Technologische Souveränität ist heute ein direktes Synonym für nationale Sicherheit. In der modernen Welt definiert die Fähigkeit einer Nation, Schlüsseltechnologien selbstständig zu entwerfen, herzustellen und zu sichern, ihre Stärke, Widerstandsfähigkeit und Unabhängigkeit. Die Geschichte der technologischen Souveränität der Vereinigten Staaten von Amerika ist eng mit der Entwicklung von Halbleitertechnologien verknüpft. Angetrieben durch die Dringlichkeit des Kalten Krieges und des "Wettlaufs ins All" führten amerikanische Investitionen zur Erfindung des integrierten Schaltkreises (IC) und der CMOS-Technologie (komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter) in den späten 1950er und frühen 1960er Jahren. Damit wurde der Grundstein für Elektronik mit geringem Stromverbrauch und hoher Dichte gelegt. Was folgte, war nichts weniger als eine Transformation der gesamten Gesellschaft – von den ersten Großrechnern bis zu den heutigen fortschrittlichen Verteidigungssystemen, der Cyberinfrastruktur, dem Gesundheitswesen und der Biotechnologie, jeder Sektor, der das menschliche Leben schützt, erhält und verbessert, verlässt sich nun auf die Leistung der Datenverarbeitung.

Während sich die Welt in eine Ära bewegt, die die Grenzen der traditionellen CMOS-Technologie überschreitet, erweist sich die Herstellung unter Mikrogravitationsbedingungen als entscheidender Motor für neue Computerparadigmen. Dazu gehören das Quantencomputing, das sich die Prinzipien der Quantenmechanik zunutze macht, und das neuromorphe Rechnen, das die Struktur und Funktion des menschlichen Gehirns nachahmt. Um an dieser neuen Grenze voranzukommen, müssen die Vereinigten Staaten erneut die Führung übernehmen. Dieses Mal findet der nächste große Sprung jenseits der Grenzen der Erde statt.

Die Wurzeln der digitalen Revolution: Vom Transistor zum Mond

Halbleiter tauchten in den USA ursprünglich als ein entscheidendes Gut der nationalen Sicherheit auf. 1947 erfand William Shockley in den Reinräumen der Bell Labs zusammen mit John Bardeen und Walter Brattain den Transistor, eine winzige Komponente, die die sperrigen und unzuverlässigen Vakuumröhren ersetzen sollte. Diese Erfindung war nur der Anfang. Ein Jahrzehnt später entwickelten amerikanische Pioniere wie Jack Kilby von Texas Instruments und Robert Noyce von Fairchild Semiconductor unabhängig voneinander den integrierten Schaltkreis, bei dem mehrere Transistoren auf einer einzigen Scheibe aus Halbleitermaterial, meist Silizium, untergebracht wurden. Dies ermöglichte eine radikale Miniaturisierung von Computern und legte den Grundstein für die technologische Überlegenheit gegenüber geopolitischen Rivalen. Diese Erfindungen revolutionierten nicht nur die Elektronik, sondern schufen die gesamte moderne Halbleiterindustrie und leiteten das ein, was wir heute als das digitale Zeitalter kennen.

Bis 1969 wurde der Apollo Guidance Computer (AGC), der Computer, der Menschen sicher auf dem Mond landete, zu einem der ersten großen Beispiele für den Einsatz von integrierten Schaltkreisen in einem missionskritischen System. Damals war der AGC ein Wunderwerk der Technik. Obwohl seine Rechenleistung nach heutigen Maßstäben bescheiden war und mit der ersten Generation von Heimcomputern aus den späten 1970er Jahren vergleichbar ist, stellte er für die damalige Zeit den Höhepunkt der Ingenieurskunst dar. Gerade der Erfolg der Apollo-Mission demonstrierte die Zuverlässigkeit und das Potenzial der IC-Technologie, woraufhin ihr schneller Übergang von ausschließlich militärischen und luft- und raumfahrttechnischen Anwendungen zu kommerziellen Anwendungen folgte – von großen Mainframe-Computern über Taschenrechner bis hin zu frühen digitalen Systemen. Vom Antrieb der Apollo bis zur Ermöglichung fortschrittlicher Kommunikations- und Bildgebungssysteme hat die Halbleitertechnologie fast jeden Sprung in Wissenschaft und Sicherheit vorangetrieben. Dieser Erfolg war kein Zufall; er war das Ergebnis einer kohäsiven nationalen Vision, die Industrie, Wissenschaft und Regierung um ein gemeinsames Ziel vereinte – Innovation für Sicherheit und Wohlstand.

