Dieser Beitrag bezieht sich auf die Prognose eines Kupferengpasses für das nächste Jahrzehnt aufgrund des Elektrifizierungsprozesses und der schnellen Entwicklung der Datenzentrierung. Die Energiewende wird eine enorme Menge an Kupfer benötigen: Netze, Elektrofahrzeugmotoren, Wind, Solar, Batterien, Rechenzentren, alles gleichzeitig wächst. Normalerweise antworten wir optimistisch "Nun, wir ersetzen es einfach."… Aluminium, Kohlenstoffnanoröhren, Supraleiter, neue Batteriechemie.
Ich habe jetzt eine Weile damit verbracht, die aktuelle Literatur zu diesem Thema durchzulesen, und ich denke, dass der Rahmen irgendwie kaputt ist. "Kupfer ersetzen" ist nicht eine einzige Frage, sondern mindestens vier, und sie leben auf völlig unterschiedlichen Zeitlinien, mit völlig unterschiedlicher Physik, völlig unterschiedlicher Wirtschaft und völlig unterschiedlichen Branchen.
Hier finden Sie eine Übersicht.
1. Aluminium zur Massensubstitution in konventionellen Leitern: Das ist ausgereift
Dies ist das Langweilige und das Einzige, das tatsächlich in großem Maßstab eingesetzt wird. Aluminium hat 61 % der Volumenleitfähigkeit von Kupfer, aber etwa 30 % der Dichte. Für den gleichen Strom benötigen Sie also ein Kabel mit etwa dem 1,6-fachen Querschnitt und es ist insgesamt leichter. Freileitungen bestehen bereits fast vollständig aus Aluminium. Zusammen mit den meisten Transformatorwicklungen. Die Kabelbäume für Elektrofahrzeuge befinden sich in einem aktiven Wandel. Beispielsweise hat BMW gemeinsam mit der TU München herausgefunden, wie man mit dem Kriechproblem von Aluminium umgehen kann, indem man es in ein selbststabilisierendes Element mit keilförmigen Kontakten umwandelt. Sumitomo Electric und AutoNetworks haben hingegen Automobilleiter aus Aluminiumlegierung geliefert.
Die eigene Umfrage der International Copper Association zeigt jedoch nur etwa 1,3 % des jährlichen Kupferverbrauchs werden pro Jahr ersetzthauptsächlich aus Aluminium. Klein, stabil, aber langsam. Und der Grund ist nicht der Preis. Tatsächlich gibt es eine ökonometrische Studie aus dem Jahr 2025, die zeigt, dass Verbraucher bei den Aluminiumpreisen hin und her schwanken, aber das Ausmaß ist bescheiden. Die eigentliche Bremse sind größtenteils die versunkenen Kosten: Jedes kupferbasierte Design wird mit kupferqualifizierten Anschlüssen, Steckverbindern, Schulungen, der Einhaltung gesetzlicher Vorschriften und Maschinen kombiniert.
Und Aluminium ist nicht dafür "frei": Die Primäraluminiumproduktion ist pro Tonne 4–5x energieintensiver als die Kupferraffination. Die CO2-Rechnung wird im Laufe der Lebensdauer eines Fahrzeugs durch Gewichtseinsparungen ausgeglichen, aber das geschieht nicht automatisch und nicht unmittelbar.
2. Kohlenstoffnanoröhren zur Substitution in gewichtskritischen Anwendungen – immer noch eine Nische und vorkommerziell
CNTs haben spektakuläre intrinsische Eigenschaften im Einzelröhrenmaßstab, aber das Problem besteht darin, dass ein echtes Kabel Millionen zusammengepackter Nanoröhren benötigt, und sobald man das schafft, bricht die Leitfähigkeit zusammen, weil Elektronen über unvollständige Kontakte zwischen den Röhren hüpfen müssen, anstatt sauber durch einen einzelnen Kanal zu fließen.
Der beste Reine CNT-Fasern erreichen etwa 3 % der Leitfähigkeit von Kupfer. Mit Säure dotiert, erreicht etwa 19 %. Nur mit Polymer dotierte Fasern haben 98 % erreicht, was meiner Meinung nach wirklich beeindruckend ist, aber die Dotierstoffe neigen dazu, sich durch Feuchtigkeit und thermische Wechselwirkungen zu zersetzen, sodass die langfristige Zuverlässigkeit eine offene Frage ist. Ein koreanisches Labor baute im Jahr 2025 einen vollständig metallfreien Elektromotor mit CNT-Wicklungen: Er lief mit 94 % der Geschwindigkeit eines Kupferäquivalents, was eine bemerkenswerte Demonstration ist. Die Kosten für den CNT-Leiter betragen jedoch etwa 375–500 US-Dollar/kg gegenüber 10–11 US-Dollar/kg für Kupfer. Das ist ein 40-facher Preisunterschied, den keine normale Lernkurve in einem Jahrzehnt schließen kann.
