Multitool für die solare Wasserspaltung

Presseinformation der LMU München vom 06.09.2018

Die Spaltung von Wasser mittels Sonnenlicht ist ein vielversprechender Ansatz für die Speicherung erneuerbarer Energie. Ein neues Katalysatorsystem im Nanoformat lässt erstmals alle Reaktionsschritte einer solchen künstlichen Photosynthese an einem einzigen Halbleiter-Partikel ablaufen.

In Anbetracht des globalen Klimawandels ist die Nutzung und Speicherung erneuerbarer, klimaneutraler Energiequellen unerlässlich. Ein vielversprechender Ansatz ist die Photokatalyse, bei der Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht in Sauerstoff und den Energieträger Wasserstoff aufgespalten wird. Die effiziente Umsetzung dieses Verfahrens ist allerdings technisch sehr anspruchsvoll, da verschiedene Prozesse beteiligt sind, die sich gegenseitig beeinträchtigen. LMU-Physikern um Dr. Jacek Stolarczyk und Professor Jochen Feldmann ist es in Kooperation mit Chemikern der Universität Würzburg (JMU) um Professor Frank Würthner nun erstmals gelungen, Wasser in einem einzigen System mithilfe von sichtbarem Licht vollständig zu spalten. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Nature Energy.

Bei der photokatalytischen Wasserspaltung werden mittels synthetischer Komponenten die komplexen Prozesse nachgebildet, die bei der natürlichen Photosynthese ablaufen. Im Prinzip absorbieren dabei als Photokatalysatoren dienende Halbleiter-Nanopartikel Lichtquanten (Photonen). Ein Photon regt im Halbleiter eine negative Ladung (ein Elektron) und eine positive Ladung (ein sogenanntes „Loch“) an, die sich räumlich trennen müssen, damit Wasser von dem Elektron zu Wasserstoff reduziert beziehungsweise vom Loch zu Sauerstoff oxidiert werden kann. „Wenn man nur Wasserstoff aus Wasser herstellen will, werden die Löcher meistens schnell mittels chemischer Reagenzien entfernt“, sagt Stolarczyk. „Für eine vollständige Wasserspaltung müssen die Löcher aber bleiben und den langsamen Wasseroxidationsprozess vorantreiben.“ Die Schwierigkeit besteht dann darin, beide Halbreaktionen so auf einem Partikel zu kombinieren, dass sie gleichzeitig ablaufen – und zwar ohne, dass die dabei entstehenden entgegengesetzten Ladungen rekombinieren. Zudem werden die meisten Halbleiter durch die positiven Ladungen angegriffen und zerstört.

Nanostäbchen mit separaten Reaktionsräumen

„Den Durchbruch haben wir geschafft, indem wir Nanostäbchen des Halbleiters Cadmiumsulfid verwendeten und die Reduktions- und Oxidationsreaktion auf diesen Nanokristallen räumlich trennten“, sagt Stolarczyk. An den Spitzen der Stäbchen positionierten die Wissenschaftler winzige Platinpartikel, die bei der Photoreaktion entstehende Elektronen aufnehmen. Wie die LMU-Physiker bereits früher zeigen konnten, funktioniert diese Anordnung als wirksamer Photokatalysator für die Reduktion von Wasser zu Wasserstoff. Die Oxidation dagegen findet an den Seiten der Nanostäbchen statt: Auf den gesamten Seitenflächen platzierten die LMU-Physiker von Würthners Team entwickelte Oxidationskatalysatoren auf Rutheniumbasis, die mit speziellen Ankergruppen an den Nanostäbchen fixiert werden. „Die Verankerung ermöglicht eine extrem schnelle Übertragung des Lochs auf den Katalysator, sodass eine effektive Sauerstofferzeugung stattfinden kann und die Cadmium-Nanostäbchen nicht geschädigt werden“, sagt Dr. Peter Frischmann, einer der Initiatoren des Forschungsprojekts am Standort Würzburg.

Die Wissenschaftler führten ihre Studie im Rahmen des interdisziplinären Projekts „Solar Technologies Go Hybrid“ (SolTech) durch, das vom Freistaat Bayern gefördert wird. „Ziel von SolTech ist es, innovative Konzepte für die Umwandlung von Solarenergie insbesondere in nicht-fossile Brennstoffe zu erforschen“, erklärt Professor Jochen Feldmann, Inhaber des Lehrstuhls für Photonik und Optoelektronik an der LMU. „Die Entwicklung des neuen photokatalytischen Systems ist ein gutes Beispiel dafür, wie Soltech die Expertise unterschiedlicher Fachrichtungen und Standorte zusammenbringt. Unser Erfolg war nur durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Chemikern und Physikern an zwei Standorten möglich“, ergänzt Würthner, der zusammen mit Feldmann im Jahr 2012 SolTech initiierte.

Publikation:
Nature Energy 2018

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Faden-Kunst aus Roboterhand

Presseaussendung der TU Wien vom 10.09.2018

Als „String Art“ bezeichnet man Bilder aus kunstvoll gespannten Fäden. Was bisher Erfahrung und eine ruhige Hand benötigte, gelingt an der TU Wien nun mit einem Roboter – ein Beispiel, welch komplexe Aufgaben digitale Fabrikation mittlerweile lösen kann.

