Helmholtz investiert 46 Mio. Euro in neue Labor-Plattform
Sechs Helmholtz-Zentren richten eine gemeinsame Infrastruktur für die Entwicklung neuartiger Energiematerialien ein, die auch externen Nutzergruppen zur Verfügung steht.
Der Helmholtz-Senat hat den Aufbau einer groß angelegten Infrastruktur für die Synthese und Entwicklung neuartiger Materialsysteme zur Energieumwandlung und -speicherung beschlossen. Das Gesamtvolumen beträgt rund 46 Mio. Euro (2016 -2020).
Die Einrichtung der Helmholtz Energy Materials Foundry (HEMF) wird vom Helmholtz-Zentrum Berlin koordiniert, fünf weitere Helmholtz-Zentren beteiligen sich an Konzeption und Aufbau: Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Forschungszentrum Jülich, Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG), Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) sowie das Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Die Plattform HEMF soll auch externen Nutzergruppen aus Universitäten und außeruniversitären Instituten aus dem In- und Ausland sowie der Industrie zur Verfügung stehen.
Im Rahmen von HEMF werden an den sechs beteiligten Helmholtz-Zentren mehrere, sich ergänzende Laboratorien mit hervorragender und einzigartiger Ausstattung aufgebaut. Der wissenschaftliche Fokus beim Maßschneidern von Energiematerialien liegt dabei auf Fragestellungen mit Bezug zu solaren Brennstoffen, Solarzellen, Brennstoffzellen, Batteriesystemen sowie thermoelektrischen und thermochemischen Materialien. Ein übergreifendes Thema sind neuartige Katalysatoren, die bei der Energieumwandlung und -speicherung eingesetzt werden.
Das Leistungsspektrum der HEMF-Plattform reicht vom Design neuartiger Materialsysteme über in-situ und in-operando Analysen von Prozessen bei ihrer Synthese bis zur dreidimensionalen Nanostrukturierung dieser Materialien, um ihre Eigenschaften gezielt zu verändern. Außerdem werden neue Methoden entwickelt, um neuartige Materialien zu verarbeiten, innovative Prototypen für bestimmte Anwendungen herzustellen und ihre Eigenschaften und Leistungsfähigkeit unter Dauerbelastung zu untersuchen. „Dieser ganzheitliche Ansatz, ermöglicht effiziente Feedback-Schleifen zwischen Synthese, Charakterisierung und der Evaluation der Endprodukte. Damit beschleunigen wir die wissensbasierte Entwicklung“, sagt Prof. Anke Kaysser-Pyzalla, wissenschaftliche Geschäftsführerin des HZB.
Am HZB sind insbesondere Synthese-Laboratorien für Perowskit-Dünnschichten, Nanopartikel für Katalyse und elektrochemische Speicher sowie Einrichtungen für die Nanostrukturierung von Materialien geplant. Am neu errichteten Energy Materials In situ Laboratory (EMIL) an BESSY II werden neue Methoden entwickelt, um elektrochemische Prozesse an katalytischen und heterogenen Grenzflächen zu untersuchen. Darüber hinaus werden auch Test-Labore eingerichtet, um neue Materialsysteme unter realen Bedingungen zu prüfen. Das HZB arbeitet dafür auch mit der Max-Planck-Gesellschaft zusammen, die durch das Fritz-Haber-Institut, Berlin, und dem MPI für Chemische Energiekonversion (CEC) in Mülheim vertreten ist.
Die HEMF-Plattform wird als internationale Nutzereinrichtung betrieben. Die Laboratorien stehen damit auch Forschergruppen aus Universitäten, außeruniversitären Forschungseinrichtungen oder der Industrie zur Verfügung. Die Koordination des Nutzerbetriebs übernimmt das HZB, das auf diesem Gebiet über große Erfahrung verfügt und bei seinen eigenen Großgeräten, BESSY II und BER II, einen hervorragenden Nutzerservice aufgebaut hat, von dem jährlich rund 3000 externe Messgäste profitieren. HEMF baut auch auf einem Konzept des kalifornischen Berkeley Labs auf, wo eine „Molecular Foundry“ als Infrastruktur für internationale Nutzergruppen eingerichtet wurde.
