Würdigung für solare Wasserspaltung

Tausende Werkstoffe hat Helge Stein während seiner Promotion getestet – mit preis­würdigem Ergebnis. Für seine Suche nach stabilen und effizienten Materialien für die Wasserstoff­produktion mittels Sonnen­licht erhielt er den Gebrüder-Eickhoff-Preise 2018 für Maschinenbau. In seiner Doktor­arbeit am Lehrstuhl für Werk­stoffe der Mikro­technik der Ruhr-Uni Bochum testete er über tausend Materi­alien mit Hoch­durch­satz­verfahren. Um die großen Daten­mengen auswerten zu können, entwickelte er außerdem neue Künstliche-Intel­ligenz-Algo­rithmen. Die mit drei­tausend Euro dotierte Aus­zeich­nung nahm der Forscher am 6. Juli 2018 in der Fabrik der Gebrüder Eick­hoff entgegen.

„Wenn wir unseren Energie­bedarf zu hundert Prozent mit erneuer­baren Energien decken wollen, benötigen wir auch chemische Energie­träger wie Wasser­stoff“, sagte Stein. Dieser kann zum Beispiel durch photo­elektro­chemische Wasser­spal­tung gewonnen werden, bei der Wasser in Sauerstoff und Wasser­stoff gespalten wird. Findet die Reaktion an einer geeig­neten Ober­fläche statt, kann der Prozess mit Licht­energie betrieben werden. „Dafür bedarf es aber neuer Werk­stoffe“, so Stein.

Die größte Herausforderung dabei ist, ein Material zu finden, das während der photo­elektro­chemischen Wasser­spaltung stabil bleibt. „Die meisten effizienten Werk­stoffe wie Kupfer­oxid korro­dieren innerhalb von Minuten“, erklärt Stein. „Für eine kommer­zielle Anwendung müssten sie aber über Jahr­zehnte hinweg stabil bleiben.“

Um die Suche nach geeigneten Katalysator­materialien zur Wasser­spaltung zu beschleunigen, nutzte der Forscher Methoden der kombina­torischen Material­forschung. Hierbei werden mehrere Hundert Materialien gleich­zeitig auf einem Substrat abgeschieden und automa­ti­siert durch Roboter vermessen. Einige der getesteten Legie­rungen, etwa ein Kupfer-Titan-Sili­zium-Oxid oder ein Aluminium-Chrom-Eisen-Oxid, zeigten bereits vielver­sprechende Eigenschaften.

Bei kombinatorischen Verfahren fallen enorme Daten­mengen an, deren Auswer­tung mit herkömm­lichen Methoden Monate gedauert hätte. Helge Stein entwickelte neue Algorithmen, die die Analyse­zeit auf wenige Stunden ver­kürzten. Entscheidend dabei ist, dass der Mensch und die Künst­lichen-Intel­ligenz-Algo­rithmen zusammen­arbeiten. Die Auswer­tungen geben Auf­schluss über die Beziehung von Werk­stoff­eigen­schaften und Kristall­struktur.

Die Doktorarbeit von Helge Stein trägt den Titel „Combina­torial synthesis and high-throughput investi­gation of thin-film photo­cathodes and cata­lysts for solar water splitting”. Nach dem erfolg­reichen Abschluss wech­selte er zum California Insti­tute of Tech­nology (Caltech) in die USA. Dort forscht er als Materials Data Engineer an der Verbindung zwischen Expe­riment und künst­licher Intel­ligenz am Joint Center for Arti­fical Photo­syn­thesis.

Der Gebrüder-Eickhoff-Preis steht nicht nur für exzel­lente Forschungs­arbeiten, sondern auch für die frucht­bare Verbin­dung zwischen dem Bochumer Campus und Unter­nehmen mit lokalen Wurzeln. Die Firma Eickhoff stif­tete den Preis 1989 anlässlich ihres 125-jährigen Bestehens und verleiht ihn jährlich für heraus­ragende Dissertationen aus den Berei­chen Maschi­nenbau sowie Elektro­technik und Infor­mations­technik.

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