Eine Information des Komitees für Forschung mit Synchrotronstrahlung (KFS)
Synchrotronstrahlung zeigt uns, wie Materialien im Innersten aufgebaut
sind und funktionieren. Dazu gehören auch Materialien, die wir brauchen,
um unabhängiger von fossilen Energieträgern zu werden - zum Beispiel
Materialien für Solarzellen, Batterien und für die Herstellung von grünem
Wasserstoff.
Was beeinflusst das Klima und wie können wir dem Klimawandel
entgegenwirken und mit den Folgen fertig werden? Mit diesen drei zentralen
Problemen (Physical Science Basis, Mitigation, Adaption laut IPCC) muss
sich die Gesellschaft auseinandersetzen, und die Forschung mit
Synchrotronstrahlung leistet dazu einen wertvollen Beitrag.
Der Schwerpunkt liegt auf der Erforschung von Materialien, die uns
unabhängig von fossilen Energien machen - zum Beispiel Materialien für
Solarzellen, für Batterien, oder für die Herstellung von grünem
Wasserstoff und die Umwandlung von CO2. Für die Erforschung regenerativer
Bau- und Werkstoffe ist die Synchrotronstrahlung ebenso im Einsatz. Und
auch für das Verständnis des Systems Erde und des Klimas werden die
vielfältigen Synchrotronstrahlungmethoden genutzt. Die dafür nötige
Forschungsinfrastruktur wird in aktuellen BMBF-Programmen wie „Erforschung
von Universum und Materie ErUM“ durch das Bundesforschungsministerium
gefördert (ErUM-Pro und ErUM-Data).
Synchrotronstrahlung ist extrem intensive Strahlung bis in den
Röntgenbereich. Sie wird an Großforschungsanlagen wie Speicherringen oder
Freie-Elektronen-Lasern erzeugt, in denen geladene Teilchen bis auf nahezu
Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden und intensives Licht, aussenden:
die Synchrotronstrahlung. In Deutschland gibt es die
Synchrotronstrahlungsquellen PETRA III und FLASH am Deutschen Elektronen-
Synchrotron (DESY) in Hamburg, BESSY II am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB),
den European XFEL bei Hamburg, mit deutscher Beteiligung die ESRF in
Grenoble, Frankreich, die KIT Light Source in Karlsruhe sowie DELTA in
Dortmund.
Bestimmte Informationen können mit Synchrotronlicht leichter oder
schneller erhalten werden als mit anderen Methoden - und andere,
entscheidende Informationen sind ausschließlich am Synchrotron zu
gewinnen. "Wenn chemische Energie in Batterien in elektrische Energie
umgewandelt wird, passieren dabei komplizierte Prozesse, die man mit
Synchrotronstrahlung verfolgen kann. Diese Forschung hat dazu beigetragen,
dass Lithium-Ionen-Akkus heutzutage Standard sind. Durch besseres
Verständnis werden ihre Energiedichte, Lebensdauer und Sicherheit immer
noch gesteigert. Aber wir denken noch weiter in die Zukunft, und bei der
Erforschung von Materialien für Batterien, die ganz ohne Lithium auskommen
und daher viel nachhaltiger sind, z.B. Natrium-, Kalium- und
Aluminiumbatterien, ist die Synchrotronstrahlung unverzichtbar", sagt
Prof. Dr. Helmut Ehrenberg (KIT).
Grundlagenforschung und technologische Entwicklungen sind durch
Forschungsverbünde und Kooperationsplattformen eng miteinander verbunden.
Im Folgenden sind einige aktuelle Beispiele herausgegriffen:
Photovoltaik
- Solarzellen aus Halbleitermaterialien sind die Basis der Stromerzeugung
aus Sonnenenergie. Meistens wird dafür Silizium verwendet, doch es gibt
Alternativen und Ergänzungsmöglichkeiten. Besonders vielversprechend sind
Perowskit-Solarzellen, deren Funktionsweise am Helmholtz-Zentrum Berlin
(HZB) und an DESYs Synchrotronquelle PETRA III mit Synchrotronstrahlung
erforscht wird. Sie haben den Vorteil, dass sie kostengünstig hergestellt
werden können und andere Wellenlängen verwerten als Silizium. In
sogenannten Tandem-Solarzellen, die beide Halbleiter kombinieren, lässt
sich daher eine höhere Effizienz erreichen als in herkömmlichen Modulen.
