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Prof. Dr. Ferdi Schüth

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Forschen für eine nachhaltige Energieversorgung

Um bisherige Energiequellen besser auszuschöpfen und neue zu erschlie­ßen, versuchen Wissenschaftler die fundamentalen Prozesse bei der Umwandlung von Energie genauer zu verstehen. Diese Grundlagenforschung hilft uns, von fossilen Brennstoffen unabhängiger zu werden und regenerative Energien effizienter zu nutzen. Die Energieversorgung der Zukunft lässt sich nur durch das Zusammenwirken der Wissenschaft mit Wirtschaft und Gesellschaft sichern.

Eine der wichtigsten Fragen des 21. Jahrhunderts lautet: Wie lässt sich die Welt langfristig und nachhaltig mit Energie versorgen? Einfache Antworten fehlen indes. ­Viele Hindernisse sind technologischer Art: Es muss noch besser gelingen, Energie aus Wind, Wasser und Sonnenlicht zu gewinnen und zu speichern. Gerade aber die grundlagenorientierte Energieforschung kann neue und überraschende Perspektiven eröffnen und uns von fossilen Brennstoffen unabhängiger machen.

Bereits 1905 beschrieb Albert Einstein mit der berühmten Formel E = mc2 die Möglichkeit, Masse in Energie umzuwandeln – die in den Atomkernen gespeicherte Energie war damit prinzipiell zugänglich geworden. Doch er hat wohl kaum damit gerechnet, dass die Menschheit binnen nur 50 Jahren beginnen würde, die Kernenergie tatsächlich zu nutzen. Noch weniger ließ sich damals vorhersehen, dass heute, gerade einmal weitere 50 Jahre später, die kontrollierte Kernfusion in Reichweite liegt – und damit die Gewinnung potenziell unbegrenzter Mengen an sauberer Energie. Die Verwirklichung von Fusionskraftwerken ist eine völlig neue Herausforderung: Bei Temperaturen von mehreren hundert Millionen Grad Celsius werden Wasserstoffisotope zu Heliumkernen verschmolzen, was den verwendeten Materialien und technischen Apparaturen enorm viel abverlangt.

Schematische Darstellung eines von Magnetspulen (blau) umgebenen Plasmas (gelb) in einem Stellarator-Fusionsreaktor Bild vergrößern
Schematische Darstellung eines von Magnetspulen (blau) umgebenen Plasmas (gelb) in einem Stellarator-Fusionsreaktor

Das internationale ITER-Projekt in Frankreich will zu diesem Zweck einen »Tokamak«-Reaktor einsetzen. In Deutschland verwirklicht man derzeit den technisch verwandten »Stellarator«. Bei einer Reihe weiterer Vorhaben soll der Brennstoff etwa mittels Laserstrahlen gezündet werden. Gelingt es den Forschern, die damit verbundenen Belastungen für Mate­rial und Technik zu meistern, könnten die ersten kommerziellen Fusionskraftwerke 2050 ans Netz gehen.

VON DER NATUR ABGESCHAUT

Ein großes Potenzial für die Energieversorgung der Zukunft schlummert in physikalischen Vorgängen, bei denen Elektronen von einem Molekül oder einem Atom zum nächsten wandern – angefangen bei der Photosynthese in Pflanzen bis hin zur Entladung von Batterien. Entscheidend ist nun, dass wir die grundlegenden Mechanismen dieses Elektronentransfers im Mikrokosmos durchschauen. Je besser wir beispielsweise verstehen, wie die Photosynthese in den winzigen Biokraftwerken der Pflanzenzellen abläuft, desto eher versetzt uns das in die Lage, sie mit einfachen technischen Systemen nachzubilden1,2.

Forscher möchten den Prozess der Photosynthese mit technischen Systemen nachbilden. Bild vergrößern
Forscher möchten den Prozess der Photosynthese mit technischen Systemen nachbilden.

Forscher könnten so den alten Traum verwirklichen, mit Hilfe eines solar ange­triebenen, katalytischen Verfahrens Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten (derzeit wird Wasserstoff meist aus Erdgas gewonnen, was große Mengen fossilen Brennstoffs verschlingt). Das würde un­sere Energieversorgung revolutionieren, denn die im Wasserstoff gespeicherte Energie lässt sich auf vielen Wegen in andere Energieformen umwandeln.

Um unsere Versorgungsnetze sowie die Turbinen- und Kraftwerkstechnik entsprechend umzurüsten und auszubauen, müssen wir molekularen Wasserstoff auch effizient speichern und transportieren kön­nen. Während Wasserstoff heute unter hohem Druck oder in flüssiger Form gelagert wird, suchen Wissenschaftler intensiv nach chemischen Verbindungen mit höheren Speicherdichten3. Diese würden beispielsweise dem Fahrzeugbau zu Gute kommen, denn dann ließe sich Elektrizität aus wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen gewinnen.

NEUE MATERIALIEN MIT VIELVERSPRECHENDEN EIGENSCHAFTEN

Auch Methan, Hauptbestandteil von Erdgas, könnte den Weg zur sauberen Energieversorgung ebnen. Das Gas ist nicht nur einfacher zu handhaben als Wasserstoff, es lässt sich auch auf vielfältige Weise produzieren. Zu den effizientesten Verfahren gehört die Fermentation von Biomasse. Die biochemischen Abläufe4,5 müssen wir aber noch genauer kennen lernen, um ihre technische Anwendung zu optimieren. So können eines Tages vielleicht sogar genetisch modifizierte Organismen Methan produzieren.

