Marktbericht zu Metamaterialien: Größe, Marktanteil und Trendanalyse nach Typ (elektromagnetisch, Terahertz, abstimmbar, photonisch, FSS, Sonstige (chiral, nichtlinear usw.)), Anwendung (Antennen & Radar, Sensoren, Tarnvorrichtungen, Superlinsen, Licht- & Schallfilterung, Sonstige (Solar, Absorber usw.)), Endnutzer (Gesundheitswesen, Telekommunikation, Luft- und Raumfahrt, Elektronik, Sonstige) und Region (Nordamerika, Europa, Asien-Pazifik, Naher Osten und Afrika, Lateinamerika) – Prognosen für 2022–2030

Wachstumstreiber des Metamaterialmarktes

Hohe Nachfrage aus der Luft- und Raumfahrt- sowie der Verteidigungsindustrie

Verbesserte Antennentechnologie ist für effektive Kommunikation in Militär, Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung unerlässlich. Zuverlässige, effektive Echtzeitkommunikation ist für netzwerkzentrierte Operationen auf dem digitalen Gefechtsfeld essenziell, um den zuständigen Mitarbeitern präzise Informationen bereitzustellen. Ein entscheidendes, wenn auch gelegentlich übersehenes Element von Verteidigungs-, Luft- und Raumfahrtsystemen sowie militärischen Systemen ist die Antenne. Radargeräte nutzen militärische Antennen auch zur Lenkung von Raketen für eine präzise Zielverfolgung. Der Markt für militärische Antennen dürfte durch zunehmende Grenzinfiltration, terroristische Aktivitäten, internationale Konflikte und angriffsanfällige Grenzen beflügelt werden, was voraussichtlich die Nachfrage nach Metamaterialien in Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungsanwendungen erhöhen wird.

Alle Nationen investieren in ihre Verteidigungsindustrie, um Frieden und Sicherheit zu gewährleisten. Regierungen stellen jährlich einen festen Betrag für die nationale Verteidigungsindustrie in ihren Haushalten bereit. Die Luft- und Raumfahrt- sowie die Rüstungsindustrie befinden sich derzeit in einem Superzyklus, der unter anderem durch enorme Auftragsbestände bedingt ist, welche die Produktion in diesem Sektor in den nächsten zehn Jahren ankurbeln dürften. Der Bedarf an Metamaterialien in dieser Branche steigt aufgrund der genannten Faktoren. Diese Nachfrage wird in der späteren Phase des Prognosezeitraums ein entscheidender Markttreiber sein.

Zunehmende Nutzung von Antennen für die Kommunikation

Die Telekommunikationsbranche zeigt in letzter Zeit verstärktes Interesse an Mikrowellenanwendungen. Mithilfe von Metamaterialien lassen sich exotische elektromagnetische Signale erzeugen. Diese Substanzen weisen verschiedene Brechungseigenschaften auf, darunter negative Brechungsindizes (NRI) und linkshändige Dielektrizitätskonstanten (LHM). Daher sind solche Materialien sowohl für die Entwicklung von Mikrowellenkomponenten als auch für die Konstruktion und Fertigung hocheffizienter Antennen unerlässlich. In magnetischen Induktionskommunikationssystemen (MI) werden Schleifenantennen in eine Hülle aus negativ permeablem Metamaterial eingebettet. Theoretisch ist es möglich, mit metamaterialverstärkten Super-Remote-Kommunikationssystemen und einer kleinen Schleifenantenne eine Reichweite von etwa 20 Metern bei akzeptablen Datenraten zu erzielen. Der Einsatz dieser Materialien in abgelegenen Gebieten kann die Verbindung daher erheblich verbessern.