Mit Synchrotronstrahlung werden die Eigenschaften von Perowskit-
Solarzellen erforscht, zum Beispiel die Temperatur-Struktur-Beziehung, der
Prozess der Kristallisation oder die stabilisierende Wirkung von Fluor-
Additiven in bleifreien Perowskit-Solarzellen. Aber auch die
Siliziumschicht in der Tandem-Solarzelle kann durch gezielte
Nanotexturierung noch effektiver gemacht werden. Andere
Forschungsprojekte, beispielsweise an PETRA III, erforschen
„Plastik“-Solarzellen auf Polymerbasis, die einfach und kostengünstig
herzustellen und durch ihre Biegsamkeit vielfältig einsetzbar sind.
- Das Helmholtz-Innovationslabor HySPRINT ist eine Kooperationsplattform
für die Industrie am HZB mit dem Fokus auf (opto)elektronischen
Materialien und Bauelementen in einem frühen technologischen
Entwicklungsstadium. Hier werden Tandemsolarzellen entwickelt und
optimiert. Die Effizienz der Perowskit-Tandem-Solarzelle im Labormaßstab
lag Ende 2021 bei fast 30%, seitdem wurden weitere Fortschritte erreicht:
Die Verwendung von Standard-Silizium-Solarzellen und serienreifen
Silizium-Bottom-Zellen der Firma Q CELLS.
Batterien
- Zur Nutzung von erneuerbarer Energie gehört auch deren Speicherung.
Batterien haben hohe Wirkungsgrade und sind mobil einsetzbar, daher wird
intensiv an der gesamten Wertschöpfungskette geforscht - vom
Funktionsmechanismus, neuen Materialien bis hin zur Haltbarkeit,
Sicherheit und Nachhaltigkeit. Mit Synchrotronstrahlung kann zum Beispiel
die Rolle einzelner Elemente unterschieden werden, um maßgeschneiderte
Lösungen zu finden. Alterungsprozesse im Lade- und Entladezyklus können
live beobachtet werden.
- Forschungsverbünde spielen eine wichtige Rolle in der Batterieforschung.
Auf europäischer Ebene gibt es in der Großforschungsinitiative Battery
2030+ das EU-Projekt "BIG-MAP" (Battery Interface Genome - Materials
Acceleration Platform) zur Entwicklung nachhaltiger Batterien für die
Zukunft, in dem die European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)
eingebunden ist. Dort wird Batterieforschung auch im "Grenoble Battery
Hub" vorangetrieben. Im Exzellenzcluster POLiS des Karlsruher Institut für
Technologie (KIT) und der Universität Ulm und weiteren Partnern werden
Zukunftsbatterien erforscht, die leistungsfähiger, zuverlässiger,
nachhaltiger und umweltfreundlicher sind als die derzeitigen Lithium-
Ionen-Batterien. Dabei wird Synchrotronstrahlung eingesetzt, um die
Funktionsweise der Batterien zu verstehen und entsprechend anzupassen.
Auch in anderen Kompetenzclustern des BMBF-Dachkonzeptes „Forschungsfabrik
Batterie“ wird Synchrotronstrahlung genutzt, zum Beispiel in FestBatt und
ExcellBattMat.
Katalyse
- Große Erwartungen werden in die industrielle Verwendung von grünem
Wasserstoff gesetzt, zum Beispiel in der Stahlproduktion oder in der
Luftfahrt. Als "grün" wird Wasserstoff bezeichnet, der CO2-neutral
hergestellt wurde - entweder mit Ökostrom oder in Zukunft auch direkt
durch Photolyse in "künstlichen Blättern". Dabei sollen maßgeschneiderte
Katalysatoren die Spaltung von Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht möglich
machen. Geeignete Katalysatoren sind auch für effiziente Power-
to-X-Prozesse – also Verfahren zur Umwandlung von erneuerbarer Energie in
andere chemische Energieträger wie z. B. synthetische Kraftstoffe von
großer Bedeutung. Forschung mit Synchrotronstrahlung hilft nicht nur,
besonders geeignete Katalysatormaterialien zu finden, sondern auch,
besonders effiziente Strukturen oder Kombinationen von Materialien zu
entwickeln, Prozesse zu verstehen und während des Betriebs zu untersuchen.
Hierzu können auch molekulare Filme beitragen, wie sie der European XFEL
ermöglicht.