Die Grundidee ist einfach: Auf einem Brett befinden sich Nägel, und zwischen ihnen soll ein langer Faden so hin und her gespannt werden, dass er ein bestimmtes Bild ergibt. Recht einfach lassen sich so interessante geometrische Muster produzieren. Den wahren Profis gelingt es sogar, durch eine ausgeklügelte Anordnung der Fadenlinien ein Portrait zu erstellen.

An der TU Wien hat man diese Kunstform nun automatisiert: Beliebige Bilder können verwendet werden, der Computer berechnet den optimalen Faden-Weg, der das gewünschte Bild möglichst exakt wiedergibt. Ein Industrie-Roboter übernimmt dann die Arbeit des Fadenspannens und erzeugt ein kreisrundes Fadenbild.

Unzählige Möglichkeiten

„Aus wissenschaftlicher Sicht ist das ein sehr interessantes Problem, weil es ganz besonders schwer zu lösen ist“, sagt Przemyslaw Musialski vom Institut für Diskrete Mathematik und Geometrie der TU Wien. Im Allgemeinen lässt sich ein Bild auf diese Weise nicht exakt reproduzieren – schließlich kann man mit der Faden-Methode keine einzelnen Bildpunkte setzen, sondern nur durchgängige Linien ziehen. Man muss daher eine möglichst gute Näherungslösung finden.

Außerdem ist die Anzahl der Möglichkeiten, wie man einen Faden zwischen einer größeren Anzahl von Nägeln spannen kann, astronomisch hoch. Es ist völlig unmöglich, alle denkbaren Varianten durchzuprobieren. „Es handelt sich um ein sogenanntes NP-schweres Problem“, sagt Musialski. „Zu dieser Klasse von Aufgaben gehören Rechenprobleme, die mit Computern in überschaubarer Zeit nicht exakt gelöst werden können.“

Für die Erstellung des Bildes verwendet man einen Kreis aus 256 Haken. „Unsere Rechnungen haben gezeigt, dass eine größere Anzahl von Haken das Endergebnis nur noch marginal verbessert“, sagt Przemyslaw Musialski. Der Faden kann jeweils von der rechten oder linken Seite jedes Hakens zur rechten oder linken Seite jedes anderen Hakens gespannt werden. Schon bei ungefähr 30 Fadenlinien ergeben sich somit mehr mögliche Varianten als das beobachtbare Universum Atome hat – und um ein erkennbares Bild wiederzugeben, braucht man noch viel mehr Linien. Es ist daher eine große mathematische Herausforderung, aus der unüberblickbaren Vielzahl an möglichen Wegen einen herauszufinden, der das gewünschte Bild möglichst gut reproduziert.

Der Präzisions-Roboterarm als Fadenkünstler

Die mathematische Lösung des Problems war dem Forschungsteam aber noch nicht genug. Das Ziel war, echte „String Art“ völlig automatisiert zu produzieren. Daher setzte man einen hochpräzisen Industrie-Roboter ein, der normalerweise an der Fakultät für Architektur der TU Wien zum Fräsen komplizierter 3D-Formen verwendet wird. Der Roboterarm spannt einen einzigen langen Faden zwischen den 256 Haken, sodass am Ende ein kreisrundes Fadenbild mit 63cm Durchmesser entsteht. Auch für den Industrieroboter ist die Aufgabe nicht im Handumdrehen erledigt: Je nach Bildmotiv dauert die Produktion 2-5 Stunden und benötigt zwischen 2 und 6 Kilometer Faden.

Unterstützt wurde das Team der TU Wien von Peter Wonkas Arbeitsgruppe an der King Abdullah University of Science and Technology in Saudi-Arabien. „Auch wenn unser Roboter hübsche Bilder erzeugt, ist unsere Arbeit natürlich kein Kunstprojekt“, sagt Przemyslaw Musialski. „Letztlich wollen wir zeigen, wie man besonders schwierige technische Probleme am besten lösen kann. Im String-Art-Projekt arbeiten wir mit Methoden, die in Zukunft auch in der digitalen Fabrikation eine wichtige Rolle spielen werden.“ (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Umweltfreundlich und effizient

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 03.09.2018

Wärmepumpen machen Umweltenergie für Heizzwecke nutzbar. In der Regel werden sie jedoch mit synthetischen Kältemitteln betrieben, die umweltschädliche, fluorierte Treibhausgase (F-Gase) enthalten. Fraunhofer-Forscherinnen und Forscher haben jetzt im Rahmen eines Konsortiums eine Wärmepumpe mitentwickelt, in der stattdessen Propan eingesetzt wird. Das macht die Pumpe nicht nur klimafreundlicher, sondern auch effizienter.

