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 />
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Seite 14 Nr. 2/2013