Die Energiezukunft ist regenerativ. Wie sich der Mix aus Sonne-, Wind- und Wasserkraft zusammensetzt, ist heute noch ungewiss. Aber sicher ist: Die Energieformen müssen gut ineinander umwandelbar sein. Allerdings treten dabei hohe Verluste auf – vor allem ist die Grenzfläche zwischen Materialien entscheidend beteiligt. Genau hier setzen die e-conversion-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus unterschiedlichen Fachdisziplinen an. Der TUM-Forscher Prof. Jan Torgersen optimiert an der TUM School of Engineering and Design Energiematerialien und arbeitet dazu mit hochauflösendem 3D-Druck und Dünnschichttechnologie mit Nanometerpräzision.

„Ich denke unsere Forschung oft vom Bauteil her“, sagt Prof. Jan Torgersen, der den Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften an der TUM School of Engineering and Design leitet. (Foto: Susanne Höcht/TUM)

Herr Professor Torgersen, Sie sind seit 2022 an der TUM. Wie fügt sich Ihre Rolle hier sowie im Exzellenzcluster e-conversion in Ihren bisherigen Werdegang ein?
Angefangen hat alles an der TU Wien, wo ich meine Begeisterung für die Werkstoffwissenschaften entdeckt habe. Damals habe ich mich insbesondere für neue Materialien und Fertigungsmethoden interessiert. Ich habe in Wien beispielsweise intensiv an hochauflösenden lichthärtenden 3D-Druckverfahren und Biomaterialien während meiner Doktorarbeit geforscht. Ein entscheidender Schritt in meiner Karriere war die Zeit an der Stanford University: Dort bin ich erstmals intensiv mit dem Thema Energiekonversion in Kontakt gekommen und habe mich zunehmend mit Materialien für die Energieumwandlung und -speicherung beschäftigt, sprich Solarzellen, Katalyseschichten und Nanofabrikation. Besonders spannend war meine Forschung im dortigen Nanoscale Prototyping Laboratory, denn die Interaktion zwischen der Nano- und der Mesoskala interessiert mich sehr. Die Kombination aus Materialwissenschaft und Energiethemen habe ich später an der Norwegian University of Science and Technology weiterentwickelt – und genau diese Perspektive bringe ich jetzt an die TUM und in e-conversion ein. 

Was bedeutet dieser „Ingenieursblick“ konkret für Ihre Forschung im Cluster?
Ich denke, unsere Forschung oft vom Bauteil her. In e-conversion gibt es viele exzellente Arbeiten auf atomarer oder molekularer Ebene – mein Ansatz ist: Wie lässt sich daraus später ein funktionierendes System bauen? Mich interessiert also nicht nur das Material selbst, sondern beispielsweise Fragen: Wie skalieren bestimmte Phänomene oder Effekte? Bringt es einen Leistungsvorteil? Kann man ein Bauteil entwickeln, das in der Praxis funktioniert? Diese Brücke zwischen Grundlagen und Anwendung ist genau der Raum, den ich interessant finde. 

Womit befassen Sie sich derzeit im Bereich der Materialwissenschaften vor allem?
Wir entwickeln Materialien, die Energie umwandeln oder speichern – zum Beispiel für Brennstoffzellen, Elektrolyseure oder Batterien. Ein Schwerpunkt liegt hierbei auf den Elektroden, an denen Reaktionen und Ladungsübergänge stattfinden. Ich habe ein sehr spannendes ERC-Projekt (European Research Council) aus Norwegen an die TUM mitgebracht. Dabei geht es darum, den Transport von Brennstoffen und Reaktionsprodukten innerhalb der Elektroden zu untersuchen. Der Brennstoff soll homogen über die Katalyseschicht verteilt und die Produkte effektiv von dieser Schicht abtransportiert werden. Das Neue an unserer Herangehensweise: Um bestimmte Transporteigenschaften zu erreichen, optimieren wir die Elektroden geometrisch. Diese bestehen aus komplexen Strukturen mit Kanälen, Poren und Katalysepartikeln. Genau hier liegt die Herausforderung: Mit klassischen Herstellungsverfahren lässt sich die Geometrie kaum kontrollieren. Wir versuchen deshalb, die Architektur der Elektroden am Computer zu entwerfen und anschließend exakt so herzustellen. Mit unserem Verfahren können wir Carbon- und Graphitstrukturen mit den gewünschten Geometrien über Längenskalen von Nanometern bis Zentimetern erzeugen. 

