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Neue Materialien für die Energieversorgung

Entscheidendes Kriterium für die Funktionsweise moderner Technologien und Anwendungen beispielsweise im Bereich der Energieversorgung oder Informatik sind die Materialien, die bei diesen Technologien zum Einsatz kommen. Einige Anwendungen werden überhaupt erst möglich durch maßgeschneiderte Werkstoffe, die besondere Eigenschaften aufweisen.

Um bestehende Technologien weiter zu optimieren und den Grundstein für neue Technologien zu legen, erforschen Jülicher Wissenschaftler Elemente und Materialkomponenten auf atomarem Niveau. Ziel ist es, das Verhalten von Stoffen im Nanobereich zu verstehen und ihre Eigenschaften durch gezieltes Materialdesign für spezifische Anwendungen nutzbar zu machen.

Die Jülicher Grundlagenforschung bedient sich dabei verschiedener Methoden und Instrumente, um in die innersten Strukturen vorzudringen und den dort vorherrschenden Mechanismen auf den Grund zu kommen. Dabei können sich unerwartete Anwendungsfelder ergeben: So führte die Erforschung von porösem Titan im Bereich der Brennstoffzellenforschung zur Entwicklung eines Wirbelsäulenimplantats für Patienten mit Bandscheibenleiden.

Forschung mit Neutronen für die Energiespeicherung

Die Neutronenforschung macht sich das Verhalten von Neutronen zunutze, das diese in Wechselwirkung mit den zu erforschenden Materialproben aufweisen. Neutronen sind elektrisch neutrale Bausteine der Atomkerne. Erzeugt werden sie durch Kernspaltung oder durch die sogenannte Spallation ("Abspaltung"), bei der mit Hilfe eines Teilchenbeschleunigers Salven von Protonen auf ein schweres Metall geschossen werden. Die freigewordenen Neutronen werden in speziellen Instrumenten auf die zu untersuchenden Proben gelenkt. An den Atomen und Molekülen der Proben "prallen" sie ab; dabei können sie ihre Richtung und Geschwindigkeit ändern. Die Art und Muster dieser "Streuung" gibt Auskünfte über die Anordnung und Bewegung der Atome in der jeweiligen Probe.

Materialien, die Wasserstoff freisetzen

Eines der Instrumente, welches das Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) betreibt und Wissenschaftlerteams aus aller Welt zur Verfügung stellt, ist das Rückstreuspektrometer SPHERES. Mit ihm untersucht das Team um die Wissenschaftlerin Dr. Aline Leon vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Materialien, die, wenn man sie erwärmt, Wasserstoff freisetzen und sich damit zur Energiespeicherung mittels Wasserstoff eignen könnten. Denn Wasserstoff ist als alternativer, sauberer Energieträger und für die Verwendung von Brennstoffzellen interessant. Im Blickpunkt der Untersuchungen des Wissenschaftlerteams stehen Wasserstoffbewegungen auf molekularer Ebene. In SPHERES nutzen Forscher aus, dass Neutronen durch Wechselwirkung mit den Atomen in den Materialproben ihre Geschwindigkeit ändern. Diese winzigen Veränderungen zeichnen sie auf und errechnen dadurch die Dynamik der Atome der Probe und gewinnen so Rückschlüsse auf die Gesetzmäßigkeiten des Transports des Wasserstoffs aus dem Material. Das genaue Verständnis dieser Prozesse ist die Voraussetzung dafür, entsprechende Anwendungen konzipieren zu können.

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Elektronenmikroskopie

Die Mikroskopie zählt seit dem 17. Jahrhundert zu den unverzichtbaren Werkzeugen der Wissenschaft. Die Elektronenmikroskopie erlaubt es, die Grenzen von Lichtmikroskopen zu überwinden und in immer kleinere Dimensionen vorzudringen. Das Ernst Ruska-Centrum (ER-C) verfügt über einige der besten Geräte unserer Zeit. Mit ihnen gewinnen Wissenschaftler wichtige Erkenntnisse auf der Suche nach neuen Höchstleistungswerkstoffen für die zukünftige Energieversorgung.

ElektronenmikroskopieDas eingehende Verständnis der atomaren Ursachen makroskopischer Materialeigenschaften bildet die Basis, um Materialien für neue technologien problemspezifisch maßschneidern zu können.
Copyright: Forschungszentrum Jülich

Die Vermessung mit atomarer Genauigkeit zeigt, welche Ursachen für die unterschiedliche Leistungsfähigkeit der untersuchten Materialien verantwortlich sind. Denn diese wird letztlich durch die Anordnung der Atome bestimmt, die im Elektronenmikroskop sichtbar wird.

Bessere Membranen für die CO2-Abscheidung

Mithilfe der elektronenmikroskopischen Analyse konnten Forscher am ER-C neue Ansatzpunkte finden, um Membranmaterialien weiter zu verbessern, mit denen sich etwa schädliche Klimagase aus Kraftwerksabgasen abtrennen lassen. Auch die Entwicklung neuartiger Solarzellen, die aus mehrlagigen, extrem dünnen Schichten bestehen, profitiert von der möglichst präzisen Vermessung der einzelnen Schichten. Denn die Dicke der einzelnen Schichten ist entscheidend für das Absorptionsvermögen der gesamten Zelle.

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