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Campus-News: Studium und Studenten-Leben an den Hochschulen im Rhein-Main-Gebiet

18. Januar 2013

Uni Gießen: Die Trüffelsucher

 Von Alexander Kraft
Jürgen Janek werkelt an einem speziellen Spektrometer, das die chemische Zusammensetzung von Oberflächen untersucht.  Foto: Martin Weis

Der Gießener Professor Jürgen Janek und sein Team arbeiten an einer neuen Batterie-Technik. Das was die Forscher am Heinrich-Buff-Ring zusammen mit Kollegen aus Karlsruhe und der BASF entwickeln, könnte in einigen Jahren eines der größten Probleme lösen, das die Energiewende so hemmt: die Speicherung von elektrischer Energie.

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Der Gießener Professor Jürgen Janek und sein Team arbeiten an einer neuen Batterie-Technik. Das was die Forscher am Heinrich-Buff-Ring zusammen mit Kollegen aus Karlsruhe und der BASF entwickeln, könnte in einigen Jahren eines der größten Probleme lösen, das die Energiewende so hemmt: die Speicherung von elektrischer Energie.

Ein Gerät zum Trüffelsuchen stellt sich der Laie eigentlich etwas anders vor. Kein tonnenschweres Ungeheuer aus glänzendem Stahl, bei dem Leitungen in wilden Windungen um den Kern laufen und massiv verschraubte Zylinder verbinden, alles schwingungsfrei im Untergeschoss aufgebaut. Aber Elektrochemiker sehen das anders, speziell die von der Gießener Justus-Liebig-Universität um Professor Jürgen Janek. „Wir sind Trüffelsucher“, sagt der 48-Jährige mit einem jugendlich-verschmitzten Lächeln. Wobei die Trüffeln in dem Falle nach Natrium schmecken und schon heftiges Interesse in Wissenschaft und Industrie geweckt haben. Denn das, was die Forscher am Heinrich-Buff-Ring zusammen mit Kollegen aus Karlsruhe und der BASF entwickeln, könnte in einigen Jahren eines der größten Probleme lösen, das die Energiewende so hemmt: die Speicherung von elektrischer Energie.

Natrium-Luft-Zelle

Jürgen Janek ist Direktor des Instituts für Physikalische Chemie der Gießener Justus-Liebig-Universität (JLU). Er legt großen Wert auf kooperative Arbeit und hebt die Gesamtleistung der Arbeitsgruppe hervor, die sich mit Natrium-Elektro-Chemie befasst.

Außer ihm sind drei Physikochemiker an der Entwicklung der Natrium-Luft-Zelle beteiligt: Philipp Adelhelm ist der Nachwuchsgruppenleiter und spezialisiert auf die Arbeit an Material für Energiespeicherung. Mit der experimentellen Arbeit sind die Doktoranden Pascal Hartmann und Conrad L. Bender befasst.

Das Geld für die teure Grundlagen-forschung stammt aus Mitteln für die Förderung der Elektromobilität vom Land Hessen und dem Bundesforschungsministerium in Berlin. Weitere Geldgeber sind unter anderem die Deutsche Forschungsgemeinschaft und BASF. Hessens Wissenschaftsministerium steckt zudem im Rahmen der Loewe-Förderung ab 2013 im Schwerpunkt Elektrochemie 800000 Euro in neue Labors in Gießen.

Das Papier über „die erste reversibel arbeitende elektrochemische Zelle auf der Basis von Natriummetall, Sauerstoff und dem Reaktionsprodukt Natrium-superoxid“ erschien im Fachmagazin „Nature Materials“. Es wurde zusammen mit dem Bella-Labor am Institut für Nanotechnologie des KIT in Karlsruhe und der BASF SE verfasst.

Bislang gilt für Elektro-Autos die Faustformel: 100 Kilo Batterie = 100 Kilometer Reichweite. Deshalb wird weltweit, da verraten die Spezialisten vom Physikalisch-chemischen Institut kein Geheimnis, mit Hochdruck an neuen Batterie-Techniken, geforscht. Es gibt reichlich Ideen, sagt Janek. Nur aus der Unzahl jene herauszupicken, die dann wirklich etwas taugen, das sei die Sucharbeit. Denn theoretisch ließe sich mit dem weit verbreiteten Trägermaterial Lithium viel mehr anfangen als in den Ionen-Akkus. In Verbindung mit dem Sauerstoff der Luft wird eine vierfach höhere Ladekapazität prognostiziert, erklärt der Professor und nimmt den Besucher mit auf eine Reise ins Innere der Materie und die Geschichte der Energiespeicherung.

