Im September 1982 ging in Berlin-Wilmersdorf der erste Elektronenspeicherring unter dem Namen BESSY (Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung) offiziell in Betrieb. Um das begehrte Synchrotron-Licht zu erzeugen, werden Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit im Kreis beschleunigt. Dabei geben sie das besondere Licht ab, mit denen Wissenschaftler*innen ihre Proben durchleuchten. Auf diesem Prinzip basiert auch die Nachfolge-Anlage BESSY II, die 1998 in Berlin-Adlershof ihren ersten Lichtstrahl erzeugte und vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) betrieben wird. Heute verzeichnet die Anlage jährlich zirka 2700 Besuche von Gastforschenden aus der ganzen Welt. Im September 2023 feiert sie ihr 25-jähriges Bestehen.

Energieforschung ist die treibende Kraft

Seit dem ersten Strahl haben sich die Forschungsmöglichkeiten mit Synchrotron-Licht deutlich erweitert. Heute spielen Experimente, in denen Materialien für eine energieeffiziente Energieversorgung erforscht werden, die wichtigste Rolle. Zum Beispiel entwickeln Forscher*innen an BESSY II Solarzellen oder Materialien für leistungsfähige Batterien. Im Fokus stehen auch neue Dünnschicht-Katalysatoren für die Erzeugung von grünem Wasserstoff, die mit dem Licht von BESSY II untersucht werden. Darüber hinaus eignen sich Materialien für energiesparende Informationstechnologien perfekt, um sie mit Synchrotron-Licht zu erforschen.

Synchrotron-Licht zieht Talente an und ist Quelle der Inspiration

In den letzten 40 Jahren haben sich die gesellschaftlichen Herausforderungen stark geändert. Deshalb werden die Untersuchungsmöglichkeiten an BESSY II stets angepasst und erweitert. Dies erfolgt seit jeher in engem Schulterschuss mit den Partnern und Nutzer*innen aus der ganzen Welt. Das Synchrotron-Licht ist dabei eine Quelle der Inspiration und bringt Menschen ganz unterschiedlicher Disziplinen zusammen. 

„Interessante experimentelle Möglichkeiten ziehen kreative Talente an, beschleunigen Themen und Forschungscommunities. Dies können wir aktuell bei der Katalyseforschung beobachten. Das Synchrotron-Licht ist entscheidend, um industrierelevante Katalysatoren „made in Berlin“ für die grüne Wasserstoffwirtschaft zu entwickeln“, sagt der wissenschaftliche Geschäftsführer des HZB, Prof. Bernd Rech.

40 Jahre Beschleuniger-Know-how in Berlin

Der Betrieb des BESSY II-Beschleunigers ist hochkomplex. Berlin und dem HZB ist es gelungen, seit Jahrzehnten die notwendigen technischen und wissenschaftlichen Expert*innen auszubilden und zu halten. Damit Deutschland und die Welt weiterhin vom Synchrotron-Licht über das nächste Jahrzehnt hinaus profitieren, arbeiten die Beschleuniger-Spezialisten des HZB zusammen mit Partnern intensiv am Konzept für eine Nachfolge-Quelle BESSY III.

Heutige Solarmodule werden hauptsächlich aus Silizium hergestellt, Möglichkeiten für weitere Steigerungen des Wirkungsgrads sind bereits weitgehend ausgereizt. Doch seit 2008 ist die Materialklasse der "Metallhalogenid-Perowskite" in den Fokus der Forschung gerückt: diese Halbleiterverbindungen wandeln das Sonnenlicht überaus effizient in elektrische Energie um und bieten noch viel Raum für Verbesserungen. Insbesondere lassen sie sich hervorragend mit Silizium-Solarzellen zu Tandemsolarzellen kombinieren, die das Sonnenlicht viel effizienter nutzen können.

