UNIKATE 43 - NanoEnergie - Materialentwicklung für eine nachhaltige Energieversorgung - Christof Schulz

Christof Schulz. Foto: Max Greve

Verehrte Leserinnen und Leser,

am 17. April 2009 wussten wir, dass uns der große Wurf gelungen ist: An diesem Tag erhielten wir vom Center for Nanointegration Duisburg-Essen, kurz CENIDE, die Nachricht, dass wir uns im landesweiten Wettbewerb um ein hochmodernes Forschungsgebäude durchsetzen konnten. Das Land Nordrhein-Westfalen hatte das NanoEnergieTechnikZentrum (NETZ) im Jahr 2010 in unserem Namen beim Wissenschaftsrat eingeworben und die Hälfte der Bau- und Ersteinrichtungskosten von rund 46 Millionen Euro übernommen. Als Standort fand sich ein wahres Filetstück des Duisburger Campus’: Mit dem Zentrum für BrennstoffzellenTechnik im Süden, dem Zentrum für Halbleitertechnik und Optoelektronik im Westen sowie den Fakultäten für Physik und Ingenieurwissenschaften ebenfalls in direkter Nachbarschaft bieten sich für die im NETZ arbeitenden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ganz wörtlich Kooperationsmöglichkeiten in alle Richtungen.


Die Grundlagen der NanoEnergie

Denn von Kooperationen lebt unsere Forschung, schöpft die Nanotechnologie doch gleichsam aus den Natur- und Ingenieurwissenschaften sowie aus der Medizin. Ihr Teilbereich „NanoEnergie“ beschäftigt sich mit Mechanismen und Materialien, die dazu beitragen können, Energie nachhaltig in eine verwertbare Form umzuwandeln und zu speichern. Hierzu sind neuartige, maßgeschneiderte Materialien notwendig, zu denen die Nanotechnologie entscheidend beitragen kann. Ein Nanometer ist der millionste Teil eines Millimeters. Materialien, die aus solch winzigen, dicht an dicht gepackten Nanopartikeln bestehen, haben eine riesige Oberfläche. Und da die Energieumsetzung meist an solchen Grenz- und Oberflächen stattfindet, bieten sich Nanomaterialien hier besonders an. Wo Materialien im makroskopischen Bereich versagen, können Nanokomponenten dazu beitragen, dass wir zukünftig deutlich effizienter Energie in elektrischen Strom umwandeln und speichern können. Bereits seit 2009 forschen Wissenschaftler und Kooperationspartner aus der Industrie im CENIDE-Projekt NETZ hierzu gemeinsam an Strategien, Mechanismen und Materialien.

UNIKATE 43 - NanoEnergie - Materialentwicklung für eine nachhaltige Energieversorgung - Marion Franke