„Die Lithium-Ionen-Zellen, die heute in jedem Handy oder Laptop oder E-Bike stecken, sind ein Kind der 70er Jahre“: Im Zuge der Ölkrise hätte die Forschung an Leichtmetallen als Grundlagen elektrochemischer Energiespeicher begonnen – Batterien mit Schwermetallen wie Blei kamen für künftige Aufgaben nicht infrage. Doch es dauerte bis 1991, dass Sony einen Lithium-Akku in einer Kamera verbaute. Seither versuchen die Forscher, Batterien immer höherer Speicherkapazität zu entwickeln.

Im Prinzip wie der Otto-Motor

Und seit einigen Jahren wollen sie mit dem ultraleichten, silbern glänzenden Alkalimetall ein Prinzip verwirklichen, das man vom Otto-Motor kennt: Nutzbare Energie produzieren mit Luft – der Reaktionspartner Sauerstoff ist überall im Überfluss vorhanden und lässt sich von außen zuführen. Das „Problem mit diesen Lithium-Luft-Batterien“ ist: Sie funktionieren noch nicht wirklich. In den klassischen geschlossenen Lithium-Ionen-Batterien müssen sämtliche Stoffe, die miteinander reagieren sollen, enthalten sein – und auch noch jene, die ein Überreagieren, etwa durch Überladung, verhindern sollen. Die wilden Geschichten von Handy-, Laptop- oder Bike-Akkus, die in Flammen aufgingen, haben für viel Aufsehen gesorgt. Da ahnt der Laie, welche Probleme sich auftun, wenn sich so ein Akku mit reaktionsfreudigem Inhalt der Außenwelt öffnen soll.

„Wir haben uns aus wissenschaftlicher Neugier mit dem schweren Bruder, dem Natrium, beschäftigt.“ Und eine Trüffel gefunden. Denn das verblüffende, wie Janek sagt: Viele der Probleme, die Bruder Leichtfuß bereitet, tauchen da gar nicht oder in geringerer Form auf. Im Gegenteil: Während bei einem Lade-/Entladevorgang der Lithium-Luft-Zelle 40 Prozent Energie verloren gehen, sind es beim Natrium, das auch viel häufiger in der Natur vorkommt, nur zehn. Nur warum Natrium und Luft so gut miteinander können, das wissen die Forscher noch nicht genau. Wollen sie aber. Denn noch ist die Technik nicht einsatzbereit. So schaffen die Natrium-Prototypen derzeit lediglich zehn Ladezyklen.

Einige Millionen Euro

Um zu verstehen, was in den Zellen passiert, haben sich die Gießener mit teurer Hightech ausgestattet: in spezielle Massenspektrometer, Photoelektronenspektroskope und Elektronenmikroskope sind einige Millionen Euro geflossen. „Wir raspeln da sozusagen Atomschicht für Atomschicht herunter“, erläutert der seit 13 Jahren im Institut tätige Hochschullehrer die Vorgänge im Inneren der Geräte, die ein bisschen wie Fantasiemaschinen aus alten Science-Fiction-Filmen aussehen. So hoffen sie, einem der Grundprobleme auf die Spur zu kommen, das jeder Nutzer von Akkus kennt: Die Ladekapazität sinkt mit der Lebensdauer. „Das liegt, grob gesagt, an Verunreinigungen, die sich während des Betriebs an Kathode und Anode ablagern.“ Wenn man weiß, welche Stoffe da mit welchen unerwünschte Nebenprodukte bilden, könnte man eine Art „internen Korrosionsschutz“ kreieren.

Doch das alles ist bislang Theorie. Als „einen ersten Durchbruch“ im Bereich Alkali-Luft-Batterien stuft Janek die Grundlagenforschung an Natrium-Luft-Batterien ein. Er sieht ihren möglichen Einsatzbereich auch eher im stationären Speicherbetrieb. Eine Garantie für eine neue Wundertechnik ist das aber auch nicht. Deshalb hütet sich der Professor, über Kennziffern wie Wirkungsgrad oder den Zeitpunkt der kommerziellen Einsatzfähigkeit zu spekulieren.

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