Die kostengünstige, ortsunabhängige und ressourcenschonende Speicherung von elektrischer Energie ist das zentrale ungelöste Problem der Energiewende. Eine mögliche Lösung könnte die aufkommende Technologie der Carnot-Batterien (CBs) sein, bei der elektrische Energie durch Hochtemperatur-Wärmepumpen in Wärme umgewandelt wird, die dann in kostengünstigen Materialien wie Wasser, Steinen oder Salzschmelzen gespeichert und bei Bedarf, z.B. mittels Dampfturbinen, wieder in elektrische Energie umgewandelt wird. Das thermodynamische Prinzip ist seit langem bekannt, dennoch gibt es bisher keine allgemeinen Methoden für ihre Auslegung oder ihre Bewertung auf der Basis der Grundlagen und der Zielsetzungen. Carnot-Batterien sind komplexe gekoppelte, zeitabhängige Systeme mit einer großen Anzahl von Komponenten und Freiheitsgraden. Veröffentlichte Wirkungsgrade und Kosten sind selten verifiziert oder gelten nur für bestimmte Systeme; die Integration in zukünftige Energiemärkte ist unerforscht. Der grundlegend neue Ansatz dieses Schwerpunktprogramms (SPP) ist die umfassende inverse Top-Down-Entwurfsmethodik, die ausgehend von den Zielgrößen (Markt) Schritt für Schritt zum Kleineren hin die optimale Auslegung sowie optimale Betriebsweisen mit entsprechenden Kreisläufen, Speichern, Maschinen und Fluiden (Molekül) anstrebt und diese Komponenten wiederum optimal kombiniert. Insbesondere werden auch die eingesetzten Arbeitsfluide und deren Gemische gemeinsam mit den Prozessparametern und der Konfiguration optimiert, um so die technischen und ökonomischen Grenzen zu finden. Die Marktbedürfnisse und die Grenzen von CBs sollen von einem interdisziplinären SPP-Team untersucht werden. Durch den Aufbau einer neuen interdisziplinären Community wird ein großer methodischer und inhaltlicher Erkenntnisgewinn erwartet, der auf weitere energietechnische Fragestellungen übertragbar ist. Dies geschieht in den invers angeordneten Projektbereichen, die aufeinander aufbauen und intensiv kooperieren: A - Carnot-Batterien in Energiemärkten, B - Design von Carnot-Batterien, C - Komponenten für Carnot-Batterien. Die Arbeit des SPP wird durch ein gemeinsames Carnot-Batterielabor gebündelt und validiert, das im Rahmen des Koordinationsprojekts aufgebaut wird und von den Teilnehmern des SPP zur Validierung ihrer Modelle und zur Untersuchung der Kopplung verschiedener miteinander verbundener Teile einer CB genutzt werden kann. Die Zusammenarbeit und der Austausch zwischen den Teilnehmern wird durch die Organisation von Workshops, den Austausch von Studenten und Seminaren koordiniert und schließt die Beteiligung international renommierter Wissenschaftler aus verschiedenen Disziplinen ein. Die Verwaltung der Forschungsdaten wird durch das Koordinationsprojekt erleichtert und verwaltet, ebenso wie die Kommunikation der Ergebnisse an die Öffentlichkeit.

Laser in der Produktion werden immer leistungsfähiger und brillanter, jedoch sind für die aktuell geforderten Bearbeitungsaufgaben die verfügbaren Materialien oftmals vollkommen unzulänglich. Bis heute werden in der additiven Fertigung Metallpulver eingesetzt, die vor über 50 Jahren für ein völlig andersartiges Verfahren – das thermische Spritzen – entwickelt wurden. Bei modernen laserbasierten additiven Verfahren führen diese Pulver jedoch zu Prozessinstabilitäten sowie Porositäten und Defekten im Bauteil. Im Bereich der Polymerpulver fehlt es zudem an einer breiten Materialpalette. Es besteht daher die dringende Notwendigkeit, die Materialien an diese verbreiteten Produktionsverfahren anzupassen, da lasergestützte Verfahren langfristig wegen ihres Durchsatzes als auch wegen ihrer Präzision wichtige Produktionsverfahren dominieren werden. Dies erfordert einen grundlegenden Forschungsansatz bereits am Beginn der Prozesskette, dem Material. Es besteht dringender Handlungsbedarf, die weltweite Spitzenposition Deutschlands in der Photonik und Materialwissenschaft zu verteidigen und weiter auszubauen. Ein koordiniertes, kohärentes, erstmals die Materialentwicklung und Photonikforschung vereinendes, bereits bei der Materialsynthese ansetzendes Forschungsprogramm soll zur Ausschöpfung dieses erheblichen Potenzials beitragen. Um eine Rückkopplung zwischen Prozessverhalten und Materialeigenschaft sicherzustellen, werden im Rahmen des SPPs Tandemprojekte aus den Bereichen „Materialien“ und „Laserprozess“ gefördert, welche projektübergreifend in Themenclustern zusammenarbeiten. Die wissenschaftlichen Fragestellungen werden materialübergreifend formuliert und auf das photonische Verfahren der additiven Laserfertigung konzentriert. Hiermit sollen erstmals sowohl chemische als auch metallurgische und Additiv-basierte Modifikationen gezielt für die photonische Produktion entwickelt werden. Eine solch große fächerübergreifende Studie bedarf einer gezielten Koordination und ermöglicht erstmals einen umfassenden Ringversuch einschließlich Forschungsdatenmanagement. Nur dadurch wird ein laborübergreifender wissenschaftlicher Austausch generiert, wodurch Reproduzierbarkeit und statistische Belastbarkeit garantiert werden.

