Innovative Materialien - die verborgenen Helden des Fortschritts
Egal, ob es um bessere, nachhaltigere und billigere Solarzellen, Batterien, Brennstoffzellen, Membranen zur CO2-Abtrennung oder um die Erzeugung und Speicherung von grünem Wasserstoff geht: Grundlage des Fortschritts sind neue Materialien. Beispielsweise steigern sie die Effizienz, mit der erneuerbare Energie in Strom umgewandelt, mit der Strom gespeichert oder mit der Strom genutzt wird. Sie erhöhen die Kapazität von Energiespeichern. Und sie sorgen dafür, dass Turbinen etwa für Windkraft- und Wasserkraftanlagen, Anlagen für die Wasserstoff-Produktion und Energiespeicher länger funktionieren.
Um neue Werkstoffe zu entwickeln, benötigen Wissenschaftler:innen einen tiefen Einblick in die Zusammensetzung und den Aufbau der Materialien sowie in die stofflichen Veränderungen während der Verwendung. Die Jülicher Forschung beschränkt sich dabei nicht darauf, Materialien zu finden, die aufgrund ihrer Eigenschaften die jeweilige Funktion optimal erfüllen. Sondern sie sucht auch nach Wegen, die Materialien möglichst umweltverträglich und kostengünstig herzustellen und zu verarbeiten. Dabei berücksichtigt sie auch die Verfügbarkeit von Rohstoffen.
Jülicher Forschende erforschen Materialien für wesentliche Energietechnologien.
Batterien
Brennstoff- und Elektrolysezellen
Photovoltaik
Wasserstofftechnologie
Verschiedene Jülicher Forschungsteams arbeiten an verschiedenen Batterietechnologien – vom Lithium-Ionen-Akku über Festköperbatterien bis hin zu Metall-Luft- und Redox-Flow-Batterien. Hauptkomponenten von Batterien sind Kathode, Anode und Elektrolyt, jeweils mit ganz speziellen Anforderungen an das Material. Daraus ergibt sich ein riesiges Feld für Jülicher Materialforschende. Besonders viele Aktivitäten gibt es bei Hochleistungskeramiken und anderen ionenleitenden Materialien.
Im Mittelpunkt der Jülicher Forschung stehen keramische Materialien für Festoxid-Zellen, mit denen sich Wasserstoff und elektrische Energie ineinander umwandeln lassen. Darüber hinaus erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Materialien, die als elektrochemische Katalysatoren für Brennstoff- und Elektrolysezellen infrage kommen.
Die Materialien, die in Jülich für die Photovoltaik weiterentwickelt werden, sind von sehr unterschiedlicher Art. Das Spektrum reicht von Siliziumlegierungen über anorganisch-organische Perowskite bis hin zu Polymeren. Denn die Jülicher Forschung umfasst eine neuen Generation von Silizium-Solarzellen ebenso wie alternative Photovoltaik-Technologien.
Jülicher Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erforschen Wasserstoffträger, die sich ähnlich leicht handhaben lassen wie Diesel oder andere klassische, fossile Brennstoffe. Um solche Wasserstoffträger herzustellen und später bei Bedarf den Wasserstoff wieder zurückzugewinnen, bedarf es effizienter Katalysatormaterialien – ein intensiv bearbeitetes Jülicher Forschungsfeld.
Außerdem entwickeln Jülicher Forschende keramische Materialien für Gastrennmembranen. Solche Membranen könnten zum Beispiel dazu dienen, Wasserstoff von Erdgas zu trennen, nachdem beider Gase zusammen durch Pipelines geschickt wurden.
Unser datengetriebener, vernetzender Ansatz wird Katalysatoren stabiler und leistungsfähiger machen. Ziel ist es, sowohl die Wasserelektrolyse als auch den Betrieb von Brennstoffzellen effizienter zu gestalten.
Die Methoden
Um Zusammensetzung und Struktur von Energiematerialien zu bestimmen, setzen die Jülicher Wissenschaftler:innen eine Vielzahl von Methoden ein. Das Spektrum reicht von Standardverfahren wie Röntgendiffraktometrie, IR-Spektroskopie und optischer Emissionsspektrometrie bis hin zum Einsatz modernster Geräte, die den Wissenschaftler:innen dank hochspezialisierter Forschungsinfrastrukturen zur Verfügung stehen. So machen etwa die Höchstleistungs-Elektronenmikroskope des Ernst Ruska-Centrums die Anordnungen von Atomen und Molekülen sichtbar. Neutronenstreuungsinstrumente, die das Jülich Centre for Neutron Science betreibt, ermöglichen es sogar, die Bewegungen von Atomen oder Ionen zu verfolgen.
Darüber hinaus charakterisieren die Jülicher Forschenden die Eigenschaften von Materialien: Sie messen unter anderem die Härte, die Temperaturempfindlichkeit oder die Leitfähigkeit. Mit Hilfe sogenannter in-operando-Methoden verfolgen sie, wie sich bestimmte Eigenschaften während des laufenden Betriebs etwa einer Batterie oder einer Elektrolysezelle verändern. Manche solcher Methoden haben sie selbst entwickelt.
Neben Experimenten und Messungen setzen die Jülicher Energiematerial-Forschenden zunehmend auf computergestützte Modellierungen, Simulation und Künstliche Intelligenz (KI). Daher entwickeln sie Algorithmen und digitale Werkzeuge für unterschiedliche Zwecke: Es beginnt bei der Auswahl erfolgversprechender Substanzen und der Vorhersage ihrer Eigenschaften und geht bis zur Prognose des Materialverhaltens während des Einsatzes in einer Batterie, einer Solarzelle oder in einem anderen Gerät der Energietechnik. Die Vision ist es, mit Hilfe von digitalen Zwillingen Zeit und Kosten für die Entwicklung neuer Materialien zu sparen.