Die gute Nachricht ist jedoch, dass es eine echte industrielle Entwicklung gibt (ein Houstoner Unternehmen namens DexMat arbeitet mit ihm zusammen). Prysmian auf Hochspannungskabeln basierend auf ihren Galvorn-Faser), aber ich glaube nicht, dass das so ist "eine Netzlösung für 2030". Es handelt sich wahrscheinlich noch lange um ein Nischengeschäft im Luft- und Raumfahrt- und Hochleistungsbereich, mit möglicherweise Auswirkungen auf bestimmte hochwertige Anwendungen.
3. Architektonische Neugestaltung: Natrium-Ionen-Batterien und Hochtemperatur-Supraleiter.
Ich finde, dass dies eine interessante Kategorie ist, da die Substitution nicht Material für Material erfolgt. Es ist "Ändern Sie das System, sodass das Kupfer in dieser Funktion nicht mehr benötigt wird."
Bei Lithium-Ionen-Batterien muss der Anodenstromkollektor aus Kupfer bestehen, da sich Aluminium bei niedrigen Potentialen mit Lithium legiert und den Kollektor zerstört. Natrium hat dieses Problem nicht, daher verwenden Natriumionenzellen auf beiden Seiten Aluminium. Das sind etwa zwei Drittel der pro Zelle eingesparten Kollektorkosten, und ein bedeutender Teil des Kupferbedarfs verschwindet stillschweigend im großen Maßstab. CATL brachte im April 2025 seine Naxtra-Natrium-Ionen-Batterie mit 175 Wh/kg und über 10.000 Zyklen zur Massenproduktion auf den Markt. Doch ein anderes Unternehmen (Natron Energy) scheiterte im September 2025. Die Technologie ist also real, aber das Geschäftsmodell ist brutal.
Das andere sind Hochtemperatursupraleiter. Sie arbeiten in flüssigem Stickstoff bei 65–77 Kelvin und können etwa die 200-fache Stromdichte herkömmlicher Widerstandskupferkabel übertragen. Ein einzelnes HTS-Kabel kann mehr als 3 GW leisten. AmpaCity in Essen (Deutschland) betreibt seit 2014 eine 1 km lange HTS-Verbindung in einem Live-Verteilungsnetz. Während Airbus einen supraleitenden 2-MW-Antriebsdemonstrator für die Wasserstoffluftfahrt entwickelt. Darüber hinaus lag der weltweite Markt für HTS-Stromkabel im Jahr 2024 bei etwa 174 Millionen US-Dollar und wird bis 2032 voraussichtlich 578 Millionen US-Dollar erreichen. Klein, aber real, meistens gerechtfertigt, wenn Platz, Gewicht oder Leistungsdichte die kryogenen Kosten ausgleichen. Wahrscheinlich eine Nischengeschichte, die sich über 20 Jahre zu einem Medium entwickelt.
4. Nanoelektronische Verbindungen: topologische Halbmetalle, weit entfernt, aber strategisch geladen. Ehrlich gesagt, aber mein Favorit.
Dieses Thema wird außerhalb von Materialzeitschriften kaum besprochen und ich denke, es ist das interessanteste.
In einem fortschrittlichen Chip sind Transistoren durch Kupferverbindungen miteinander verbunden. Wenn die Linienbreiten unter etwa 5 nm schrumpfen, verhält sich Kupfer nicht mehr wie Kupfer. Oberflächen- und Korngrenzenstreuung dominieren, der spezifische Widerstand steigt stark an und die effektive Leitfähigkeit kann um den Faktor zehn einbrechen. Die Barriereauskleidung, die Sie benötigen, um zu verhindern, dass Kupfer in das Dielektrikum diffundiert, frisst umso mehr vom Querschnitt, je kleiner Sie werden. Dies ist eine harte physikalische Obergrenze für die Chip-Skalierung, die derzeit erreicht wird.
Aber…
Eine Veröffentlichung in Science aus dem Jahr 2025 zeigte, dass ultradünne Niobphosphidfilme (ein topologisches Halbmetall, bei dem Elektronen fast ohne Streuung entlang geschützter Oberflächenzustände wandern) übertreffen Kupfer bei Dicken unter 5 nmobwohl massives NbP etwa 20-mal schlechter leitet als massives Kupfer. Je dünner die Folie, desto besser ist sie, was die übliche Intuition umkehrt. Und die Filme müssen nicht einkristallin sein, was einen echten Fab-Prozess zumindest vorstellbar macht.
Was ist das alles?
Nun, der S&P Global 2026-Prognose zufolge wird sich der Kupferverbrauch allein in Rechenzentren bis 2040 ungefähr verdoppeln. Der Ausbau der KI übt einen enormen Druck auf Chip-Leiter aus, genau zu dem Zeitpunkt, an dem der Rest der Energiewende um die gleiche Materialbasis konkurriert. Ein teilweiser Materialaustausch an den fortschrittlichsten Knotenpunkten würde keine große Menge bewirken, aber der strategische Hebel ist groß: Ein paar Gramm in den richtigen Schichten eines Spitzenchips sind viel wert.
