Der Fachwelt kommen Titel und Untertitel unseres Clusters spielend über die Lippen. Der Rest darf ruhig darüber stolpern. Und in diesem Artikel lernen, was es damit auf sich hat. Danach sollte einem lockeren „Fundamentals of Energy Conversion Processes“ nichts mehr im Wege stehen…

Wie die regenerative Energieversorgung der Zukunft aussehen wird, kann noch nicht genau vorhergesagt werden. Aber eines ist sicher: Alle genutzten Energieformen müssen gut ineinander umwandelbar sein. Da ist zum einen natürlich der Weg von Sonne, Wind und Co zum elektrischen Strom. Genauso wichtig ist aber auch die effiziente Speicherung in Batterien und der Wandel in chemische Energieträger wie Wasserstoff und synthetische Kraftstoffe. So lassen sich Schwankungen ausgleichen und hohe Energiedichten für Industrieanlagen, Frachter oder große LKWs bereitstellen.

Die Natur schenkt uns Energie in Form von Sonnenlicht, Wind und Co. Um diese Energie ­nutzen zu können, müssen wir sie umwandeln. e-conversion erforscht diese Umwandlungs­prozesse, damit sie in Zukunft effizienter ablaufen können. Zum Vergrößern auf das Bild klicken. (Copyright: e-conversion / J. Kott)

Doch bei jeder Umwandlung (engl. conversion) versickert ein beträchtlicher Teil der Energie. Dabei befindet sich das größte „Leck“ in allen Umwandlungsverfahren oft an der gleichen Stelle, am Grenzübergang zwischen verschiedenen Materialien. Das Einsparpotential ist enorm und ein guter Grund, um die besten Forscherinnen und Forscher zu diesem Thema im Cluster e-conversion zusammenzubringen und gemeinsam nach Lösungen zu suchen. Doch verbesserungswürdig ist nicht nur die energetisch ineffiziente Umwandlung. Vielen Energiewandlern fehlt es an Stabilität, sie enthalten seltene und daher teure Elemente wie Platin und Iridium oder giftige Stoffe wie Blei und Cadmium. Auch mit diesen Fragen beschäftigt sich e-conversion.

Das Erfolgsgeheimnis der Cluster
Das Besondere an Exzellenzclustern ist, dass Vertreter unterschiedlicher Fachrichtungen gemeinsam an einer Frage arbeiten. Und so kommen die Mitglieder von e-conversion aus der Physik, Chemie und Biologie und sind Experten für die Grundlagen der Photovoltaik, Photokatalyse, Elektrokatalyse, Brennstoffzellen, Batterie-Entwicklung und Photosynthese. Auch Spezialisten für Optoelektronik sind dabei, für die Umwandlung von Licht in elektrische Signale und umgekehrt. Alle vereint, dass sie mit verwandten Materialien und Verfahren arbeiten und dass bei ihnen vergleichbare Probleme an den Materialgrenzen auftreten.

Die zentralen Fragen lauten: Was passiert auf atomarer Ebene und was läuft schief? Wie geht es besser? Welche Alternativen können wir entwickeln? Helfen uns selbst gestaltete Materialien? Kann meine Lösung auch bei anderen Energiewandlungsprozessen helfen? „Die Probleme an den Grenzflächen führen zu kritischen Phänomenen wie Überspannung, Rekombinationsverlusten oder erhöhten Widerständen“, erklärt Prof. Thomas Bein, einer der drei Koordinatoren von e-conversion. „Um hier weiterzukommen, müssen wir die zugrundeliegenden Anregungs- und Energieumwandlungsprozesse zunächst auf atomarer Ebene untersuchen und dann optimieren.“

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Back to basics
Ein erster Schritt ist die Konstruktion von vereinfachten Grenzflächen-Modellen – im Labor ebenso wie virtuell am Rechner. Diese Modelle helfen dabei, grundlegende Abläufe im Detail zu verstehen und die Faktoren zu identifizieren, die den Umwandlungsprozess behindern. Dank der hervorragenden technischen Ausstattung bei e-conversion können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den Aufbau dieser Modelle teils atomar genau definieren und gezielt einzelne Parameter verändern. Anschließend testen sie, was sich im Modell und später im komplexeren Original optimieren lässt. „Die Widerstände in Festkörperbatterien sind oft sehr hoch und resultieren aus Zersetzungsreaktionen an den Grenzflächen. In vereinfachten Modellen untersuchen wir die atomaren Prozesse hinter dieser Degradation und Möglichkeiten sie aufzuhalten. Sobald das klappt, gehen wir über zu den realen Systemen,“ so Cluster-Koordinator Prof. Karsten Reuter.

Bestens ausgestattet
Neben den High-Tech Instrumenten der Cluster-Gruppen haben die Mitglieder Zugang zu zahlreichen, teilweise einzigartigen Geräten und Leistungen externer Einrichtungen. Dazu gehören auf dem Campus Garching das Leibniz Supercomputing Center oder die Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz. Eine enge Kooperationen besteht auch mit dem Elektronensynchrotron BESSY II in Berlin. Und flankierend für den Cluster entsteht demnächst an der TU München ein eigenes Operando Elektronenmikroskopiezentrum. Dessen Mikroskope werden den Forschern mit fast atomarer Auflösung Live-Aufnahmen von Vorgängen von in sich im aktiven Betrieb befindlichen Energiewandlern liefern.

Doch all die Technik wäre nichts ohne die klugen Köpfe dahinter. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bei e-conversion geben mit ihrem Wissen und Können ihr Bestes, um die Energieversorgung Schritt für Schritt zukunftsfähig und nachhaltig zu gestalten. (Artikel: Birgit Ziller)