Heute bestehen Solarzellen aus Silizium. Zukünftige Zellen könnten dünn und biegsam sein. Bild vergrößern
Heute bestehen Solarzellen aus Silizium. Zukünftige Zellen könnten dünn und biegsam sein.

Die Verarbeitung von Biomasse ist indessen nur ein indirekter Weg, die Energie der Sonne zu nutzen. Photovoltaiksysteme wandeln Sonnenlicht hingegen direkt in Elektrizität um. Sie basieren bislang zumeist auf Siliziumsolarzellen, doch neue Polymere versprechen kosteneffizientere und flexiblere Lösungen. So scheinen selbst Beschichtungen denkbar, die man nur auf einen Untergrund aufzusprühen braucht, um Strom aus Sonnenlicht zu erzeugen. Um die Effizienz und Lebensdauer solcher Materialien zu verbessern, ist ebenfalls Grundlagenforschung nötig. Sie wird uns einerseits bei der Synthese neuer Moleküle voranbringen und andererseits neue Methoden liefern, mit deren Hilfe sich Nanomaterialien wie die zufällig entdeckten Fullerene gezielt herstellen lassen6,7.

Weiter optimierbar ist auch ein Allerweltsbauteil – die Solarzelle. Ihre transparenten Elektroden enthalten meist Indium, einen seltenen und teuren Rohstoff. Andere Materialien wie Graphen (einla­gige Schichten aus Kohlenstoffatomen) könnten sich zu einer preiswerten Alternative entwickeln, sobald es gelingt, sie in großen Mengen herzustellen8. Von neuartigen Elektroden werden etwa auch Brennstoffzellenantriebe und die Batterien mobiler Computer und Handys profitieren.

GEFRAGTER BEITRAG DER SOZIAL- UND WIRTSCHAFTSWISSENSCHAFTEN

Manche Arten der Energiegewinnung sind in der Öffent­lichkeit weniger umstritten als andere. Bild vergrößern
Manche Arten der Energiegewinnung sind in der Öffent­lichkeit weniger umstritten als andere.

Die Materialwissenschaft hat noch mehr zu bieten: Die mechanischen Eigenschaften neuer Hochleistungspolymere und Stahllegierungen, kombiniert mit ihrem geringen Gewicht, könnten den Treibstoffverbrauch senken, Hochtemperaturkeramiken wiederum die Betriebstemperatur und damit den Wirkungsgrad von Motoren und Turbinen erhöhen9. Auch neue thermoelektrische Materialien versprechen Einsparungen, indem sie etwa Temperaturdifferenzen in Automotoren zur Energiegewinnung nutzen10.

Dennoch genügt es nicht, die drängenden Fragen allein aus technologischer Sicht zu beantworten. Die seit Jahrzehnten geführte Debatte über die Kernenergie zeigt dies. Technologien wie die Fusion treffen womöglich auf ähnliche Vorbehalte. Selbst innovative Technologien der CO2-Abscheidung und -Speicherung, welche die klimatischen Folgen des Verbrennens fossiler Rohstoffe mildern, könnten umstritten sein.

Bei Entscheidungen über unsere Energieversorgung, die auch in Zukunft einen breiten Raum in Politik und Öffentlichkeit einnehmen wird, müssen daher auch Erkenntnisse aus den Sozial- und Wirtschaftswissenschaften berücksichtigt werden. Zudem sollten wir Neuerungen möglichst schrittweise einführen, damit die Gesellschaft die technische Entwicklung nach und nach mitvollziehen kann. Die Forschung von heute legt das Fundament für eine langfristige und nachhaltige Energieversorgung von morgen. Nicht nur die weltweite wirtschaftliche Entwicklung, sondern auch der Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen ist darauf dringend angewiesen. Nur wenn auch Wissenschaftler unterschiedlicher Disziplinen eng zusammenarbeiten, werden wir die Herausforderung auf diesem Weg bewältigen.

 

Einzelne Lagen aus Graphit sind wegen ihrer überraschenden Ei­genschaften bei den Materialwissenschaftlern besonders beliebt. Am Max-Planck-Institut für Polymerforschung wurden Verfahren entwickelt, wie solche »Graphene« preiswert und in großem Maßstab hergestellt werden können. Transparente und leitfähige Graphenfilme fungieren etwa als Fensterelektroden in Solarzellen, als Leuchtdioden oder LCD-Displays – und könnten herkömmliche Elektroden ersetzen (Pang, S. et al., Adv. Mater. 21, 3488, 2009).

 

Yano, J. et al.
Where water is oxidized to dioxygen: structure of the photosynthetic Mn4Ca Cluster.
Lubitz, W., Reijerse, E. J. & Messinger,
Solar water-splitting into H2 and O2: design principles of photosystem II and hydrogenases.
Eberle, U. et al.
Chemical and physical solutions for hydrogen storage.
Thauer, R. K. et al.
Methanogenic archaea: ecologically relevant differences in energy conservation.
Rinaldi, R. & Schüth, F.
Design of solid catalysts for the conversion of biomass.
Maier, J.
Thermodynamics of nanosystems with a special view to charge carriers.
Krätschmer, W. et al.
Solid C60: a new form of carbon.
Wu, J. S., Pisula, W. & Müllen, K.
Graphenes as potential material for electronics.
Baldus, P., Jansen, M. & Sporn, D.
Ceramic fibers for matrix composites in high-temperature engine applications.
Guloy, A. M. et al.
A guest-free germanium clathrate.
 
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