Dieser Beitrag ist eine Zusammenfassung eines ausführlichen Tauchgangs mit mehr als 20 Originalreferenzen, darunter auch von Experten begutachtete Artikel. Sie finden sie im Link.
10 Kommentare
The reason I’m putting this up: most of the futures we talk about , i.e., electrification, AI infrastructure, EVs, decarbonization, the data center buildout, sit downstream of a copper supply curve that’s projected to be structurally short for the next two decades. Whenever this comes up, the response is reliably „we’ll substitute it,“ and I’ve come to think that sentence is carrying a lot more weight than the actual engineering can bear. It collapses four very different problems into one reassuring answer.
AI datacenters will probably switch to optical cables for interconnect in the next years (the latest billion dollars investment by nvidia in optical tech companies supports this) and for now there is a lot of uncertanty towards AI infrastructure, a lot of „announced“ datacenters don’t exist yet and current AI could be useless or the bubble might pop before they become real.
On the topic of electrirication, which is clearly the future given the middle east situation and climate issue, I think UHV DC transmission lines will have a role, as they (afaik I understood) enable smaller wiring due to lower amperage and lower losses. China is betting big on this being onw of the fastest electrifying countries, and has been recently testing a 1100kV DC transmission line. If aluminium cables are suitable for this, we might need thinner cables and no copper.
Aluminium was used large scale in East Germany due to it’s lower price.
Or theres a simple demand side solution: scrap these data centres that are propping up a technology that is 10% as useful as many people claim it to be (*Cough cough* LLMs)
Really interesting breakdown honestly. Most discussions about replacing copper act like it’s one single technology race, when in reality each substitute has completely different constraints and timelines.
Fibre optics is another area of substitution, if copper data cables increase significantly in cost, optical cables become more competitive.
We’ll just substitute it“ is the engineering equivalent of „trust me bro“. You can’t code your way out of a physical resource shortage.
It feels like it wasnt too many months since the last copper crisis, and another copium studdy of alternatives, such as graphene wires, carbon nanotubes, superconductors or w/e surivves 10 minutes outside of a grant proposal.
Meanwhile, in the real world, where we touch grass, there are only two ‚viable‘ alternatives, you got silver, on a 1-100 scale, copper is 98, but silver is 117, but its hella expensive, and getting more expensive, so… not ideal. Next up is fiber optics, like, in theory great, but only for data, and not power, and I guess it should be mentioned, but i do not see it as a viable replacement, since its such a downgrade, hemp rope might as well be used, which is aluminium.
Ya got future shit that allegedly works under very ideal lab conditions, but is years away from actually being a viable material to actually study with material sciences.
Now, people talk about replacing copper, because they forgot supply is a thing, and decided that the demand should outweigh the supply, but copper is still king, its very conductive, cheap, durable, manfufacturable, recyclable, abundant, and nearly all existing infrastructure use it.
Like, the doomposting does make for a fun read, but copper is not rare, it is infact abundant, we have been mining and refining it for a century, and we will for many more. The bottle neck isnt that we are running out, not even close, the bottleneck is permits, cause coppermines bad for nature or w/e, investment, since money makes the world go around,, expanding existing refining capacity to deal with with the raw ore and turn it into usable copper, grid expansion, cause surprise, surprise, it uses a lot of power, so much so that it can’t run on renewables, and lastly geopolitics, and enuf said about that.
Now the joke here, the funny bit, the bit that will have you audible snort, is that every copper replacement article, still turns into ‚But we still need copper for basically everything anyway‘, Because the world runs on copper, and no amount of TED talks is gonna change that overnight.
tl;dr alternatives are shit, copper is the best, we have tons of copper, but use more copper then we produce, and fixing that is politics.
So you could have delved deeper. Maybe had gpt 5.5 pro venture it’s opinion.
In short : litz wire, superconducting wire as one of the ingredients, inside ICs including the IC itself and it’s interconnects, and high density circuit boards : you MUST use copper here aluminum doesn’t work.
Also flexible contacts such as in the hinges of robots (aluminum wire fails) or the hinges of a DCFC. The cable in a DCFC.
Must use copper in all these places, aluminum breaks.
In motors if you want high volumetric density you need copper. (Though for this superconductors work amazing). Mass density, aluminum is fine.
It’s harder to bond aluminum but this is a solvable problem.
Induction stoves, wireless chargers – copper. Obviously data centers because of all their circuit boards need a ton. Robots can be made with under a kg of copper though, you can pare it down to grams.
Lot more fiber involved than there is copper.
Copper interconnects at scale require considerably more power (and consequently cooling) than optical.