Marion Franke. Foto: Max Greve



Das neue Zentrum unserer Forschung

Mit dem ersten Spatenstich am 4. November 2010 hat das gleichnamige Forschungsgebäude, das der NanoEnergie-Forschung nun auch einen räumlichen Mittelpunkt gibt, Gestalt angenommen: Nach fast auf den Tag genau zwei Jahren Bauzeit konnten die ersten Mitarbeiter einziehen. Mit seiner einzigartigen Infrastruktur dient das NanoEnergieTechnikZentrum nun für 120 Forscher und Kooperationspartner als Basis, um maßgeschneiderte funktionale Materialien für die Stromversorgung der Zukunft bereitzustellen und so die Region Rhein-Ruhr zu einem wichtigen Baustein für die technische Umsetzung der Energiewende zu erheben. Es enthält physikalische und chemische Labore sowie Büro- und Seminarbereiche auf etwa 3.900 Quadratmetern Hauptnutzungsfläche. So stellt das NETZ einen bisher einzigartigen Komplex für die Verknüpfung von Grundlagenforschung und anwendungsbezogener Weiterverarbeitung dar: Von der Synthese der Nanomaterialien über ihre Analyse bis hin zur Weiterverarbeitung für die energietechnischen Anwendungen finden alle Prozesse in den direkt verbundenen Laboren statt. Durch dieses Prinzip der so genannten „linked facilities“ erforschen Chemiker, Physiker und Ingenieure die im Haus synthetisierten Nanomaterialien gemeinsam im Sinne einer geschlossenen Prozesskette und verarbeiten sie unmittelbar für energietechnische Anwendungen weiter. Damit geht die Forschung in NETZ auch direkt ein Problem an, vor das Unternehmen bisher gestellt waren, wenn sie mit Nanomaterialien arbeiten wollten: Es fehlte schlicht an ausreichenden Mengen spezifischer Nanomaterialien für die Erforschung der industriellen Verwertbarkeit. Die anwendungsorientierte Forschung, die hier mit der Gasphasensynthese maßgeschneiderter Nanopartikel im Technikumsmaßstab beginnt und bis zu ihrer Verwertung im nutzbaren Bauteil reicht, will diese Lücke nun schließen – zunächst exemplarisch für die Bereiche Lithium-Ionen-Batterien, Katalyse, Photovoltaik und Thermoelektrik. Grundlage hierfür ist die Gasphasensynthese von Nanopartikeln, in der drei verschiedene Reaktorkonzepte für unterschiedliche Produkte eingesetzt


UNIKATE 43 - NanoEnergie - Materialentwicklung für eine nachhaltige Energieversorgung - Prozessschritte

Vereinfachte Grafik der Prozessschritte im NanoEnergieTechnikZentrum: Interdisziplinäre Teams, bestehend aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der UDE, anderer Forschungseinrichtungen und Partnern aus der Industrie, erforschen und realisieren gemeinsam nano-basierte Materialien und Methoden für die Anwendung in der Energietechnik.



werden. Die Syntheserate erreicht hier je nach Art und Qualität des Produkts Größenordnungen von Kilogramm pro Stunde.

Natürlich muss ein Nanoforschungszentrum auch die Möglichkeit bieten, Strukturen und Eigen¬schaften mit höchster Ortsauflösung zu messen. In unserem Fall ist dieser Aspekt besonders wichtig, da wir die Nanomaterialien in Prozessketten verarbeiten und deren Zustand nach den einzelnen Schritten beurteilen und gegebenenfalls gezielt verändern wollen. In direkter Nähe zu den „linked facilities“ liegt daher im Untergeschoss das Mikroskopiezentrum für die Analytik, das extrem temperatur- und feuchtigkeitsstabile Raumluftbedingungen für die Arbeit mit den hochempfindlichen Elektronenmikroskopen und Oberflächen-Analysegeräten bietet. Zudem ist jedes Großgerät auf einem individuellen, rund 100 Tonnen schweren Fundament gelagert, das nicht mit dem Gebäude verbunden ist. So wird vermieden, dass sich mechanische Schwingungen – etwa vom Aufzug oder von vorbeifahrenden LKW – auf die Mikroskope übertragen und die Messungen stören. Auch elektromagnetisch ist das Untergeschoss unter anderem durch miteinander verschweißte Spundwände gegen äußere Einflüsse abgeschirmt. Aus demselben Grund sind alle Installationen im Gebäude so ausgelegt, dass sie nur minimale elektromagnetische Störfelder erzeugen. Natürlich sind auch Stromversorgung und Klimaregelung auf die ökologisch und auch ökonomisch sinnvollste Art geregelt: Alle Labore sind trotz der enormen Abwärmeleistung der Geräte klimatisch individuell einzustellen. Wärmepumpen nutzen diese Abwärme aus den Laboren zur Heizung der


übrigen Bereiche, insbesondere für die Büros. Photovoltaikanlagen auf dem Dach erzeugen stetig elektrischen Strom. Um die Eigenentwicklungen auf dauerhafte Beständigkeit zu prüfen, gibt es auf dem Dach eine Bewitterungs-Testfläche für funktionale Beschichtungen aller Art.