Mit Hilfe von Metamaterialien in Antennen kann man bis zu sechsmal weiter fokussieren als die Beugungsgrenze bei 0,38 m. Die in Mobiltelefonen mit diesen Metamaterialien hergestellten Antennen sind fünfmal kleiner und weisen eine Bandbreite von 700 MHz bis 2,7 GHz auf. Wissenschaftler forschen derzeit an der Technologie der Impedanzanpassung mit großem Winkel (WAIM). Metamaterialien ermöglichen Phased-Array-Antennen mit überlegener Impedanz in großem Winkel. Auch in 5G-Antennen werden Metamaterialien zunehmend eingesetzt. All diese Faktoren, einschließlich des Einsatzes von Antennen auf Metamaterialbasis in Raketenabwehrsystemen, Systemen zur Meeresüberwachung, Weltraumüberwachung, Flugzeug-Kollisionswarnsystemen und Luftverteidigungssystemen, werden den Metamaterialmarkt im Prognosezeitraum voraussichtlich ankurbeln.

Marktbeschränkungen

Kosten der Synthese von Metamaterialien

Die Herstellung von Metamaterialien umfasst Werkzeuge zur Erzeugung hochdimensionaler Mikro- und Nanostrukturen, die mehrere Bestandteile in derselben Struktur enthalten. Diese Prozesse sind sehr kapitalintensiv und erfordern hohe Investitionen in Forschung und Entwicklung. Die Entwicklung und Fertigung solch hochcharakterisierter Strukturen erfordert modernste Maschinen und Anlagen. Daher ist die Synthese des Metamaterials ein zeitaufwändiger und kritischer Prozess. In jüngster Zeit wird auch die additive Fertigung als potenzielles Produktionsverfahren untersucht.

Darüber hinaus umfassen die Rohstoffe für die Herstellung von Metamaterialien verschiedene Nanopartikel, die sehr kostspielig sind. Das EPD-Verfahren nutzt elektrische Felder, um geladene Nanopartikel aus einer Lösung auf ein Substrat abzuscheiden. Aufgrund der begrenzten Anwendungsmöglichkeiten steckt die großtechnische Produktion von Metamaterialien noch in den Kinderschuhen. Wegen der hohen Herstellungskosten konzentrieren sich Unternehmen weltweit auf die Synthese von Metamaterialien im kleinen bis mittleren Maßstab. Daher verhindert der Mangel an kostengünstigen Technologien zur Herstellung verschiedener Metamaterialien in ausreichenden industriellen Mengen, dass der Metamaterialmarkt sein volles Potenzial ausschöpft.

Marktchancen

Steigende Nachfrage nach drahtloser Mobilkommunikation

Die Nachfrage nach drahtlosen Mobilkommunikationssystemen ist im letzten Jahrzehnt gestiegen. Seit der Verabschiedung der IMT-Advanced-Standards (IMT-A) durch die Internationale Fernmeldeunion (ITU) im Jahr 2010 wird die vierte Generation (4G) der drahtlosen Kommunikation weltweit eingeführt. Basierend auf der Internetprotokollarchitektur von 4G-Kommunikationssystemen wird erwartet, dass die Anzahl intelligenter und heterogener drahtloser Endgeräte, die auf das Internet zugreifen, mit dem stetigen Wachstum des Internetverkehrs exponentiell zunimmt. Der Einsatz von Metamaterialien in drahtlosen Kommunikationssystemen bietet eine höhere spektrale und energieeffiziente Leistung.

Die drahtlosen Kommunikationstechnologien der fünften Generation (5G) befinden sich in der fortgeschrittenen Entwicklungsphase und werden voraussichtlich 2021 eingeführt. Aufgrund der COVID-19-Pandemie kann es jedoch zu Verzögerungen kommen. 5G-Kommunikationssysteme werden voraussichtlich deutlich höhere Übertragungsraten als 4G-Systeme aufweisen, mit Spitzendatenraten von bis zu 10 Gbit/s bei 8–10 Bit/s/Hz/Zelle. Mit dem anhaltenden Wachstum des Telekommunikationssektors wird mit der kommerziellen Einführung der 5G-Netzwerktechnologie eine neue Ära der Kommunikationsgeräte erwartet. Metamaterialien werden zunehmend für 5G-Technologiekomponenten eingesetzt, beispielsweise für die Entwicklung großflächiger Antennen für Massive Multiple Input Multiple Output (MIMO)-Kommunikationssysteme. Auch Reflektoren auf Metamaterialbasis werden verwendet, um die 5G-Signalausbreitung zu verbessern.

