Mit voller Kraft in die Energie-Zukunft

Der Helmholtz-Senat hat den Aufbau einer groß angelegten Infrastruktur für die Synthese und Entwicklung neuartiger Material­systeme zur Energie­umwandlung und -speicherung beschlossen. Das Gesamtvolumen beträgt rund 46 Millionen Euro für den Zeitraum 2016 bis 2020. Die Einrichtung der Helmholtz Energy Materials Foundry (HEMF) wird vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) koordiniert, fünf weitere Helmholtz-Zentren beteiligen sich an Konzeption und Aufbau: Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Forschungs­zentrum Jülich, Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG), Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) sowie das Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Die Plattform HEMF soll auch externen Nutzergruppen aus Universitäten und außer­universitären Instituten aus dem In- und Ausland sowie der Industrie zur Verfügung stehen.

Im Rahmen von HEMF werden an den sechs beteiligten Helmholtz-Zentren mehrere sich ergänzende Laboratorien mit hervorragender und einzigartiger Ausstattung aufgebaut. Der wissenschaftliche Fokus beim Maßschneidern von Energie­materialien liegt dabei auf Fragestellungen mit Bezug zu solaren Brennstoffen, Solarzellen, Brennstoffzellen, Batterie­systemen sowie thermo­elektrischen und thermo­chemischen Materialien. Ein übergreifendes Thema sind neuartige Katalysatoren, die bei der Energie­umwandlung und -speicherung eingesetzt werden.

Das Leistungsspektrum der HEMF-Plattform reicht vom Design neuartiger Material­systeme über in-situ- und in-operando-Analysen von Prozessen bei ihrer Synthese bis zur drei­dimensionalen Nanostrukturierung dieser Materialien, um ihre Eigenschaften gezielt zu verändern. Außerdem werden neue Methoden entwickelt, um neuartige Materialien zu verarbeiten, innovative Prototypen für bestimmte Anwendungen herzustellen und ihre Eigenschaften und Leistungs­fähigkeit unter Dauerbelastung zu untersuchen. „Dieser ganzheitliche Ansatz, ermöglicht effiziente Feedback-Schleifen zwischen Synthese, Charakterisierung und der Evaluation der Endprodukte. Damit beschleunigen wir die wissens­basierte Entwicklung“, sagt Anke Kaysser-Pyzalla, wissenschaftliche Geschäftsführerin des HZB.

Am HZB sind insbesondere Synthese-Laboratorien für Perowskit-Dünnschichten, Nanopartikel für Katalyse und elektro­chemische Speicher sowie Einrichtungen für die Nano­strukturierung von Materialien geplant. Am neu errichteten Energy Materials In situ Laboratory (EMIL) am BESSY II werden neue Methoden entwickelt, um elektrochemische Prozesse an katalytischen und heterogenen Grenzflächen zu untersuchen. Darüber hinaus werden auch Test-Labore eingerichtet, um neue Materialsysteme unter realen Bedingungen zu prüfen. Das HZB arbeitet dafür auch mit der Max-Planck-Gesellschaft zusammen, die durch das Fritz-Haber-Institut, Berlin, und dem MPI für Chemische Energie­konversion (CEC) in Mülheim vertreten ist.

Die HEMF-Plattform wird als internationale Nutzer­einrichtung betrieben. Die Laboratorien stehen damit auch Forschergruppen aus Universitäten, außeruniversitären Forschungs­einrichtungen oder der Industrie zur Verfügung. Die Koordination des Nutzerbetriebs übernimmt das HZB, das auf diesem Gebiet über große Erfahrung verfügt und bei seinen eigenen Großgeräten, BESSY II und BER II, einen Nutzerservice aufgebaut hat, von dem jährlich rund 3000 externe Messgäste profitieren. HEMF baut auch auf einem Konzept des kalifornischen Berkeley Labs auf, wo eine „Molecular Foundry“ als Infrastruktur für internationale Nutzer­gruppen eingerichtet wurde.

„Mit der HEMF-Plattform verstärkt die Helmholtz-Gemeinschaft ihre Kompetenzen in der Materialsynthese von Werkstoffen, die für die Energiewende unverzichtbar sind. Die Plattform wird zugleich neue attraktive Kooperationspartner anziehen, die die gleichen Forschungsziele verfolgen“, führt Anke Kaysser-Pyzalla aus. Das Vorhaben ist in dieser Größenordnung einzigartig und wird dazu beitragen, dass die Gruppe der Helmholtz-Zentren bei der Erforschung und Entwicklung von neuen Energiematerialien auch im internationalen Vergleich einen wegweisenden Beitrag leisten kann.

HZB / DE