Ein weiterer bedeutender Teil des NETZ-Konzepts, der sich auch in der Struktur des Gebäudes zeigt, sind Kooperationen mit der Industrie: Für Partner aus der Wirtschaft stehen hochmodern eingerichtete Büroräume und Labore Tür an Tür mit den Wissenschaftlern für kooperative Forschungsprojekte zur Verfügung. Besprechungs- und Seminarräume sowie Kommunikationszonen, in denen man sich – ganz nebenbei, aber ungemein effektiv – bei der Stippvisite an der Kaffeemaschine trifft und bespricht, ergänzen die fachliche um die ebenso wichtige soziale Komponente.

NanoEnergie aus verschiedenen Blickwinkeln

Seit Herbst 2012 wird im NETZ bereits gearbeitet. Doch auch ohne die unmittelbare räumliche Nachbarschaft, die das neue Forschungsgebäude nun ermöglicht, funktioniert die Zusammenarbeit im gleichnamigen Projekt bereits seit seinen Anfängen vor vier Jahren: Ein Beispiel ist die gemeinsame Forschungsarbeit von Dr. Gabi Schierning aus der Arbeitsgruppe „Nanostrukturtechnik“ und Dr. Hartmut Wiggers vom Institut für Verbrennung und Gasdynamik. Sie haben erstmals effizientes Nano-Silizium für thermoelektrische Anwendungen aus der Gasphase synthetisiert. Eine Sensation in Forscherkreisen, denn die Thermoelektrik benötigt dringend neue Werkstoffe, verwendet man doch bisher fast immer das seltene Tellur oder das umweltschädliche Blei. Nano-Silizium bietet da eine auch im großen Maßstab verfügbare, kostengünstige und ungiftige Alternative. Für den daraus entstandenen Thermogenerator hat das Team bereits den InnoMateria Award 2012 erhalten.

Dieses ist nur ein Beispiel für die erfolgreiche Zusammenarbeit unserer Wissenschaftler innerhalb der NanoEnergie-Forschung. Weitere Projekte und konkrete Beispiele unserer Arbeit stellen wir Ihnen in diesem UNIKATE-Heft vor – darunter auch die Erkenntnisse unseres Projekts „NanoGEM“, das sich mit der Sicherheit im Umgang mit Nanotechnologie beschäftigt.


Wir danken all den Autorinnen und Autoren von CENIDE und NETZ, die sich die Zeit genommen haben, ihren speziellen Zweig der NanoEnergie-Forschung in einem ausführlichen Beitrag vorzustellen. Ganz besonders danken möchten wir auch den Autoren der angrenzenden Wissenschaften, die uns einen Blick auf die Nanotechnologie aus ihrer Sicht ermöglichen sowie den Partnern aus Industrie und Wirtschaft, die unsere Darstellung der Forschung um ihre wertvolle Perspektive ergänzen.



Eine unterhaltsame Lektüre
wünschen Ihnen

Dr. Marion Franke
Federführende Autorin
Koordinatorin NETZ

Prof. Dr. Christof Schulz
Wissenschaftlicher Direktor NETZ



Verehrte Leserinnen und Leser,

dialogbereite Wissenschaft schafft Vertrauen! In einer pluralistischen Gesellschaft gehört zum Wesenskern von Wissenschaft, dass sie offensiv und mit klaren, sachlichen Argumenten jenen Stimmen entgegentritt, die auf die Meinungsbildung durch irrationale, emotionale und faktenferne Äußerungen Einfluss nehmen und dabei im schlimmsten Fall sogar Ängste schüren. Nur eine dialogbereite, sachlich informierende Wissenschaft schafft Transparenz, Verständnis und damit Vertrauen in der Gesellschaft.