Mit der zunehmenden Implementierung des Internets der Dinge (IoT), mobiler Medien undautonome FahrzeugeDie Anzahl der Anwendungen von Metamaterialien in drahtlosen Kommunikationssystemen wird im Prognosezeitraum voraussichtlich deutlich zunehmen. Die in diesen mobilen Kommunikationssystemen verwendeten Komponenten müssen kompakt sein, ohne die Effizienz zu beeinträchtigen – genau hier spielen Metamaterialien ihre Stärken aus. Der Einsatz von Metamaterialkomponenten wird alle drahtlosen und mobilen Technologien revolutionieren und somit den gesamten Sektor vorantreiben.

Segmentanalyse

Analyse nach Typ

Das Segment der elektromagnetischen Materialien hält den größten Marktanteil und wird im Prognosezeitraum voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 31,9 % wachsen. Elektromagnetische Metamaterialien sind künstliche Werkstoffe, deren elektromagnetische Eigenschaften gezielt so gestaltet werden, dass sie eine Reihe von Reaktionen ermöglichen, die mit natürlich vorkommenden Materialien oder Verbundwerkstoffen nur schwer oder gar nicht zu erzielen sind. Zu den wichtigsten Eigenschaften von Metamaterialien gehören ein negativer Brechungsindex (bei dem sowohl die magnetischen als auch die elektrischen Eigenschaften negativ sind), perfekte (Subwellenlängen-)Linsenwirkung und elektromagnetische Tarnkappen. Diese Eigenschaften treiben das Wachstum dieses Segments an.

Durch Anwendungsanalyse

Das Segment Antennen & Radar hält den größten Marktanteil und wird im Prognosezeitraum voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 31,8 % wachsen. Eine der wichtigsten Anwendungen von Metamaterialien ist der Einsatz in Antennen. Die Leistungsmerkmale von Antennen werden durch die Nutzung der besonderen Eigenschaften von Metamaterialien verbessert. Metamaterialbeschichtungen werden verwendet, um die Strahlungs- und Koordinationsfähigkeiten von elektrisch unauffälligen und ästhetisch ansprechenden Dipol-Empfangsgeräten zu optimieren. Die Entwicklung von Metamaterial-Oberflächenantennen (MSA-T) stellt eine neue Kategorie von Innovationen bei Empfangsgeräten dar. Sie ermöglicht die schnelle und präzise Steuerung eines Hochfrequenzbalkens über einen großen Bereich, ohne dass bewegliche Komponenten oder teure bewegliche Segmente benötigt werden. Aufgrund der genannten Faktoren wird die Nachfrage nach Metamaterialien in Antennen und Radar im Prognosezeitraum voraussichtlich steigen.

Analyse durch Endnutzer

Das Segment Luft- und Raumfahrt/Verteidigung hält den größten Marktanteil und wird im Prognosezeitraum voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 34 % wachsen. Fortschrittliche Antennentechnologien sind für zuverlässige Kommunikation in Militär, Verteidigung und Luft- und Raumfahrt unerlässlich. Zuverlässige, effektive Echtzeitkommunikation ist entscheidend für den Erfolg netzwerkzentrierter Operationen auf dem digitalen Schlachtfeld und die Bereitstellung präziser Informationen zur richtigen Zeit an die richtige Person. Die Antenne ist ein zentrales, wenn auch häufig vernachlässigtes Element von Systemen in der Luft- und Raumfahrt, Verteidigung und im Militär. Militärische Antennen werden zudem in Radargeräten zur Lenkung von Raketen für eine präzise Zielverfolgung eingesetzt. Der Anstieg von Grenzinfiltrationen, terroristischen Aktivitäten, zwischenstaatlichen Konflikten und angriffsanfälligen Grenzen dürfte die Nachfrage nach militärischen Antennen ankurbeln. Dies wiederum steigert den Bedarf an Metamaterialien.