“Mit der HEMF-Plattform verstärkt die Helmholtz-Gemeinschaft ihre Kompetenzen in der Materialsynthese von Werkstoffen, die für die Energiewende unverzichtbar sind. Mit dieser gemeinsamen Infrastruktur können die beteiligten Helmholtz-Zentren ihr Forschungspotenzial einbringen, damit wir in Zukunft die Energie, die wir brauchen, sicher und zugleich umweltfreundlich zur Verfügung stellen und nutzen können. Die Plattform wird zugleich neue attraktive Kooperationspartner anziehen, die die gleichen Forschungsziele verfolgen“, führt Anke Kaysser-Pyzalla weiter aus. Das Vorhaben ist in dieser Größenordnung einzigartig und wird dazu beitragen, dass die Gruppe der Helmholtz-Zentren bei der Erforschung und Entwicklung von neuen Energiematerialien auch im internationalen Vergleich einen wegweisenden Beitrag leisten kann.
- Optische Innovationen für Solarmodule – Was bringt den Ausbau am meisten voran?Im Jahr 2023 erzeugten Photovoltaikanlagen weltweit mehr als 5% der elektrischen Energie und die installierte Leistung verdoppelt sich alle zwei bis drei Jahre. Optische Technologien können die Effizienz von Solarmodulen weiter steigern und neue Einsatzbereiche erschließen, etwa in Form von ästhetisch ansprechenden, farbigen Solarmodulen für Fassaden. Nun geben 27 Fachleute einen umfassenden Überblick über den Stand der Forschung und eine Einschätzung, welche Innovationen besonders zielführend sind. Der Bericht, der auch für Entscheidungsträger*innen in der Forschungsförderung interessant ist, wurde von Prof. Christiane Becker und Dr. Klaus Jäger aus dem HZB koordiniert.
- Katalyseforschung mit dem Röntgenmikroskop an BESSY IIAnders als in der Schule gelernt, verändern sich manche Katalysatoren doch während der Reaktion: So zum Beispiel können bestimmte Elektrokatalysatoren ihre Struktur und Zusammensetzung während der Reaktion verändern, wenn ein elektrisches Feld anliegt. An der Berliner Röntgenquelle BESSY II gibt es mit dem Röntgenmikroskop TXM ein weltweit einzigartiges Instrument, um solche Veränderungen im Detail zu untersuchen. Die Ergebnisse helfen bei der Entwicklung von innovativen Katalysatoren für die unterschiedlichsten Anwendungen. Ein Beispiel wurde neulich in Nature Materials publiziert. Dabei ging es um die Synthese von Ammoniak aus Abfallnitraten.
- BESSY II: Magnetische „Mikroblüten“ verstärken Magnetfelder im ZentrumEine blütenförmige Struktur aus einer Nickel-Eisen-Legierung, die nur wenige Mikrometer misst, kann Magnetfelder lokal verstärken. Der Effekt lässt sich durch die Geometrie und Anzahl der „Blütenblätter“ steuern. Das magnetische Metamaterial wurde von der Gruppe um Dr. Anna Palau am Institut de Ciencia de Materials de Barcelona (ICMAB) mit Partnern aus dem CHIST-ERA MetaMagIC-Projekts entwickelt und nun an BESSY II in Zusammenarbeit mit Dr. Sergio Valencia untersucht. Die Mikroblüten ermöglichen vielfältige Anwendungen: Sie können die Empfindlichkeit magnetischer Sensoren erhöhen, die Energie für die Erzeugung lokaler Magnetfelder reduzieren, und am PEEM-Messplatz an BESSY II die Messung von Proben unter deutlich höheren Magnetfeldern ermöglichen.