Die Nanotechnologie zeigt, dass ein solcher Dialog eine dauerhafte Herausforderung ist. Nanotechnologie bietet ohne Zweifel enorme Chancen – doch es gibt bei diesem Thema auch Sorgen, Vorbehalte und Ängste in der Gesellschaft. Nur wenn diese ernst genommen und möglichst ausgeräumt werden können, wird es gelingen, aus gesellschaftlicher Akzeptanz zunehmend gesellschaftliche Anerkennung und schließlich eine gesellschaftliche Verankerung zu erreichen. Es ist gut, dass die Universität Duisburg-Essen Flagge zeigt, dass sie sich beim Thema Nanotechnologie nicht beirren lässt. Sie bringt neues Wissen und neue Erkenntnisse hervor. Angesichts der globalen Herausforderungen, vor denen wir stehen, können wir es uns in Deutschland und in Europa nicht erlauben, bestimmte Technologien zu diskriminieren oder rundheraus abzulehnen

Zur intensiven Diskussion über neue Technologien hat sich in Deutschland seit einigen Monaten noch eine zweite, ebenfalls intensive und teils emotionale Diskussion gesellt. Sie dreht sich um die Frage: Wie wollen wir die künftige Energieversorgung Deutschlands angesichts der beschlossenen Energiewende verwirklichen? Verlässliche politische Aussagen sind für eine erfolgreiche Umsetzung der Energiewende ebenso notwendig wie technisch realisierbare Lösungen in der Praxis.

Genau an dieser Stelle erkenne ich einen spannenden Zusammenhang mit den Nano-Aktivitäten der Universität Duisburg-Essen – denn die Hochschule engagiert sich intensiv, um die Nutzung von Nanomaterialien für bessere Stromspeicher und für eine nachhaltigere Energiegewinnung kräftig voranzutreiben. Das neue NanoEnergieTechnikZentrum, kurz NETZ, ist ein Millionenprojekt, das schon bald als Basis dienen soll, um maßgeschneiderte funktionale Materialien für die Stromversorgung der Zukunft bereitzustellen. Für die technische Umsetzung der Energiewende können damit aus Duisburg wichtige Beiträge kommen.


UNIKATE 43 - NanoEnergie - Materialentwicklung für eine nachhaltige Energieversorgung - Klaus Engel

Klaus Engel. Foto: Max Greve

Mich freut es sehr, dass die Universität Duisburg-Essen ein neues Kapitel im dicken Buch der Energiekompetenz des Ruhrgebiets aufschlägt. Das Forschungsgebäude NETZ soll Anfang 2013 öffnen und einer bisher einzigartigen Kooperation von Industrie und Wissenschaft Raum geben. Es ist schön, dass sich die Anstrengungen des federführenden Center for Nanointegration Duisburg-Essen, kurz CENIDE genannt, gelohnt haben. Es ist CENIDE, der Gemeinschaft der Nano-Forscher an der Hochschule, gelungen, in einer Ausschreibung trotz erheblicher Konkurrenz den Zuschlag für die Errichtung des NETZ-Gebäudes in Duisburg zu erhalten. Ich rechne fest damit, dass dieser wichtige Anfangserfolg noch zahlreiche weitere Erfolge in der Praxis nach sich ziehen wird: Denn buchstäblich im NETZ sollen 120 Forscher und Industrieexperten nebeneinander und miteinander arbeiten. Die Kooperation mit der Industrie gehört zum Kern des NETZ-Konzepts. Ich halte diesen Weg für erfolgversprechend – und zwar für beide Seiten.

Für mich ist die Nanotechnologie insgesamt eine Schlüsseltechnologie mit hohem wirtschaftlichem Potenzial. Sie kann dazu beitragen, neue effiziente und ressourcenschonende Produkte zu entwickeln und gleichzeitig den Umweltschutz, die Gesundheit und die Produktqualität fördern. Kritiker stellen bei der Nanotechnologie die Risiken in den Vordergrund. Es gilt, solche Risiken fundiert und sachlich abzuschätzen. Wir alle sollten dabei nicht aus den Augen verlieren: Eine Gesellschaft ohne jedes Risiko ist auch eine Gesellschaft ohne jede neue Chance.