Materialstrukturen sind entscheidend für den Stofftransport. Wie sich diese verbessern lassen, erforscht Jan Torgersen (links) am Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften der TU München (Foto: Susanne Höcht / TUM)

Warum sind die Strukturen so entscheidend?
Weil sie sich direkt auf den Stofftransport auswirken – und der ist  bei Energieumwandlungsprozessen ein ausschlaggebender Faktor: Die Reaktionspartner müssen zur Oberfläche gelangen, dort reagieren und die Produkte wieder abgeführt werden. Wenn die Oberfläche “einfach nur” groß ist, reicht das nicht. Im Gegenteil: Dann können sich Produkte stauen oder Reaktionspartner nicht schnell genug nachströmen. Unser Ziel ist es, Strukturen so zu gestalten, dass sich diese Prozesse von selbst ausbalancieren – ohne zusätzlichen Energieaufwand, etwa durch Pumpen. Ein Beispiel ist die Brennstoffzelle: Dort entsteht Wasser, das abgeführt werden muss, weil es sonst den Sauerstofftransport blockiert. Wir entwickeln Strukturen, die dieses Wasser gezielt ableiten – inspiriert von natürlichen Systemen wie Bäumen.  

Klingt nach 3D-Druck auf Molekülebene – wie funktioniert das?
Ganz genau. Wir nutzen eine Technologie namens Zweiphotonenlithografie. Das ist ein hochpräzises 3D-Druckverfahren im Nano- und Mikrometerbereich. Dabei wird ein Laser in ein lichtempfindliches Material fokussiert, das nur genau an diesem Punkt aushärtet. Der Trick: Statt eines energiereichen Photons, also vereinfacht gesagt eines Lichtteilchens, werden zwei energieärmere Photonen gleichzeitig absorbiert. In diesem Im Fokuspunkt eines Mikroskopobjektivs ist die Lichtintensität dann hoch genug, sodass wir sehr feine, dreidimensionale Strukturen direkt im Inneren eines Materials „schreiben“ können – mit einer Auflösung bis in den Nanometerbereich. So entstehen Architekturen wie beispielsweise Poren- und Kanalsysteme, die genau steuern, wie sich Stoffe durch eine Elektrode bewegen. Mithilfe von Computational Fluid Dynamics (CFD) analysieren und optimieren wir Geometrien, um gewünschte Strömungsvorgänge im Detail einzustellen. 

Sie kombinieren den 3D-Druck mit weiteren Verfahren – etwa der Atomlagenabscheidung. Warum?
Die gedruckten Strukturen sind zunächst nur die Form. Die Funktion kommt dann durch Materialien wie Metalle oder Halbleiter. Mit der Atomlagenabscheidung können wir extrem dünne, gleichmäßige Schichten aufbringen – Atomlage für Atomlage. Katalysatoren wie beispielsweise Platin lassen sich so sehr effizient einsetzen. Die Atomlagenabscheidung noch besser zu machen, ist ebenfalls ein Forschungsschwerpunkt. Das Ziel ist immer, möglichst wenig von teuren oder seltenen Materialien zu verwenden, aber trotzdem eine hohe Leistung zu erzielen.  