Regionalanalyse

Nordamerikanischer Vorherrschaft auf dem Markt

Nordamerika hält den größten Marktanteil und wird im Prognosezeitraum voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 31,9 % wachsen. Die USA verfügen über die weltweit größte Luft- und Raumfahrtindustrie. Laut der Federal Aviation Administration (FAA) wird die gesamte Flugzeugflotte aufgrund des Wachstums im Luftfrachtverkehr bis 2030 voraussichtlich 36.500 Maschinen erreichen. Darüber hinaus wird erwartet, dass die Flotte der US-amerikanischen Großraumfluggesellschaften aufgrund der Alterung der bestehenden Flotte um 54 Flugzeuge pro Jahr wachsen wird. Starke Exporte von Luft- und Raumfahrtkomponenten in Länder wie Frankreich, China und Deutschland sowie robuste Konsumausgaben in den USA treiben die Produktionsaktivitäten in der Luft- und Raumfahrtindustrie an.

Der US-Verteidigungshaushalt belief sich im Fiskaljahr 2021 auf 716,2 Milliarden US-Dollar, nachdem er im Fiskaljahr 2020 mit 721,5 Milliarden US-Dollar seinen Höchststand erreicht hatte. Dies entspricht einem Allzeithoch in den letzten beiden Jahren der ersten Amtszeit von Donald Trump. Die Bereitschaft der aktuellen Regierung, die Produktion militärischer Ausrüstung zu steigern und die Position der Vereinigten Staaten in der Weltordnung zu sichern, ist einer der vielen Faktoren, die zum Anstieg der Militärausgaben in den letzten fünf Jahren beigetragen haben. Solche Entwicklungen im Luft- und Raumfahrtsektor dürften die Nachfrage nach Metamaterialien ankurbeln.

Der asiatisch-pazifische Raum wird bis 2030 voraussichtlich 1,6 Milliarden US-Dollar erwirtschaften, was einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von 31,7 % entspricht. China verfügt über das weltweit höchste Verteidigungsbudget. Die jüngsten Erhöhungen der Verteidigungsausgaben verdeutlichen Chinas Entschlossenheit, die Volksbefreiungsarmee bis 2035 vollständig aufzubauen und bis 2049 zu einer Weltklasse-Armee zu entwickeln. Dies eröffnet der Militärtechnologiebranche neue Chancen. China ist der größte Produktionsstandort für Elektronik. Das Land beliefert sowohl private Haushalte mit Elektronik als auch exportiert Elektronikprodukte in andere Länder. Mit dem steigenden verfügbaren Einkommen der Mittelschicht und der wachsenden Nachfrage nach Elektronikprodukten in Ländern, die Elektronik aus China importieren, wird ein Wachstum der Elektronikproduktion erwartet. Daher dürfte der Markt für Metamaterialien in der Region ein starkes Wachstum verzeichnen.

Europa ist die drittgrößte Region. Die deutsche Luft- und Raumfahrtindustrie umfasst über 2.300 Unternehmen im ganzen Land, wobei Norddeutschland die höchste Unternehmensdichte aufweist. Das Land beherbergt zahlreiche Produktionsstätten für Flugzeuginnenausstattungen, MRO (Wartung, Reparatur und Überholung) sowie Leichtbaukonstruktionen und -materialien, vorwiegend in Bayern, Bremen, Baden-Württemberg und Mecklenburg-Vorpommern. Schätzungen zufolge werden in den nächsten 20 Jahren über 30.000 bis 35.000 neue Flugzeuge in Betrieb genommen, um die steigende Nachfrage der Luftfahrtindustrie zu decken. Mit der erhöhten Flugzeugproduktion wird daher auch ein Anstieg des Marktverbrauchs im Prognosezeitraum erwartet.