Die Nanotechnologie mit all ihren Chancen ist es wert, dass sich Wissenschaft und Wirtschaft für sie gemeinsam engagieren. Eine faire öffentliche Debatte lohnt sich für alle.

Einen ganz konkreten Beitrag für eine solche Debatte steuert diese UNIKATE-Ausgabe bei: Sie liefert einmal mehr Beispiele dafür, welch fundierte Quelle für neues Wissen die Universität Duisburg-Essen ist. Ich freue mich darüber ebenso wie über die schon seit Jahren vielfältige Zusammenarbeit zwischen der Hochschule und Evonik Industries in der Forschung. Den Leserinnen und Lesern dieses Magazins wünsche ich eine anregende Lektüre!


Ihr

Dr. Klaus Engel,
Honorarprofessor der
Universität Duisburg-Essen,
Vorstandsvorsitzender
der Evonik Industries AG



Ein Gespräch mit Robert Schlögl

Der Direktor des Mülheimer Max-Planck-Institutes für chemische Energiekonversion beantwortet Fragen rund um die Themen Nanowissenschaften, Energie und Katalyse. Darüber hinaus äußert er sich zu seiner Lehrtätigkeit an der Universität Duisburg-Essen, zur Zusammenarbeit mit Universitäten und zum MPI-Standort Mülheim.


Die Rolle der Nanotechnologie in zukünftigen Energiesystemen

Die Umstellung unseres Energiesystems ist eine der großen Herausforderungen der nächsten Jahrzehnte. Viele der Probleme sind nicht technologischer Natur, sondern betreffen eher die Akzeptanz neuer Energietechnologien, die rechtlichen Rahmenbedingungen, die Umsetzung und ökonomische Aspekte. Allerdings sind auch noch zahlreiche technische Hürden zu überwinden, die ein Zusammenwirken verschiedener Disziplinen erfordern. In vielen Bereichen verbessert der Einsatz von Nanomaterialien die Eigenschaften des jeweiligen Systems so weit, dass es technologisch nutzbar wird. Allerdings bringen Nanostrukturen auch neue Fragestellungen mit sich.


Integrierte Nanopartikel-Synthese und -Verarbeitung im NanoEnergieTechnikZentrum

Das NanoEnergieTechnikZentrum ermöglicht in seinen „Linked Facilities“ die integrierte Synthese und Weiterverarbeitung von Nanopartikeln und -materialien für energietechnische Anwendungen in einer Prozesskette – in direkter Zusammenarbeit von Chemikern, Physikern und Ingenieuren aus Wissenschaft und Industrie.


Hierarchische Strukturen aus Nanopartikeln für Solarzellen, Opal-artige Materialien und Mikrolinsen

In der Nanotechnologie wird oft von einer Technologielücke gesprochen. Diese Lücke lässt sich beim Bottom-up-Zugang zur Nanotechnologie auch auf Längenskalen abbilden, geht es doch bei diesem Zugang um den Aufbau makroskopischer Objekte aus Nanobausteinen. Man bewegt sich also vom Nano- über den Mikro- in den Millimeterbereich (nm → μm → mm). Teile dieser Lücke, die Herstellung von Nanopartikeln, die Aufskalierung und die Formulierung in Suspensionen, werden derzeit geschlossen.


Nanoskalige Materialien für die Thermoelektrik

Die Steigerung von Effizienz und Nachhaltigkeit technischer Systeme, wie denen zur Energiegewinnung, ist immer mit Materialentwicklung verbunden. Der Nanotechnologie kommt hierbei eine besondere Rolle zu, da viele energierelevante Prozesse auf der Nanometerskala ablaufen. Nanotechnologie allein kann die Energieprobleme dieser Welt nicht lösen, aber – vernünftig angewendet – helfen, viele Prozesse effizienter zu gestalten. Im Hinblick auf die Thermoelektrik eröffnet ein Materialdesign auf der Nanometerskala die Möglichkeit, nachhaltige und ungiftige Wandlermaterialien kostengünstig herzustellen.