Wettrennen um Rekorde

Am HZB arbeiten mehrere Gruppen seit 2015 intensiv sowohl an den Perowskit-Halbleitern, als auch an Siliziumtechnologien und der Kombination von beiden zu innovativen Tandemsolarzellen. Im Januar 2020 hatte das HZB den Rekordwert von 29,15 % für eine Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle erreicht und die Arbeit in der Fachzeitschrift Science publiziert. Dann konnte die Firma Oxford PV vor Weihnachten 2020 einen zertifizierten Wirkungsgrad von 29,52 % bekannt geben. Seitdem läuft das spannende Rennen. „Ein Wirkungsgrad von 30 % ist wie eine psychologische Grenze für diese faszinierende neue Technologie. Das könnte die Photovoltaikindustrie in naher Zukunft revolutionieren“, erklärt Steve Albrecht, der die Perowskit-Dünnschichten im HySPRINT-Innvovationslab am HZB untersucht. Bernd Stannowski, Gruppenleiter für Siliziumtechnologie am PVcomB des HZB, fügt an: „Besonders hervorheben möchte ich die gute Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Gruppen und Instituten am HZB. So haben wir es geschafft, wieder eine Tandemsolarzelle komplett am HZB zu entwickeln und nochmals den Weltrekord zu holen.“

Für diese Tandemsolarzelle wurde der Fokus auf die optische Verbesserung der Silizium-Heterojunction Bottomzelle gelegt. Dazu wurde eine nanotexturierte Vorderseite und ein dielektrischer Rückreflektor eingefügt. Nun kam die offizielle Bestätigung: „Unsere neuen Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen wurden mit einem Weltrekord-Wirkungsgrad von 29,80 % vom Fraunhofer ISE CalLab zertifiziert“, freut sich Christiane Becker, die mit ihrem Team untersucht, wie sich durch Nanostrukturierungen die Reflexionsverluste verringern lassen. 

Nanotexturiertes Silizium

Für die neue Arbeit untersuchten Dr. Philipp Tockhorn (Gruppe Albrecht) und Doktorand Johannes Sutter (Gruppe Becker), wie sich Nanostrukturen an verschiedenen Grenzflächen auf die Leistung einer Tandemsolarzelle aus einer Perowskit-Solarzelle auf einer Silizium-Solarzelle auswirken. Zunächst berechneten sie mit einer Computersimulation die Photostromdichte in den Perowskit- und Silizium-Subzellen für verschiedene Geometrien mit und ohne Nanotexturen. Anschließend stellten sie Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen mit verschiedenen Strukturierungen her: „Schon die einseitige Nanotexturierung verbessert die Lichtabsorption und ermöglicht einen höheren Kurzschlussstrom im Vergleich zu einer planen Referenz“, sagt Sutter. Und sein Kollege Tockhorn ergänzt: „Bemerkenswert ist, dass die Nanotexturen auch zu einer leichten Verbesserung der elektronischen Qualität der Tandemsolarzelle und zu einer besseren Filmbildung der Perowskit-Schichten führen."

Dielektrischer Reflektor

Auch an der Rückseite der Zelle, die das infrarote Licht zurück in den Silizium-Absorber reflektieren soll, wurden Verbesserungen erreicht. „Durch den Einsatz eines dielektrischen Reflektors konnten wir diesen Teil des Sonnenlichts effizienter nutzen, was zu einem höheren Photostrom führt“, sagt Dr. Alexandros Cruz Bournazou, Postdoc in Bernd Stannowskis Gruppe.

Gute Ausichten

Die Ergebnisse zeigen den Weg für weitere Verbesserungen auf. Denn die Simulationen legen nahe, dass sich die Leistung durch eine beidseitige Nanostrukturierung der Absorberschichten noch weiter steigern ließe. Ein Wirkungsgrad von deutlich über 30 % könne erreichbar sein, davon sind die Forschenden überzeugt. Das Rennen ist offen.

