Neuartige Batterien und neuronale Netzwerke

Gleich zweimal geht in diesem Jahr die Förderung der Carl-Zeiss-Stiftung für inter­disziplinäre Forschungsthemen an die Universität Jena: Ab Februar 2024 beginnt die Förderung von Sina Saravi, der optische neuronale Netzwerke entwickelt, um Bilderkennung schneller und ressourcen­schonender zu gestalten. Und bereits seit Januar 2024 wird Desirée Leistenschneider gefördert, die neuartige Batterien entwickelt. Beide Forschungs­gruppen erhalten jeweils anderthalb Millionen Euro für einen Zeitraum von fünf Jahren.

„Stark vereinfacht könnte man sagen, mein Team und ich arbeiten an einer Art intelligentem, nano­strukturiertem Kamera­objektiv“, erklärt Sina Saravi seine Arbeit an optischen neuronalen Netzwerken. Was er und seine Forschungsgruppe entwickeln, sind Stapel von nano­strukturierten optischen Elementen, die einfallendes Licht auf bestimmte Weise verändern. „Man kann sich das etwa so vorstellen wie eine Fläche, die aus optischen Linsen besteht – auch wenn wir keine Linsen verwenden, sondern nicht­lineare nano­strukturierte Materialien. Und hinter dieser Fläche befinden sich noch weitere“, illustriert er. „Wenn wir nun dieses System auf ein Objekt richten oder auf ein Bild von einem Objekt, dann kann dieses System das Objekt erkennen.“

Als mögliches Beispiel, wo Dinge oder Personen schnellst­möglich erkannt werden sollen, nennt er das Fahren von Kraft­fahrzeugen. „Besonders beim autonomen Fahren ist es natürlich entscheidend, dass das System schnellst­möglich erkennt ob da ein Kind auf der Straße ist oder ein Objekt, das wiederum vielleicht massiv ist“, erklärt er. Aber auch der Energie­verbrauch werde bei KI-Anwendungen ein immer größeres Problem, erklärt er weiter. „Herkömm­liche elektronisch basierte KI, wie beispiels­weise ChatGPT, benötigt viel Energie. Zum einen müssen bei der Erschaffung – also dem Training – gewaltige Mengen an Daten­sätzen verarbeitet werden. Zum anderen muss das System in der eigentlichen Anwendung bei jeder Anfrage ebenfalls Berechnungen ausführen, deren Ergebnis dann ausgegeben wird“, sagt er. „So rasant wie sich solche Techno­logien derzeit entwickeln und so intensiv wie sie genutzt werden, werden sie früher oder später mehr Energie benötigen, als wir auf der Erde produzieren.“ Er ergänzt: „Ich denke natürlich nicht, dass es deshalb zu Blackouts oder Ähnlichem kommen wird, aber ich denke, es verdeutlicht ein grundsätzliches Problem von KI und deren Anwendungen. Jedoch können optische KI-Systeme dazu beitragen, Ressourcen zu schonen – jedenfalls bei bestimmten Anwendungen.“

„Es gibt bereits Metall-Gas-Batterien“, erklärt Desirée Leisten­schneider ihr Projekt. Entsprechende Zink-Luft-Batterien würden beispiels­weise in Hörgeräten weithin eingesetzt. „Wie der Name andeutet, basieren die beiden Elektroden auf gut verfügbaren Materialien: Zink auf der einen Seite und Luft, bzw. Luft­sauerstoff, auf der anderen“, ergänzt sie. Durch diese Materialien haben solche Batterien ein geringes Gewicht, was speziell bei Hörgeräten von großem Vorteil ist. Der Nachteil sei jedoch, erklärt die anorganische Chemikerin, dass es primäre Batterien sind. Das heißt, sie können nicht wieder mit Energie aufgeladen werden. „Ist eine Zink-Luft-Batterie entladen, wird sie durch eine neue ersetzt. Die alte Batterie wird recycelt“, fasst sie zusammen. „Und hier setzt mein Forschungs­projekt namens ReAlBatt an.“

Konkret arbeitet Leisten­schneider an Aluminium-Stickstoff-Batterien. „Theoretisch haben diese Batterien eine sehr hohe Energiedichte. Dazu kommt, dass Aluminium sehr gut verfügbar, leicht und günstig ist“, erklärt sie. „Es gibt auch etablierte Recycling­prozesse für dieses Material. Unser großes Ziel ist aber, diese Batterien auch wieder­aufladbar zu machen.“ Sie und ihr Team haben bereits erste Kathoden­materialien und Zell-Prototypen gebaut, die nun erforscht und weiter­entwickelt werden.

Noch stehe dieses Forschungs­feld ganz am Anfang, erklärt sie. „Es gibt zum jetzigen Zeitpunkt nur eine Fachpublikation über Aluminium-Stickstoff-Batterien. Ich halte es aber für wichtig, in der Batterie­forschung auch diese Technologie zu erkunden“, so Leistenschneider weiter. „Gerade in Thüringen und speziell an der Universität Jena ist das Umfeld dafür ideal. Das Zentrum für Energie und Umweltchemie, das CEEC Jena, ist ja genau darauf ausgelegt, Expertisen zusammen­zubringen und neue Technologien bis hin zur Marktreife zu entwickeln.“

U. Jena / JOL