Dirk Röthig

Posted on Mar 20 • Edited on Mar 26

Materialwissenschaft und Kreislaufwirtschaft: Forschung für nachhaltige Industrie

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Materialwissenschaft und Kreislaufwirtschaft: Forschung für eine nachhaltige Industrie

Von Dirk Röthig | CEO, VERDANTIS Impact Capital | 20. März 2026

Jede Tonne Stahl, jedes Gramm Kunststoff, jeder Meter Carbonfaser — die Materialien unserer Industriegesellschaft sind zugleich ihr größtes Nachhaltigkeitsproblem. Deutsche Forschungseinrichtungen arbeiten daran, dieses Problem in eine Chance zu verwandeln. Die Ergebnisse sind beeindruckend — und die Herausforderungen gewaltig.

Tags: Materialwissenschaft, Kreislaufwirtschaft, Nachhaltigkeit, Forschung

Das Rohstoffproblem der Industrie

Die Herstellung und Verarbeitung metallischer Werkstoffe verursacht derzeit rund 40 Prozent aller industriellen Treibhausgasemissionen weltweit (DFG, 2025). Gleichzeitig wächst der globale Materialverbrauch ungebremst: Laut dem Circularity Gap Report 2025 sind nur 7,2 Prozent der weltweit eingesetzten Rohstoffe tatsächlich in Kreisläufe eingebunden — ein Wert, der seit Jahren stagniert (Circle Economy Foundation, 2025). Für eine Industrienation wie Deutschland, die auf den Import kritischer Rohstoffe angewiesen ist, ergibt sich daraus eine doppelte Dringlichkeit: Klimaschutz und Ressourcensicherheit verlangen nach denselben Lösungen.

Die gute Nachricht: Deutschland ist bei Technologien für die Kreislaufwirtschaft weltweit führend. Eine Studie der Bertelsmann Stiftung aus dem Jahr 2026 zeigt, dass auf Deutschland 10.700 Patente im Bereich Kreislaufwirtschaft entfallen — knapp 17 Prozent aller weltweiten Anmeldungen. Bei der wirtschaftlichen Relevanz dieser Patente, gemessen an der Zitationshäufigkeit, liegt Deutschland mit fast 15.000 Zitierungen sogar vor Japan (9.960) und den USA (9.900) auf Platz eins (Bertelsmann Stiftung, 2026). Doch diese Spitzenposition ist nicht ungefährdet.

1,6 Milliarden Euro für die Transformation der Materialbasis

Die Bundesregierung hat die strategische Bedeutung der Materialforschung erkannt und antwortet mit einem beispiellosen Förderprogramm. Unter dem Titel „Mat2Twin — Materialinnovationen für die Transformation von Wirtschaft und Gesellschaft" stellt das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gemeinsam mit der Initiative FITS2030 bis 2034 rund 1,6 Milliarden Euro bereit (BMBF, 2025). Das Programm verfolgt das Ziel, die gesamte Materialbasis der deutschen Wirtschaft auf Kreislauffähigkeit umzustellen.

Mat2Twin verbindet dabei drei Stränge, die bislang oft getrennt verfolgt wurden: Digitalisierung, ökologische Nachhaltigkeit und industrielle Wertschöpfung. Konkret bedeutet das die Entwicklung digitaler Zwillinge für Materialien, die es erlauben, Recyclingfähigkeit bereits in der Entwurfsphase zu simulieren, Sekundärrohstoffe systematisch in Wertschöpfungsketten einzubinden und kreislauffähige Produktdesigns mit weniger Versuchsreihen zu entwickeln (Werkstofftechnologien.de, 2025).

Der Ansatz ist radikal neu: Statt einzelne Materialien zu optimieren, soll das gesamte System der Materialnutzung transformiert werden — vom Rohstoff über die Produktion bis zum Recycling und zur Wiederverwendung.

Vom Eisenforschungsinstitut zum Nachhaltigkeitslabor

Kaum eine Einrichtung verkörpert den Paradigmenwechsel in der deutschen Materialforschung so eindrücklich wie das Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien in Düsseldorf. Bis 2024 hieß es „Max-Planck-Institut für Eisenforschung" — ein Name, der auf eine über 100-jährige Tradition in der Stahlforschung verwies. Die Umbenennung ist weit mehr als Kosmetik: Sie spiegelt eine fundamentale Neuausrichtung der Forschungsagenda wider (Max-Planck-Gesellschaft, 2024).