„Weltweit halten wir Ausschau nach kreativen Talenten“, sagt Otmar D. Wiestler, Präsident der Helmholtz-Gemeinschaft. „Das ist für uns einer der wesentlichen Bausteine, um mit Spitzenforschung die großen Herausforderungen unserer Zeit zu meistern.“ Helmholtz bietet deshalb international erfahrenen Talenten ein attraktives Forschungsumfeld unter anderem mit einem Förderprogramm für sogenannte Helmholtz Young Investigator Groups. „In der diesjährigen Auswahlrunde hatten wir erneut eine Vielzahl exzellenter Bewerbungen. Ich freue mich sehr, dass wir unter ihnen insgesamt neun brillante Köpfe auswählen konnten.“ Der langfristige Erfolg von Helmholtz hänge wesentlich daran, ein Magnet für die Besten aus aller Welt zu sein.

Finanzielle Förderung von rund 300.000 Euro pro Jahr

Nach einem Begutachtungsverfahren von insgesamt 32 Bewerbungen waren in der aktuellen Auswahlrunde 19 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zu Präsentationen vor einer hochkarätigen, interdisziplinären Jury eingeladen worden. Unter ihnen wurden im Oktober schließlich neun ausgewählt. Über einen Zeitraum von fünf Jahren erhalten sie nun eine finanzielle Förderung von mindestens 300.000 Euro pro Jahr, um eine eigene Forschungsgruppe an einem der 18 Helmholtz-Zentren aufzubauen.

Experten aus dem Ausland für Deutschland gewinnen

Unter den Kandidaten sind viele herausragende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die zuvor an internationalen Standorten geforscht haben. „Die hohe Attraktivität von Helmholtz und des Standortes Deutschland ist unbestritten“, so Wiestler. Vier der Ausgewählten kehren aus dem Ausland zurück, drei ausländische Expertinnen und Experten konnten von renommierten Universitäten für Helmholtz gewonnen werden.

Maßgeschneiderte Fortbildung und Mentoring

Das Förderprogramm richtet sich an hoch qualifizierte Talente, deren Promotion zwei bis sechs Jahre zurückliegt und die über internationale Forschungserfahrung verfügen. „Sie können mit unserer Förderung unter hervorragenden Bedingungen eigene Forschungsgruppen aufbauen und sich als Führungskräfte beweisen“, sagt Wiestler. Um sie schrittweise an ihre Führungsaufgaben heranzuführen, werden sie durch ein maßgeschneidertes Fortbildungs- und Mentoring-Programm der Helmholtz-Akademie für Führungskräfte unterstützt. Nach rund drei Jahren unterziehen sich alle Gruppen einer Zwischenevaluation. Fällt diese überzeugend positiv aus, erhalten die Gruppenleiterinnen und Gruppenleiter eine langfristige Perspektive bei der Helmholtz-Gemeinschaft.

Vernetzung durch Lehre an Hochschulen

Ein weiteres Ziel des Programms ist es, die Vernetzung von Helmholtz-Zentren und Universitäten zu stärken: Die jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler lehren an Partnerhochschulen und bilden gemeinsam mit Universitäten Promovierende aus.

Mit der diesjährigen Wahl hat Helmholtz seit 2004 in insgesamt 18 Auswahlrunden 262 Helmholtz Young Investigator Groups ermöglicht. Die Kosten werden zur Hälfte aus dem Impuls- und Vernetzungsfonds des Präsidenten gedeckt. Die andere Hälfte steuern die Helmholtz-Zentren bei, an denen die Gruppenleiterinnen und -leiter forschen. Damit können sie neben ihrer eigenen Stelle in der Regel drei bis vier Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter sowie Konferenzreisen und Teile ihrer Ausstattung finanzieren. Drei der neuen Gruppen werden im Forschungsbereich Energie und jeweils zwei im Bereich Materie sowie Gesundheit angesiedelt sein. Jeweils eine Gruppe entfällt auf die Forschungsbereiche Information und Erde und Umwelt.

