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Einsichten 2 - Ludwig-Maximilians-Universität München

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Nr. 2/2013<br />

<strong>Einsichten</strong><br />

Der Forschungsnewsletter<br />

<strong>Ludwig</strong>-<strong>Maximilians</strong>-<strong>Universität</strong> <strong>München</strong><br />

Lichtgestalten<br />

Weise schwache molekulare Wechselwirkungen und chemische<br />

Bindungen kombiniert, um die gewünschte Nanostruktur zu erzeugen.<br />

Ziel dabei ist es, die makroskopischen Eigenschaften von<br />

Systemen zu verbessern.<br />

Eine neue preiswerte Technik etwa für eine ungiftige und wirkungsvolle<br />

Solarzelle könnte einen großen Beitrag zur dringend nötigen<br />

Energiewende leisten. Auch deshalb fördert derzeit der Freistaat<br />

Bayern die Erforschung neuer Konzepte zur Umwandlung von<br />

Sonnenenergie in Strom und Brennstoffe. Thomas Bein ist einer<br />

der Koordinatoren des Forschungsnetzwerks „Solar Technologies<br />

Go Hybrid“. Die Wissenschaftler arbeiten beispielsweise an<br />

künstlicher Photosynthese oder versuchen, Wasser in Wasserstoff<br />

und Sauerstoff zu spalten. Rund 120 Wissenschaftler in bereits<br />

bestehenden „Key Labs“ an den <strong>Universität</strong>en Bayreuth, Erlangen-<br />

Nürnberg und Würzburg sowie an der LMU und der Technischen<br />

<strong>Universität</strong> <strong>München</strong> finden sich hier zu Projekten zusammen.<br />

„Es geht um Grundlagenforschung für eine nachhaltigere Photovoltaik“,<br />

fasst Bein zusammen. „Wir wollen neue Wege zum Bau<br />

von Solaranlagen finden.“<br />

Begehrte Brennstoffe<br />

Ein wichtiger Forschungsbereich ist die so genannte Photokatalyse.<br />

Hier löst Licht eine chemische Reaktion aus. Idealerweise<br />

ließen sich dabei beispielsweise Brennstoffe wie Wasserstoff mit<br />

geringem Aufwand aus Sonnenlicht und Wasser erzeugen. Eine<br />

Schlüsselrolle bei den Versuchen spielen derzeit dotierte Metalloxid-Nanostrukturen,<br />

auf die die Forscher noch kleinere Kata ly satorteilchen<br />

auftragen. Molekularer Wasserstoff ist ein begehrter<br />

Brennstoff, er lässt sich entweder in Brennstoffzellen verwenden<br />

oder aber leicht in bekannte Brennstoffe wie Methan (Erdgas)<br />

umwandeln. Das Gas kann dann verbrannt werden, um etwa<br />

Strom zu erzeugen. Eine weitere Idee zielt darauf ab, organische<br />

und anorganische Stoffe gemeinsam zum Bau von Solarzellen zu<br />

verwenden, deshalb sprechen die Forscher hier auch von Hybridsystemen.<br />

Überall ist der Bedarf hoch, leistungsstarke Akkus sind in jeder<br />

Größe begehrt, als Energiespeicher für überschüssige Windenergie,<br />

für immer leistungsfähigere Smartphones, oder für<br />

Langstreckenfahrten mit dem Auto. Die gängigsten Batterien<br />

sind derzeit Lithium-Ionen-Akkus, hier transportieren Lithium-<br />

Ionen die elektrische Ladung. Ein Akku besteht prinzipiell aus<br />

den beiden Polen Anode und Kathode sowie einem Elektrolyt<br />

dazwischen, der den Ionen-Austausch ermöglicht. Kathode und<br />

Anode müssen bei der Be- und Entladung Lithium-Ionen aufnehmen<br />

beziehungsweise abgeben. Das klappt prinzipiell gut,<br />

allerdings dauert etwa das Aufladen einer Autobatterie noch<br />

zu lange, zudem ist die Energiedichte bei den herkömmlichen<br />

Lithium-Ionen-Batterien zu gering, um ein Auto auf langen<br />

Strecken ohne Aufladen fahren zu können.<br />

Auch Thomas Bein sucht hier nach Alternativen. Große Hoffnungen<br />

liegen vor allem auf Schwefel als Zusatzstoff. Beim Laden der<br />

Batterie werden hier Lithium-Ionen aus Schwefel-Verbindungen<br />

an der Kathode gelöst und durch den Elektrolyten zur Anode<br />

transportiert. Interessant ist bei dem neuen Konzept vor allem<br />

die Energiedichte: Lithium-Schwefel-Batterien können auf dem<br />

gleichen Raum bis zu sechsmal mehr Energie speichern als herkömmliche<br />

Akkus. „Schwefel gibt es im Überfluss, er ist leicht<br />

und billig“, sagt Bein. Da das Element den Strom praktisch nicht<br />

leitet, müssen die Forscher ein paar Tricks anwenden. Sie müssen<br />

die Schwefel-Atome hauchdünn auf leitfähige Kohlenstoffgerüste<br />

aufbringen, in eine maßgeschneiderte Nanostruktur.<br />

Hier kommt Beins Forschung ins Spiel, er nutzt alle Kunstgriffe<br />

der Nanowissenschaften, um eine löchrige, nur drei Nanometer<br />

große Porenstruktur zu schaffen, die den Schwefel wie eine Art<br />

Schwamm einsaugt. Aufgrund der Porenstruktur vergrößert sich<br />

die Oberfläche – und damit die Leistung. Ein Gramm des Materials<br />

bildet eine Fläche von unglaublichen 2400 Quadratmetern, das<br />

entspricht der Größe von zwei weitläufigen Gärten – ein Rekord.<br />

Die Schwefelatome indes lassen sich extrem fein aufdampfen.<br />

Nanostrukturen sind aber nicht nur für die Solartechnik interessant.<br />

Die Nanowelt wird auch immer wichtiger, wenn es etwa<br />

darum geht, neue Energiespeicher wie Lithium-Schwefel-Akkus<br />

zu bauen, die Batterien der Zukunft. „Bei Akkus sind zwei Dinge<br />

besonders wichtig“, erklärt Bein: „Wie lange dauert es, bis meine<br />

Batterie aufgeladen ist und wie viel Energie kann ich in dieser<br />

Batterie speichern?“ Handy- und Laptop-Hersteller warten auf<br />

leistungsstärkere Batterien. „Wenn ich nach San Francisco fliege,<br />

ist bei den meisten Laptops die Batterie spätestens nach der Hälfte<br />

des Fluges leer“, sagt Bein.<br />

Auf der Suche nach maßgeschneiderten Nanostrukturen<br />

<br />

Seite 14 Nr. 2/2013

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