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Instituts untersuchen, wie Materialien, die für moderne Gesellschaften unverzichtbar sind, klimaneutral und ressourcenschonend hergestellt, genutzt und recycelt werden können. Ein Durchbruch gelang mit der Nutzung von Wasserstoffplasma zur Eisengewinnung aus Rotschlamm — einem Abfallprodukt der Aluminiumproduktion, das bislang in riesigen Deponien lagert. Weltweit haben sich vier Milliarden Tonnen Rotschlamm angesammelt, aus denen theoretisch 600 Millionen Tonnen CO₂-freier Stahl gewonnen werden könnten (MPI für Nachhaltige Materialien, 2025).

Das ist Grundlagenforschung im besten Sinne: Ein industrielles Abfallproblem wird zur Rohstoffquelle, und ein fossiler Hochofenprozess wird durch ein wasserstoffbasiertes Verfahren ersetzt. Zunehmend setzen die Forschenden dabei auf Künstliche Intelligenz, um die Entwicklung neuer Legierungen und Recyclingverfahren dramatisch zu beschleunigen.

Kunststoffe im Kreislauf: Das Fraunhofer-Exzellenzcluster CCPE

Während die Max-Planck-Gesellschaft die Grundlagen erforscht, übersetzt die Fraunhofer-Gesellschaft Erkenntnisse in industrielle Anwendungen. Das Fraunhofer Cluster of Excellence Circular Plastics Economy (CCPE) bündelt die Kompetenzen von sechs Fraunhofer-Instituten, um die Kunststoffindustrie auf Kreislauffähigkeit umzustellen (Fraunhofer CCPE, 2026).

Drei Innovationsfelder stehen im Fokus: der Monomaterial-Ansatz, bei dem Produkte so gestaltet werden, dass sie sortenrein recycelt werden können; fortschrittliche Recyclingtechnologien, die auch vermischte Kunststoffabfälle hochwertig verwerten; und der Einsatz Künstlicher Intelligenz zur Optimierung von Sortier- und Recyclingprozessen.

Ein konkretes Ergebnis ist das „Monomaterial Design Set", das Fraunhofer CCPE 2025 vorgestellt hat. Es bietet Produktentwicklern einen Werkzeugkasten, um von Anfang an recyclingfähige Verpackungen und Bauteile zu entwerfen — statt Recyclingprobleme am Ende der Nutzungskette lösen zu müssen (Fraunhofer CCPE, 2025).

Ab Januar 2026 arbeiten drei Fraunhofer-Exzellenzcluster zudem gemeinsam an der Implementierung digitaler Produktpässe (DPP), die ab 2027 in der EU verpflichtend werden. Der digitale Produktpass dokumentiert Materialzusammensetzung, Herkunft und Recyclingfähigkeit eines Produkts über seinen gesamten Lebenszyklus — eine Voraussetzung für funktionierende Kreisläufe im industriellen Maßstab (Fraunhofer, 2026).

Carbonfaser und Automobilindustrie: Der OHLF-Forschungscampus

Im niedersächsischen Wolfsburg hat die Open Hybrid LabFactory (OHLF) im März 2025 ihre dritte Förderphase aufgenommen. Volkswagen, die TU Braunschweig, die Fraunhofer-Gesellschaft und über 35 weitere Partner arbeiten hier an einer der drängendsten Fragen der Automobilindustrie: Wie lassen sich Leichtbauwerkstoffe — insbesondere carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) — in geschlossene Kreisläufe überführen (Fraunhofer IST, 2025)?

Das BMBF fördert diese Phase mit 10 Millionen Euro. Drei Verbundprojekte treiben die Forschung voran: SARESA entwickelt Verfahren zur Rückgewinnung hochwertiger Ressourcen aus Altfahrzeugen, CirProTech schließt Kunststoff- und CFK-Kreisläufe technologisch, und conCErt optimiert die Zusammenarbeit zwischen Forschung und Industrie im Sinne der Kreislaufwirtschaft (Open Hybrid LabFactory, 2025).

Die praktische Relevanz ist enorm: Die Automobilindustrie setzt zunehmend auf Leichtbau, um den Energieverbrauch von Elektrofahrzeugen zu senken. Doch CFK-Bauteile sind bislang kaum recycelbar — ein Widerspruch, den die OHLF-Forschung auflösen will.