Data Science, Mikrobiomforschung, Umweltforschung, Infektionsbiologie sowie Gesundheits- und Krankheitsforschung mit besonderem Fokus auf Krebs- und Antibiotika – diese interdisziplinären Themen stehen im Mittelpunkt der vom Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL) und vom Helmholtz Forschungsbereich Gesundheit (Helmholtz Health) unterzeichneten Absichtserklärung. Mit der Vereinbarung wollen EMBL und Helmholtz Health ihre Zusammenarbeit  intensivieren und ihre Kräfte bündeln, um die drängenden Herausforderungen für Wissenschaft und Gesellschaft gemeinsam anzugehen. Ziel ist es unter anderem, die europäische Forschung in den Bereichen Prävention, Epidemiologie sowie  personalisierte Medizin weiter voranzutreiben und einen Beitrag zum Wissens- und Technologietransfer zu leisten.

„Diese Zusammenarbeit zwischen Helmholtz Health und EMBL wird es ermöglichen, effizienter auf gesellschaftliche Herausforderungen wie künftige Pandemien, Klimawandel und Antibiotikaresistenzen zu reagieren", sagt EMBL-Generaldirektorin Edith Heard. „Indem wir in den Bereichen menschliche Ökosysteme, Infektionsbiologie und Umweltbiologie zusammenarbeiten, können wir die Gesundheit von Mensch und Erde verbessern."

Otmar D. Wiestler, Präsident der Helmholtz-Gemeinschaft, sagt: „EMBL und Helmholtz Health bündeln ihre enormen Stärken länder- und fachübergreifend und bauen eine außerordentliche wissenschaftliche Expertise auf. Wir benötigen kreative und innovative Ansätze in der Gesundheitsforschung, um das Thema Prävention konsequent voranzubringen. Gleichzeitig bieten wir mit dieser Kooperation talentierten Nachwuchswissenschaftlern auf beiden Seiten die einmalige Möglichkeit, interdisziplinär bei EMBL und Helmholtz zu forschen.“

„Die wissenschaftlichen Interessen von EMBL und Helmholtz Health ergänzen sich hervorragend, so dass die Kooperationen einen echten Mehrwert für die Forschung bedeuten und damit einen spürbaren Gewinn für die Gesundheit erbringen können“, sagt Michael Baumann, Vorstandsvorsitzender des Deutschen Krebsforschungszentrums und Vizepräsident für den Forschungsbereich Gesundheit.

In der Helmholtz-Gemeinschaft arbeiten18 naturwissenschaftlich-technische und medizinisch-biologische Forschungszentren in sechs Forschungsbereichen strategisch-programmatisch zusammen. Im Bereich Gesundheit (Helmholtz Health) konzentrieren sich sechs Zentren darauf, Erkrankungen rechtzeitig zu erkennen und frühzeitig zu behandeln – für ein gesundes und langes Leben.

Die Absichtserklärung unterzeichneten: Das Deutsche Krebsforschungszentrum (DKFZ), das Deutsche Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE), das Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI), das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e.V. (HZDR), Helmholtz Zentrum München – Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt (HMGU) und das Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (MDC).

EMBL, das europäische Vorzeigelabor für Biowissenschaften, betreibt Grundlagenforschung in der Molekularbiologie und erforscht die Geschichte des Lebens. EMBL arbeitet bereits mit zwei Helmholtz-Zentren zusammen, in einer lokalen Allianz mit dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) und in einer Absichtserklärung zu gemeinsamen Forschungsvorhaben mit dem Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ). EMBL-Wissenschaftler kooperieren außerdem mit mehreren anderen Helmholtz Zentren, z. B. mit dem Helmholtz Zentrum München – Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt (HMGU), dem Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) und dem Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC) in Berlin.