Erreichte Grenzen: Warum die Erde nicht mehr ausreicht?

In den letzten sechs Jahrzehnten hat dieses Engagement für Innovationen die USA an der Spitze der Entwicklung von Schlüsseltechnologien gehalten. Die Landschaft der Technologieführerschaft verändert sich jedoch. Die Herstellung von integrierten Schaltkreisen auf der Erde nähert sich ihren grundlegenden physikalischen und wirtschaftlichen Grenzen. Das bekannte Mooresche Gesetz, das eine Verdopplung der Anzahl der Transistoren auf einem Chip alle zwei Jahre vorhersagt, verlangsamt sich. Ingenieure stehen vor Problemen wie dem Quantentunneln, bei dem Elektronen Barrieren "durchdringen", die sie eigentlich aufhalten sollten, und übermäßiger Erwärmung auf immer kleineren und dichteren Chips. Gleichzeitig wächst die Nachfrage nach leistungsfähigeren, energieeffizienteren und spezialisierten Chips, wie strahlungsresistenten Chips für militärische und Weltraumanwendungen, exponentiell. Um ihren Vorsprung zu wahren, müssen die Vereinigten Staaten eine Grenze annehmen, die sie bereits mit etabliert haben: die Forschung und Entwicklung von Halbleitern im Weltraum.

Mikrogravitation als neues Paradigma: Herstellung im niedrigen Erdorbit

Die Bedingungen der Mikrogravitation im niedrigen Erdorbit (LEO) bieten eine radikal andere Umgebung für die Forschung und Entwicklung von Halbleitern. Die reduzierten Gravitationskräfte, die auf der Erde Konvektion und Sedimentation verursachen, sind im Weltraum fast nicht vorhanden. Dies ermöglicht ein weitaus gleichmäßigeres Kristallwachstum, was zu Halbleiterkristallen mit einer dramatisch geringeren Defektdichte und einzigartigen atomaren Anordnungen führt. Quantenmaterialien verhalten sich auf neue Weise und ermöglichen die Schaffung von Architekturen, die auf der Erde extrem schwer, wenn nicht unmöglich, zu replizieren sind. Wissenschaftler untersuchen diese Effekte bereits seit den 1980er Jahren, und bis Anfang der 2000er Jahre wurden strukturierte Halbleiterforschungen bereits auf Space-Shuttle-Missionen und später auf der Internationalen Raumstation (ISS) durchgeführt.

Das Nationale Labor der ISS: Schmiede zukünftiger Technologien

Seit ihrer Gründung ist die Internationale Raumstation (ISS) zu einer entscheidenden Plattform für die Weiterentwicklung von Materialien für Computer der nächsten Generation, einschließlich Halbleitern, geworden. Im Jahr 2011 wurde das Zentrum zur Förderung der Wissenschaft im Weltraum (CASIS®) gegründet, um das amerikanische Nationale Labor auf der ISS zu verwalten, mit der ausdrücklichen Vision, Forschung und Entwicklung in Bereichen voranzutreiben, die sowohl kommerziellen als auch nationalen Interessen dienen. Mit Unterstützung der NASA hat CASIS Forschern aus Regierungsbehörden, der Wissenschaft und der Industrie ermöglicht, die Auswirkungen der Mikrogravitation auf das Kristallwachstum, die Abscheidung dünner Schichten und die Eigenschaften der Quantenverschränkung zu untersuchen. Diese Anstrengung geht über bloße wissenschaftliche Forschung hinaus; sie unterstützt direkt die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit und die nationale Widerstandsfähigkeit. Unsere fortschrittlichsten Systeme, autonomen Plattformen, sicheren Kommunikationen und Sensoren der nächsten Generation hängen von der Leistung und Präzision der Mikroelektronik ab. Während sich die Kapazitäten für die Produktion im Weltraum weltweit entwickeln, spielen die USA eine entscheidende Rolle bei der Förderung von Innovationen bei Materialien und Geräten.