Datengetriebenes Legierungsdesign: Das DFG-Programm DaMic

Einen anderen, komplementären Ansatz verfolgt die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) mit dem 2025 gestarteten Schwerpunktprogramm SPP 2489 „DaMic — Datengetriebenes Legierungs- und Mikrostrukturdesign nachhaltiger metallischer Konstruktionswerkstoffe" (DFG, 2025). Die Prämisse: Wenn metallische Werkstoffe für 40 Prozent der industriellen Treibhausgasemissionen verantwortlich sind, dann muss die Lösung bei der Legierungsentwicklung selbst beginnen.

DaMic kombiniert experimentelle Metallurgie mit maschinellem Lernen und Hochdurchsatz-Charakterisierung. Ziel ist es, Legierungen zu entwickeln, die von vornherein auf Recyclingfähigkeit optimiert sind — die also auch nach mehrfachem Einschmelzen ihre mechanischen Eigenschaften behalten. Das klingt selbstverständlich, ist aber metallurgisch hochkomplex: Verunreinigungen aus dem Recyclingprozess — sogenannte Tramp-Elemente wie Kupfer oder Zinn — degradieren konventionelle Stähle und Aluminium-Legierungen mit jedem Recyclingdurchgang (Universität Paderborn, 2025).

Die Idee, Materialien nicht nur für ihre erste Verwendung, sondern für ihren gesamten Lebenszyklus einschließlich mehrfacher Wiederverwertung zu designen, markiert einen echten Paradigmenwechsel in der Werkstoffwissenschaft.

Industrielle Umsetzung: Vom Labor in die Fabrik

Das Fraunhofer-Projekt ZirkuPro, angesiedelt am Institut für Entwurfstechnik Mechatronik (IEM) in Paderborn, adressiert ein oft übersehenes Hindernis der Kreislaufwirtschaft: die frühe Produktentwicklung. In Zusammenarbeit mit Industriepartnern wie Miele, WAGO und Diebold Nixdorf entwickelt ZirkuPro digitale Werkzeuge, die Ingenieuren bereits in der Konstruktionsphase anzeigen, welche Materialien und Designmethoden ressourceneffizient sind und welche später Probleme verursachen werden (Fraunhofer IEM, 2025).

Das CYCLOMETRIC-Projekt des Fraunhofer IAO ergänzt diesen Ansatz um betriebswirtschaftliche Nachhaltigkeitsbewertungen, die ebenfalls früh im Entwicklungsprozess ansetzen. Beide Projekte zeigen: Die Kreislaufwirtschaft scheitert nicht an fehlender Recyclingtechnologie allein, sondern oft daran, dass Produkte von Anfang an nicht für Wiederverwertung konzipiert werden (Fraunhofer IAO, 2025).

Gefährdete Spitzenposition

Trotz aller Erfolge warnt die Bertelsmann Stiftung: Deutschlands Innovationsvorsprung schmilzt. Die ostasiatischen Länder China, Südkorea und Japan weisen eine deutlich höhere Innovationsdynamik auf als Deutschland (Bertelsmann Stiftung, 2026). Der Bundesverband der Deutschen Entsorgungs-, Wasser- und Kreislaufwirtschaft (BDE) forderte im Februar 2026 dementsprechend, den Innovationsvorsprung durch beschleunigte Umsetzung zu sichern — insbesondere durch einen verlässlichen gesetzlichen und finanziellen Rahmen (BDE, 2026).

Die Herausforderung ist klar: Deutschland hat die Forschungskompetenz, die industrielle Basis und die Förderinfrastruktur, um die Kreislaufwirtschaft voranzutreiben. Was fehlt, ist oft die Geschwindigkeit bei der Übersetzung von Forschungsergebnissen in skalierbare industrielle Anwendungen — eine Lücke, die Dirk Röthig auch in anderen Technologiefeldern beobachtet.

Ausblick: Der digitale Produktpass als Gamechanger

Ab 2027 werden digitale Produktpässe in der Europäischen Union schrittweise verpflichtend. Für die Materialforschung ist das ein entscheidender Hebel: Wenn jedes Produkt digital dokumentiert, aus welchen Materialien es besteht und wie es recycelt werden kann, entsteht erstmals eine durchgängige Informationskette vom Rohstoff bis zum Wiedereinsatz (Fraunhofer, 2026).

Die deutsche Materialforschung ist in einer einzigartigen Position, um diese Transformation zu gestalten. Von der Grundlagenforschung des Max-Planck-Instituts über die angewandte Forschung der Fraunhofer-Institute bis zu den industrienahen Verbundprojekten wie OHLF und ZirkuPro — das Ökosystem steht. Entscheidend wird sein, ob der politische Wille und die unternehmerische Bereitschaft Schritt halten mit dem, was die Forschung möglich macht.