Über EMBL

Das Europäische Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL) ist Europas führendes Forschungsinstitut in den Lebenswissenschaften. Gegründet 1974 als zwischenstaatliche Einrichtung wird es von 27 Mitgliedsstaaten, 2 angehenden Mitgliedsstaaten und einem assoziierten Mitgliedsstaat unterstützt. In molekularbiologischer Grundlagenforschung untersucht das EMBL die Mechanismen des Lebens. Das Institut bietet außerdem Serviceleistungen für Wissenschaftler, bildet Nachwuchswissenschaftler aus und fördert aktiv   die Vernetzung der Lebenswissenschaften in Europa. Das   EMBL ist international, innovativ und interdisziplinär. Die über 1800 Mitarbeiter aus mehr als 80 Ländern sind auf sechs Standorte in Barcelona (Spanien), Grenoble (Frankreich), Hamburg (Deutschland), Heidelberg (Deutschland), Hinxton (Großbritannien) und Rom (Italien) verteilt. Die Wissenschaftler arbeiten in unabhängigen Forschungsgruppen und decken dabei das gesamte Spektrum der Molekularbiologie ab. Die Entwicklung neuer Instrumente und Methoden für die Forschung sowie aktiver Technologietransfer sind weitere Kernaufgaben des EMBL. Darüber hinaus fördert das Institut die breite Anwendung seiner Forschung zum Wohle der Gesellschaft.

www.embl.org

www.embl.org/social-media/

Die Lichtquellen der Helmholtz-Gemeinschaft ergänzen sich komplementär und sind wahre Multitalente: Sie enthüllen das Coronavirus und spüren Kandidaten für neue Medikamente auf. Sie analysieren Katalysatoren, die mit Sonnenlicht Wasserstoff erzeugen und so Wegbereiter für eine klimaneutrale Wirtschaft sein können. Sie liefern Erkenntnisse über neuartige Materialien, die die Digitalisierung voranbringen. Zusammen sichern diese Lichtquellen in vielen weiteren Bereichen den Innovationsvorsprung für Deutschland.

Professor Helmut Dosch, Koordinator des Helmholtz-Forschungsbereichs Materie und Vorsitzender des DESY-Direktoriums erklärt: „Beschleunigerbasierte Großforschungsanlagen sind unverzichtbar für Forschungsprojekte aus allen wissenschaftlichen Disziplinen. Mit unseren Lichtquellen in Hamburg, Berlin und Dresden erfüllen wir deshalb einen essenziellen gesellschaftlichen Auftrag und sichern Deutschlands internationale Spitzenstellung in diesem dynamischen Zukunftsfeld.“

Damit dies auch künftig so bleibt, müssen schon heute die Anlagen für morgen geplant werden. Deshalb haben die drei Helmholtz-Zentren in Hamburg (DESY), Berlin (HZB) und Dresden (HZDR) gemeinsam eine nationale Strategie zur Weiterentwicklung beschleunigerbasierter Lichtquellen erstellt. Die Forschungszentren verbindet, dass sie ihre Forschungsgroßgeräte im internationalen Wettbewerb erfolgreich betreiben.

Professor Sebastian M. Schmidt, Wissenschaftlicher Vorstand des HZDR, ergänzt: „Genau das zeichnet die Helmholtz-Gemeinschaft aus: Wir haben schon heute die Fragen der Zukunft im Blick. Nur so kann es uns immer wieder gelingen, vorausschauend Forschungsthemen von morgen zu identifizieren und auch die entsprechenden Infrastrukturen zu planen, um wegweisende Lösungen zu entwickeln. Um dies zu erreichen, werben wir nun für breite Unterstützung unserer Strategie.“

Die geplanten Modernisierungen geben der Forschung einen Schub in Richtung Zukunft: Mit den verbesserten Lichtquellenentstehen in Deutschland einzigartige Forschungsmöglichkeiten unter anderem zu Hightech-Materialien sowie in den Feldern Umwelt, Energie, Informationstechnologie, Medizin und Kulturerbe.