Der neue Wettlauf ins All: Ein geopolitischer Imperativ für Innovationen

So wie der Start von Sputnik 1957 die USA dazu veranlasste, 1969 den Mond zu erreichen, müssen die heutigen globalen Verschiebungen einen neuen "Wettlauf ins All" anstoßen. Diesmal geht es nicht nur darum, den Weltraum zu erforschen, sondern die Zukunft darin zu produzieren. Nationen wie China haben die Halbleiterproduktion im Weltraum als strategische Priorität identifiziert und machen in diesem Bereich rasche Fortschritte, indem sie ihre eigene Raumstation bauen und relevante Experimente durchführen. In diesem Wettbewerb helfen die USA, die Zukunft der Halbleiterproduktion im Weltraum zu gestalten, indem sie Innovationen durch strategische Investitionen und Forschung fördern. Die Fortsetzung dieses Momentums wird für die langfristige Führung in diesem Bereich entscheidend sein. Dies umfasst eine koordinierte nationale Anstrengung zur Investition in orbitale F&E-Infrastruktur, die Unterstützung öffentlich-privater Partnerschaften und die Aufrechterhaltung von Plattformen wie der ISS und ihren Nachfolgern.

Amerikas strategische Antwort: Vom CHIPS Act bis zum Orbit

Mit Blick auf die nächsten 50 Jahre werden im Weltraum hergestellte Halbleiter wahrscheinlich eine entscheidende Rolle für die nationale Sicherheit spielen. Die gute Nachricht ist, dass wir nicht bei Null anfangen. Programme durch die NASA, die Agentur für fortgeschrittene Verteidigungsforschungsprojekte (DARPA), die Nationale Wissenschaftsstiftung (NSF) und den jüngsten CHIPS and Science Act legen den Grundstein für kommerzielle und nationale Anwendungen der Produktion im Weltraum. Der CHIPS Act, im Wert von Hunderten von Milliarden Dollar, soll die heimische Chipproduktion wiederbeleben und die Grundlagenforschung fördern. Diese Initiativen müssen ausgeweitet und beschleunigt werden. Wir müssen die Mikrogravitation nicht nur als Forschungsumgebung behandeln, sondern als Erweiterung des Innovationsökosystems, das die USA schon immer ausgezeichnet hat. Die Vereinigten Staaten besitzen die wissenschaftliche Tiefe, die kommerzielle Infrastruktur und den historischen Schwung, um erneut die Führung zu übernehmen. Was jetzt gebraucht wird, ist ein nachhaltiger Fokus und strategische Koordination. Der Preis der Verzögerung ist nicht nur eine verpasste Gelegenheit; es wird eine gefährliche Verwundbarkeit sein.

So wie wir 1969 nicht vorhersagen konnten, dass dieselben integrierten Schaltkreise, die im Apollo Guidance Computer verwendet wurden, eines Tages jedes Telefon, jedes Auto und jeden Satelliten antreiben würden, so können wir heute auch nicht vollständig die Auswirkungen von durch Mikrogravitation ermöglichten Halbleitern vorhersagen. Wie der Erfinder William Shockley einmal berühmt sagte: "Wir wussten, dass wir eine neue Welt am Schwanz packten." Heute, mit Durchbrüchen in der Weltraumproduktion und dem Post-CMOS-Computing am Horizont, packen wir wieder eine neue Welt am Schwanz. Die Menschen, die heute die Grundlagen für Computertechnologien und die Produktion im Weltraum schaffen, werden die Zukunft unserer globalen Sicherheit und unseres Wohlstands gestalten. Es ist an der Zeit, die Führung in der weltraumgestützten Halbleiterproduktion mit dem gleichen Geist und der gleichen Entschlossenheit wie 1969 zu übernehmen.

Quelle: ISS National Laboratory