigen Zeitschriften und nutzen die entwickelten Workflows für Folgeprojekte. Entscheidend ist, dass jeder Use Case eine Dreifachrolle spielt: Er liefert Anforderungen an die technischen Arbeitspakete, validiert deren Ergebnisse und demonstriert den industriellen Mehrwert. Diese enge Verzahnung stellt sicher, dass wir keine Infrastruktur am Bedarf vorbei entwickeln.
DAS Projektversprechen ist die Beschleunigung der Materialentwicklung um Faktor 4. Was sind die Erfolgshypothesen, was sind die Hürden dafür?
Der Beschleunigungsfaktor beruht auf mehreren Erfolgshypothesen:
Die semantische Interoperabilität, also die Verknüpfung von Werkstoffdaten über Organisations- und Disziplingrenzen hinweg ermöglicht, dass Forschende nicht mehr manuell nach verstreuten Datensätzen suchen müssen.
Zweitens setzt das Konsortium darauf, dass interoperable Workflows, d.h. die Fähigkeit, Arbeitsabläufe aus verschiedenen Systemen nahtlos zu kombinieren, »Reibungsverluste« zwischen Simulation, Experiment und maschinellem Lernen drastisch reduzieren.
Drittens sollen Self-Driving Labs autonom mehr als fünf Schritte ohne manuelles Eingreifen ausführen können, wodurch in derselben Zeit viel mehr Forschungsexperimente durchgeführt werden können. KI-Modelle sollen die jeweils informativsten nächsten Experimente oder Materialzusammensetzungen vorschlagen und so den Suchraum deutlich schneller einengen.
Zudem sollen Surrogate-Modelle und Foundation Models zeitaufwändige und kostspielige physische Tests oder Simulationen teilweise ersetzen. Und letztlich sind über die Anbindung der vielen relevanten EU-Repositorien, tatsächlich viel mehr hochwertige Daten verfügbar.
Hürden sind die mangelnde FAIR-Reife realer Daten und die Bereitschaft der Partner, Daten zu teilen und natürlich ist die technische Integration von Plattformen und Workflow-Systemen hochkomplex.
Aber die größten Hebel liegen in den datenreichen industriellen Anwendungsfällen, in denen wir die Leistungsfähigkeit des MaterialsCommons-Konzepts erproben. Vor dem Hintergrund der globalen Herausforderungen ist die EU-weite Integration von Know-how in Schlüsseltechnologien jedoch alternativlos.
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Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