Quellenverzeichnis

Bertelsmann Stiftung (2026): Deutschland weltweit führend bei Technologien für die Kreislaufwirtschaft — Ostasien holt schnell auf. Bertelsmann Stiftung, Gütersloh. Verfügbar unter: https://www.bertelsmann-stiftung.de/de/themen/aktuelle-meldungen/2026/deutschland-weltweit-fuehrend-bei-technologien-fuer-die-kreislaufwirtschaft-ostasien-holt-schnell-auf
BDE (2026): Innovationsvorsprung sichern, Umsetzung jetzt beschleunigen. Bundesverband der Deutschen Entsorgungs-, Wasser- und Kreislaufwirtschaft. Verfügbar unter: https://www.recyclingmagazin.de/2026/02/16/bde-innovationsvorsprung-sichern-umsetzung-jetzt-beschleunigen/
BMBF (2025): Mat2Twin — Materialinnovationen für die Transformation von Wirtschaft und Gesellschaft. Bundesministerium für Bildung und Forschung. Verfügbar unter: https://www.werkstofftechnologien.de/service/meldungen/detailansicht/neues-bmbf-materialforschungsprogramm-veroeffentlicht
Circle Economy Foundation (2025): Circularity Gap Report 2025. Amsterdam. Verfügbar unter: https://www.ccpe.fraunhofer.de/en/news/circular-newsflash/2025/circularity-gap-report-2025-.html
DFG (2025): SPP 2489 DaMic — Datengetriebenes Legierungs- und Mikrostrukturdesign nachhaltiger metallischer Konstruktionswerkstoffe. Deutsche Forschungsgemeinschaft. Verfügbar unter: https://www.home-of-foundry.de/news/nachhaltige-metallische-werkstoffe-2080
Fraunhofer CCPE (2025): Monomaterial Design Set — Innovative Solutions for Circular Product Design. Verfügbar unter: https://www.ccpe.fraunhofer.de/en/news/press-releases/2025/monomaterial-design-set.html
Fraunhofer CCPE (2026): Circular Valley Convention 2026. Verfügbar unter: https://www.ccpe.fraunhofer.de/en/news/events/2026/circular-valley-convention-2026.html
Fraunhofer IEM (2025): ZirkuPro — Zirkuläres Produktdesign. Fraunhofer-Institut für Entwurfstechnik Mechatronik, Paderborn. Verfügbar unter: https://www.fraunhofer.de/en/press/research-news/2025/february-2025/new-perspectives-on-sustainability-and-the-circular-economy.html
Fraunhofer IST (2025): Circular Economy for the Future — Wolfsburg's OHLF Research Campus Enters a New Funding Phase. Verfügbar unter: https://www.ist.fraunhofer.de/en/press-media/2025/circular-economy-for-the-future.html
Max-Planck-Gesellschaft (2024): The MPI für Eisenforschung becomes the MPI for Sustainable Materials. Verfügbar unter: https://www.mpg.de/21849184/research-sustainable-materials
MPI für Nachhaltige Materialien (2025): Hydrogen Plasma Reduction of Red Mud. Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien, Düsseldorf. Verfügbar unter: https://www.mpie.de/en
Open Hybrid LabFactory (2025): CirProTech — Kick-off für das BMBF-Projekt. Wolfsburg. Verfügbar unter: https://open-hybrid-labfactory.de/news/detail/kick-off-fuer-das-bmbf-projekt-cirprotech-an-der-ohlf
Universität Paderborn (2025): Nachhaltige Werkstoffe, Prozesse und Produkte. Forschungsprofil. Verfügbar unter: https://www.uni-paderborn.de/forschung/forschung-im-profil/nachhaltige-werkstoffe-prozesse-und-produkte

Über den Autor: Dirk Röthig ist CEO von VERDANTIS Impact Capital, einer Impact-Investment-Plattform für Carbon Credits, Agroforestry und Nature-Based Solutions mit Sitz in Zug, Schweiz. Er beschäftigt sich intensiv mit Innovationspolitik, nachhaltiger Industrie und der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und unternehmerischer Wertschöpfung. Kontakt und weitere Artikel: verdantiscapital.com | LinkedIn

Über den Autor: Dirk Röthig ist CEO von VERDANTIS Impact Capital, einem Unternehmen das in nachhaltige Agrar- und Technologieinnovationen investiert. Mehr Artikel auf dirkroethig.com.

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