Die Sprayflammensynthese bietet einen vielversprechenden Ansatz zur Herstellung funktionaler Nanomaterialen. Im Vergleich zu existierenden großtechnischen Gasphasenprozessen bietet die Sprayflammensynthese den Zugang zu einer Fülle an Materialien, die sich nicht mit anderen Prozessen herstellen lassen. Die tatsächliche industrielle Nutzung scheitert bisher aber an der Notwendigkeit des Einsatzes teurer Ausgangsstoffe und einem unzureichenden Prozessverständnis. Diese Situation soll im Rahmen des SPP1980 durch einen interdisziplinären Ansatz überwunden werden, der die Grundlagen für die praktische Nutzung und (weitere) industrielle Verbreitung der Sprayflammensynthese schafft. Dadurch sollen teure Ausgangsmaterialien substituiert und in den Industriemaßstab skalierbare Verfahren entwickelt werden, die die gezielte Herstellung von Materialien mit einem weiten Eigenschaftsspektrum ermöglichen.

Das Mischen von dispersen Systemen (Partikeln und Pulvern) ist eine traditionelle Unitoperation der Verfahrenstechnik. Die Anwendungen von gemischten partikulären Systemen reichen von der Verarbeitung von Lebensmitteln, pharmazeutischen und chemischen Substanzen bis hin zur Materialverarbeitung und Werkstofftechnik. Das funktionelle Mischen verschiedener Partikeltypen (Heteroaggregation) hat das Potenzial, herausragende neue Eigenschaften von dispersen Produkten zu erzeugen, die von der Mischungszusammensetzung und von verschiedenen sekundären Prozessbedingungen abhängen. Dabei kann eine neue Produkteigenschaft durch den direkten Kontakt verschiedener Partikel (Heterokontakt) und damit durch die entstehende Grenzfläche zwischen den jeweiligen Teilkomponenten entstehen. Viele Anwendungen haben gezeigt, dass diese Heterokontakte von grundlegender Bedeutung für bestimmte funktionelle Eigenschaften sind. In den meisten Fällen resultieren die neuen Eigenschaften aus der Übertragung von Ladungen, Masse, Wärme, Kräften oder Momenten, ohne dass es einer chemischen Reaktion der Komponenten bedarf. Die Qualität eines solchen Partikelgemisches hängt also direkt mit den Kontaktstellen und Grenzflächen der verschiedenen Partikel und den Details der Wechselwirkung zwischen ihren Spezies im Kontakt zusammen. Die neue Eigenschaft aus der Kontaktzone steuert die Material- und Produkteigenschaften des gesamten Systems, das im Kontext des SPP als Heterokontakt bezeichnet wird. Direkte Informationen über die Qualität des Heterokontakts (z. B. Anzahl der Kontakte, Transporteigenschaften zwischen verschiedenen Partikelsorten) könnten daher die Basis für eine grundlegende Beschreibung der neuen Eigenschaften des Partikelgemischs. Gleichzeitig muss der Heteroaggregationsprozess zur Erzeugung solcher Heterokontakte untersucht und kontrolliert werden. In den verbleibenden drei Jahren des SPP konzentriert sich die Forschung verstärkt auf spezifische Materialfunktionen der heteroaggregierten partikulären Systeme, die nachgewiesen und mit den Prozessparametern verknüpft werden. Dieser Schwerpunkt stellt wiederum besondere Anforderungen an angepasste Prozessmess- und -regeltechniken sowie an die Material- und Partikelcharakterisierung. Im Einzelnen ergeben sich die folgenden Ziele: - Nutzung der bisherigen Erkenntnisse für mehrstufige Prozesse zur Erzeugung von Hetero-Aggregaten mit integrierter Prozessführung. Dazu gehören Aerosolprozesse zur definierten Erzeugung von Heteroaggregaten, mit einer adäquaten Prozessdiagnostik zur Detektion von Mischungsvorgängen. - Nutzung und Kopplung verschiedener CFD-, Partikel- und Reaktionsmodelle und Aufbau einer ganzheitlichen Simulationsumgebung zur Auslegung von Materialfunktionen. - Etablierung von Standardverfahren zur Charakterisierung von Heteroaggregaten im Submikrometerbereich unter Nutzung von Probenzügen aus schnellen Aggregationsprozessen und tomographischen Methoden zur Charakterisierung von Heteroaggregaten.