»Heizung und Warmwasser benötigen in Deutschland rund 40 Prozent der Endenergie. Das Verbrennen von hochwertigen, fossilen Energieträgern wie Erdgas oder Erdöl ist nicht nur energetisch unsinnig, sondern auch klimaschädlich. Wärmepumpen machen aus einer Einheit elektrischer Antriebsenergie, häufig aus erneuerbaren Energien, drei bis fünf Einheiten Wärmeenergie – und das völlig CO2-neutral. Damit sind Wärmepumpen ein wichtiger Baustein für die Umsetzung der Energiewende«, sagt Dr. Marek Miara, Koordinator Wärmepumpen am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg.

Eine Wärmepumpe funktioniert ähnlich wie ein Kühlschrank: Das Kältemittel nimmt die Wärme im Innern des Kühlschranks auf und befördert sie nach draußen. Doch während beim Kühlschrank die Wärme an der Rückwand ungenutzt verpufft, wird die Wärme, die eine Wärmepumpe der Erde, dem Grundwasser oder der Umgebungsluft entzieht, zum Heizen oder für die Warmwasserzubereitung verwendet.

Dazu wird das erwärmte, dampfförmige Kältemittel verdichtet und so seine Temperatur und sein Druck erhöht. Das heiße Kältemittelgas gibt seine Wärme an Wasser ab und kondensiert. Das warme Wasser strömt in Fußbodenheizungen, Heizkörper oder Warmwasserspeicher und das abgekühlte, flüssige Kältemittel fließt wieder zurück in den sogenannten Verdampfer, wo es erneut Wärmeenergie aufnimmt. Der Kreislauf beginnt von Neuem.

Als Kältemittel werden in der Regel synthetische Stoffgemische verwendet, die umweltschädliche, fluorierte Treibhausgase (F-Gase) enthalten. Die Europäische Kommission hat im Juni 2014 beschlossen, dass F-Gase schrittweise vom Markt genommen werden müssen. Eine umweltfreundliche, natürliche Alternative zu synthetischen Kältemitteln ist Propan – in Klima- und Kälteanlagen bereits zunehmend im Einsatz, in Wärmepumpen weit weniger verbreitet.

Denn Propan hat zwar sehr gute thermodynamische Eigenschaften, ist aber leicht brennbar und damit eine Herausforderung für die Verwendung im Wärmekreislauf. »Wenn man Propan nutzen will, muss man die Kältemittelmenge so gering wie möglich halten, um das Sicherheitsrisiko zu reduzieren«, sagt Dr. Lena Schnabel, Leiterin der Abteilung für Wärme- und Kältetechnik am Fraunhofer ISE.

Bionische Struktur sorgt für gleichmäßige Verteilung

Die ISE-Forscherinnen und Forscher haben daher gemeinsam mit europäischen Forschungspartnern hochkompakte, gelötete Lamellenwärmeübertrager eingesetzt, die mit geringen Flüssigkeitsmengen gut funktionieren. In Wärmeübertragern wird die thermische Energie von einem Stoffstrom auf den anderen übertragen. Sie bestehen aus vielen parallel verlaufenden Kanälen, in denen das Kältemittel zirkuliert und Wärme aufnimmt, dann nennt man sie Verdampfer, oder abgibt, dann heißen sie Verflüssiger. »Die Flüssigkeit soll über die Lauflänge vollständig verdampfen beziehungsweise wieder kondensieren. Um einen effizienten Betrieb zu gewährleisten, muss in allen Kanälen das gleiche Dampf-Flüssigkeitsverhältnis herrschen. Das ist generell nicht einfach und wird besonders schwierig, wenn man gleichzeitig Kältemittel reduzieren will.«

Um das Problem zu lösen, entwickelten Schnabel und ihr Team einen Verteiler mit einer bionischen Struktur: »Herkömmliche Venturiverteiler sehen aus wie ein Spaghettihaufen aus vielen dünnen Rohren, die in den Verdampfer münden. Unser Verteiler hat im Gegensatz dazu eine kontinuierlich verzweigende Struktur wie die Äste und Zweige eines Baumes, die eine gleichmäßige Verteilung des Kältemittels in die einzelnen Verdampferkanäle bei geringer Kältemittelmenge ermöglichen.« Damit kann die gesamte Wärmeübertragerfläche optimal genutzt und so die Effizienz gesteigert werden.

Um bei der Kompression des Propans keine Explosion zu riskieren, verwendeten Schnabel und ihr Team einen speziellen Verdichter, in dem sämtliche Zündquellen gekapselt wurden. Damit kein Propan entweichen kann, wurden die einzelnen Bauteile der Pumpe besonders sorgfältig miteinander verbunden. »Zurzeit modifizieren wir die technische Gestaltung der Wärmepumpe, prüfen die Bauteile im Langzeitverhalten und erstellen tragfähige Sicherheitskonzepte«, sagt Schnabel.

Externer Link: www.fraunhofer.de

technologiewerte.de – MOOCblick September 2018

Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

Low Emission Technologies and Supply Systems
Geoff Bongers (The University of Queensland) et al.
Start: 18.09.2018 / Arbeitsaufwand: 80 Stunden

Externer Link: www.edx.org