Nicht-klassische Thermoelektrika mit nicht-klassischen Verfahren

Thermoelektrische Materialien sind eine Möglichkeit, Verbrennungsprozesse energieeffizienter zu machen, indem Verlustwärme gewissermaßen in elektrische Spannung „recycelt“ wird. Nicht-klassische Thermoelektrika mit nicht-klassischen Verfahren bilden hierbei ein interessantes Forschungsfeld in der Nanotechnologie; sowohl für spannende Grundlagenforschung als auch für die technologische Anwendung.


Anwendungen von Nanokonzepten in der Photovoltaik

Bedeutet die Verknüpfung von „Nano“ und „Energie“ auch NanoEnergie? Nicht unbedingt, denn Nanotechnologie im Bereich der Photovoltaik bedeutet im Vergleich zu klassischer Photovoltaik ohne Nanotechnologie entweder eine erhöhte Konversionseffizienz von Sonnenenergie in elektrische Energie oder die Chance auf reduzierte Kosten ohne Kompromisse hinsichtlich der Konversionseffizienz. Als Beispiel werden hier spezifische Nanodrahtstrukturen sowie die Integration von elektrisch isolierenden Nanopartikeln mit hohen Dielektrizitätszahlen zur Optimierung des Ladungstransports in organischen Solarzellen diskutiert.


Aspekte der Lithium-Ionen-Batterie

Die Frage der effizienten Energiespeicherung ist von wesentlicher Bedeutung für mobile sowie stationäre Anwendungen. Daraus ergibt sich ein erheblicher Bedarf an Batterien mit hoher Speicherkapazität und Leistungsdichte. Neben leistungsfähigen elektrochemisch aktiven Materialien ist deren Verarbeitung zu entsprechenden Elektroden von entscheidender Bedeutung.


Ethische Aspekte technischer Sicherheit beim Einsatz von Nanomaterialien

Dieser Beitrag entwickelt aus einer technik-ethischen Überlegung zu einem komparativen Sicherheitsverständnis heraus Kriterien, gemäß denen eine technische Option als sicherer gegenüber einer anderen zu beurteilen ist. Dabei spielen in diesem Zusammenhang die möglichen Auswirkungen der Erforschung, Entwicklung, Herstellung und Verwendung von Nanomaterialien im Vergleich zu alternativen Materialien die ausschlaggebende Rolle. Um sukzessive eine höhere Sicherheit im Umgang mit Nanomaterialien zu erreichen, wird gefordert, die Beurteilung von Technikfolgen zu optimieren sowie Technologien zur Beherrschung des Einsatzes der Nanomaterialien und zur Revision möglicher Auswirkungen zu entwickeln beziehungsweise zu verbessern.


Eine Frage der nachhaltigen Entwicklung der Nanotechnologie

Die Nano-Sicherheitsforschung hat in den letzten Jahren viel erreicht. Dazu zählen beispielsweise die Identifizierung von Orten mit möglicherweise hoher Exposition, von Nanomaterialien mit hohem toxikologischen Gefährdungspotenzial oder erste Untersuchungen zu Veränderungen und zum Verhalten von Nanomaterialien in der Umwelt. Nichtsdestotrotz gibt es noch wichtige offene Fragestellungen, die weiterer Forschung bedürfen, um einen sicheren und nachhaltigen Umgang mit Nanomaterialien zu gewährleisten. Hierzu zählen Fragen zu ihrem Lebenszyklus, zu ihrer Mobilität oder Akkumulation in der Umwelt sowie zu möglichen Auswirkungen auf Fauna und Flora. Auch hier sind Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des IUTA und der Universität Duisburg-Essen aktiv.