Brennstoffzellen, Elektrolyseure oder Batterien. Ein Schwerpunkt von Jan Torgersens Forschung liegt auf den Elektroden, an denen Reaktionen und Ladungsübergänge stattfinden. (Foto: Tobias Hase / TUM)

Was sicher ein Balanceakt ist….
Absolut! Das ist eigentlich der Kern unserer Arbeit: widersprüchliche Anforderungen auszutarieren. Ein Material soll stabil sein, aber gleichzeitig reaktiv. Es soll leitfähig sein, aber auch korrosionsbeständig. Hinzu kommt: Diese Eigenschaften beeinflussen sich oft gegenseitig. Wenn ich zum Beispiel die Oberfläche vergrößere, um die Reaktivität zu steigern, bekomme ich unter Umständen Probleme beim Stofftransport oder bei der Stabilität. Das heißt, wir optimieren nie nur einen Parameter, sondern immer ein ganzes System. Diese Gratwanderung ist die eigentliche Herausforderung. 

Forschung bedeutet für Sie aber auch Methoden weiterzudenken. Woher kommt dieser Ansatz?
Das hat sich schon früh entwickelt. In meiner Dissertation habe ich mich, wie gesagt, viel mit Zweiphotonenlithographie beschäftigt – und die vorhandenen Anlagen haben nicht immer das getan, was ich gebraucht habe. Also habe ich angefangen, sie umzubauen, zu erweitern und neue Funktionen zu überlegen. Am Ende haben diese und andere Entwicklungen an der TU Wien dann zu einer Gründung eines Startups geführt, upNano. Das Weiterentwickeln von Werkzeugen ist in meinem Team stark verankert. Gerade für die Energieforschung ist das entscheidend, denn neue Erkenntnisse entstehen oft erst, wenn man auch die Methoden weiterdenkt. 

Wie erleben Sie die Zusammenarbeit in der e-conversion Community?
Sehr offen und interdisziplinär. Die klassischen Disziplingrenzen verschwimmen zunehmend. Das sehe ich als Vorteil. Es gibt für mich viele Schnittstellen, zum Beispiel zu Themen wie Photochemie, metallorganischen Gerüststrukturen oder Batteriematerialien. Als Ingenieur fühle ich mich sehr willkommen, denn die Perspektive, Forschung stärker in Richtung funktionierender Systeme zu richten, stößt bei vielen auf offene Ohren. Ich habe immer die Frage im Kopf: Lässt sich aus dem, was wir wissen, etwas bauen, das tatsächlich einen Leistungsvorteil bringt?  

Was treibt Sie persönlich an – und wie bekommen Sie den Kopf frei, um selbst neue Energie zu tanken?
Ich widme meine Forschung dem Fortschritt der erneuerbaren Energien und möchte dazu beitragen, den Klimawandel aufzuhalten. Wir brauchen dringend eine Alternative zu fossilen Technologien, also Energieumwandlungssysteme, die effizient, skalierbar und unabhängig von knappen Rohstoffen sind. Für mich ist Radfahren ein wunderbarer Ausgleich. Ich fahre auch gerne an der Isar entlang zur Arbeit. Das tut einfach gut. Außerdem verbringe ich am Wochenende viel Zeit mit meinen Kindern und meiner Familie oder treffe abends Freunde. Davon sind einige ebenfalls Professoren an der TUM und da drehen sich die Gespräche zwangsläufig auch über unsere Forschungsthemen. 

Herzlichen Dank für das interessante Gespräch. Wir wünschen Ihnen alles Gute und viel Erfolg für Ihre Forschung an der TU München und beim Exzellenzcluster e-conversion! 

Kurzprofil 

Jan Torgersen studierte Wirtschaftsingenieurwesen-Maschinenbau an der TU Wien, wo er 2013 promovierte und sich mit hochauflösenden 3D-Druckverfahren beschäftigte. An der Stanford University (ab 2014) forschte er mit Fokus auf Nanofabrikation und Energiekonversion. Jan Torgersen wurde 2016 als außerordentlicher Universitätsprofessor an die Norwegian University of Science and Technology (NTNU) berufen. Seit 2022 ist er Professor an der Technischen Universität München. Dort leitet er den Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften an der School of Engineering and Design.