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.
- Batterieforschung mit dem HZB-RöntgenmikroskopUm die Kapazität von Lithiumbatterien weiter zu steigern, werden neue Kathodenmaterialien entwickelt. Mehrschichtige lithiumreiche Übergangsmetalloxide (LRTMO) ermöglichen eine besonders hohe Energiedichte. Mit jedem Ladezyklus wird jedoch ihre Kapazität geringer, was mit strukturellen und chemischen Veränderungen zusammenhängt. Mit Röntgenuntersuchungen an BESSY II hat nun ein Team aus chinesischen Forschungseinrichtungen diese Veränderungen erstmals experimentell mit höchster Präzision vermessen: Mit dem einzigartigen Röntgenmikroskop konnten sie morphologische und strukturelle Entwicklungen auf der Nanometerskala beobachten und dabei auch chemische Veränderungen aufklären.
- BESSY II: Neues Verfahren für bessere ThermokunststoffeUmweltfreundliche Thermoplaste aus nachwachsenden Rohstoffen lassen sich nach Gebrauch recyclen. Ihre Belastbarkeit lässt sich verbessern, indem man sie mit anderen Thermoplasten mischt. Um optimale Eigenschaften zu erzielen, kommt es jedoch auf die Grenzflächen in diesen Mischungen an. Ein Team der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden hat nun an BESSY II untersucht, wie sich mit einem neuen Verfahren aus zwei Grundmaterialien thermoplastische „Blends“ mit hoher Grenzflächenfestigkeit herstellen lassen: Aufnahmen an der neuen Nanostation der IRIS-Beamline zeigten, dass sich dabei nanokristalline Schichten bilden, die die Leistungsfähigkeit des Materials erhöhen.
- Wasserstoff: Durchbruch bei Alkalischen Membran-ElektrolyseurenEinem Team aus Technischer Universität Berlin, Helmholtz-Zentrum Berlin, Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg (IMTEK) und Siemens Energy ist es gelungen, eine hocheffiziente alkalische Membran-Elektrolyse Zelle erstmals im Labormaßstab in Betrieb zu nehmen. Das Besondere: Der Anodenkatalysator besteht dabei aus preisgünstigen Nickelverbindungen und nicht aus begrenzt verfügbaren Edelmetallen. An BESSY II konnte das Team die katalytischen Prozesse durch operando Messungen im Detail darstellen, ein Theorie Team (USA, Singapur) lieferte eine konsistente molekulare Beschreibung. In Freiburg wurden mit einem neuen Beschichtungsverfahren Kleinzellen gebaut und im Betrieb getestet. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachjournal Nature Catalysis publiziert.