- Grundlagenforschung zur Katalyse ist derzeit z. B. gebündelt im
Schwerpunktprogramm SPP2080 "Katalysatoren und Reaktoren unter dynamischen
Betriebsbedingungen für die Energiespeicherung und -wandlung", in dem
unter anderem daran geforscht wird, Katalysatoren in Ruhephasen zu
reaktivieren und die Ausbeute der erwünschten Reaktionsprodukte zu
erhöhen. Viele Gruppen des SPP2080 nutzen Synchrotronstrahlung, ebenso wie
im DFG-Sonderforschungsbereich „TrackAct – Verfolgung der aktiven Zentren
in heterogenen Katalysatoren für die Emissionskontrolle" des KIT. Eine
Brücke zur Industrie soll die neue Forschungsplattform "CatLab" für die
Katalyse in Berlin Adlershof schlagen, die das HZB und die MPG gemeinsam
aufbauen. Hier sollen chemische Umwandlungsprozesse basierend auf
neuartigen maßgeschneiderten (Chemo-, Elektro- und Photo-) Katalysatoren
im industriellen Maßstab entwickelt werden.
Wasserstoffspeicher
- Auch zur Speicherung von Wasserstoff gibt es verschiedene Ansätze. Neben
der üblichen Druckgasspeicherung kann Wasserstoff auch chemisch in
Methanol oder flüssigen organischen Wasserstoffträgern (LOHC) gebunden
oder in Festkörper eingelagert werden, vor allem in Metallhydriden und
adsorptiv in nanostrukturierten Materialien. Deren Struktur und
Funktionsweise werden an Synchrotrons untersucht, z.B. die Anlagerung und
Freisetzung an Graphen-gestützte Pd-Nanocluster oder die Einlagerung in
ein Hydridkomposit-System.
- Die Erforschung der Eigenschaften von Wasser und die Forschung zu
Elektrolyse und Nanostrukturen liefern wichtige Grundlagen für die Nutzung
von Wasserstoff. Ein Zentrum der Synchrotronforschung zu diesen Themen
entsteht in Norddeutschland in zwei neuen Instituten bei DESY. Hier liegen
sowohl die DESY-Lichtquellen als auch der Röntgenlaser European XFEL in
unmittelbarer Nähe. Es handelt sich um das Centre for Molecular Water
Science (CMWS) unter Beteiligung einer Vielzahl von europäischen Partnern
und um das Center for X-Ray and Nano Science (CXNS) als Kooperation von
DESY, Helmholtz-Zentrum Hereon und der Christian-Albrechts-Universität zu
Kiel (CAU).
Klimawandel verstehen
- Forschung mit Synchrotronstrahlung leistet auch einen Beitrag zum
Verständnis unserer Umwelt, z.B. wie sich klimarelevante Aerosole in der
Atmosphäre verhalten, welche grundlegenden Eigenschaften Wasser oder
Gashydrate haben, welche Stoffe im Boden miteinander reagieren, welche
Böden oder Gesteinsformationen CO2 aufnehmen können oder welchen Anteil
die Subduktion von Gesteinen am globalen Kohlenstoffkreislauf hat.
- An der European Synchrotron Research Facility (ESRF) in Grenoble,
Frankreich, forscht die Arbeitsgruppe "Geobridge" zu solchen Themen, doch
auch andere Forschungsbereiche dort widmen sich dem Klimawandel.
„Die chemische Industrie nutzt heute noch fast vollständig fossile
Rohstoffe für die Herstellung der chemischen Produkte. Dies auf
erneuerbare umzustellen, ist eine große Herausforderung.
Synchrotronstrahlung ist dafür ein einzigartiger Schlüssel, denn sie
erlaubt zu beobachten, wie die dafür benötigten Katalysatoren arbeiten –
„operando“ im Fachjargon genannt. Nur so können Materialien zielgerichtet
und effizient entwickelt werden und eine Grundlage für Computer-gestütztes
Design schaffen“, sagt Prof. Jan-Dierk Grunwaldt, KFS-Vorsitzender und
selbst als Forscher am KIT in der Wandlung von Wind- und Solarenergie bzw.
Biomasse zu chemischen Produkten engagiert.
Das Komitee Forschung mit Synchrotronstrahlung:
Das KFS (Komitee Forschung mit Synchrotronstrahlung) ist die gewählte
Vertretung der mehr als 4000 Nutzerinnen und Nutzer von
Synchrotronstrahlungsquellen in Deutschland und an internationalen
Institutionen mit deutscher Beteiligung. Das KFS verfolgt das Ziel, die
Forschung mit Synchrotronstrahlung zu fördern. Dazu gehört auch der enge
Austausch mit verwandten Forschungsbereichen, um gemeinsame
Herausforderungen anzugehen - wie zum Beispiel die digitale
Transformation, die Stärkung der Industrieforschung und der Fokus auf
Energiewende und Nachhaltigkeit.