Professor Jan Lüning, Wissenschaftlicher Geschäftsführer des HZB, betont: „Unsere Anlagen ergänzen sich optimal. Durch ihre komplementären Ausrichtungen decken sie die von der Wissenschaft benötigten Experimentiertechniken umfassend ab. Die Anlagen garantieren damit, auch zukünftigen Herausforderungen aus Wissenschaft und Industrie gewachsen zu sein und so international eine Spitzenstellung inne zu haben.“

Die geplanten Updates hier kurz skizziert:

Bei DESY in Hamburg soll der Ausbau der bestehenden Lichtquelle PETRA III zu PETRA IV erfolgen. Das dort bereitgestellte Röntgenlicht bildet atomare Strukturen von Materialien unter Live-Prozessbedingungen ab. Leistungsfähigere Batterien, neue medizinische Wirkstoffe gegen Volkskrankheiten oder maßgeschneiderte Materialien für die Quantenelektronik: Mit den dann tiefen Einblicken in den Nanokosmos entstehen wissenschaftliche Fortschritte. Nach Fertigstellung ist DESYs 3D-Röntgenmikroskop weltweit einzigartig.

BESSY III wird die neue Entdeckungsmaschine für die Energie- und Materialforschung. Die weichen Röntgenstrahlen offenbaren ortsaufgelöste Informationen über elektronische Eigenschaften. Sogenannte Operando-Techniken erlauben Echtzeitforschung, die neue Einblicke in die Funktionalität von Materialien ermöglichen. Hightech-Materialien für künstliche Fotosynthese zur Herstellung von grünem Wasserstoff sowie für Quantencomputer werden damit realistisch.

In Dresden entsteht eine neue Forschungsanlage mit zwei supraleitenden Elektronenbeschleunigern: DALI. Diese liefert Terahertz- und Vakuum-Ultraviolett-Strahlung. Mit ihrem Licht sollen Materialien zur ultraschnellen Datenverarbeitung entschlüsselt werden, die zB. die Nachfolger des 5G-Mobilfunkstandards werden können. Auch die Biophysik wird von der neuen Anlage profitieren, denn sie ermöglicht nicht nur die Beobachtung von Stoffwechselprozessen auf der zellulären Ebene, sondern sogar deren gezielte Steuerung.

Als weitere Maßnahme soll der Freie-Elektronen-Laser FLASH2020+ am Standort DESY kontinuierlich modernisiert werden. Mit Abschluss der Umbauphase wird die FLASH-Anlage eine weltweit führende Position im Bereich der Freie-Elektronen-Laser für weiche Röntgenstrahlung sowie Terahertz-Licht haben.

Zur Gesamtstrategie der Helmholtz Photon Science Roadmap zählt außerdem die weitere Beteiligung an dem international betriebenen Röntgenlaser European XFEL.

Drei Zentren, eine Strategie

Eine Zusammenfassung der Nationalen Strategie zur Weiterentwicklung beschleunigerbasierter Lichtquellen bietet die Broschüre „Forschung und Innovation stärken“ (Tablet optimierte PDF auf 16 Seiten, zum Download siehe rechte Spalte).

Die Langfassung der Photon Science Roadmap finden Sie auf der Helmholtz-Seite: 

https://www.helmholtz.de/forschung/materie/

Was ist eine beschleunigerbasierte Lichtquelle (Photonenquelle)?

• Mit beschleunigten Elektronen werden höchstintensive Lichtpulse erzeugt, mit Wellenlängen  von Infrarot bis jenseits des Röntgenbereiches. Mit diesem Licht werden nahezu alle Materialien und Proben untersucht.
• Zu Photonenquellen zählen Speicherringe und Freie-Elektronen-Laser (FEL). Sie unterscheiden sich in Zweck und Aufbau: Speicherringe sind ringförmig und erzeugen kurze Lichtpulse mit hoher Gesamtintensität; FEL sind linear und erzeugen ultra-kurze extrem intensive Laserblitze.
• Diese wichtigen Forschungsinfrastrukturen sind zum Teil kilometerlang.

Gemeinsame Pressemitteilung, HZB in Berlin, HZDR Dresden-Rossendorf und DESY in Hamburg.

Katalysatoren sind der Schlüssel für viele Technologien und Prozesse, die für den Aufbau einer klimaneutralen Wirtschaft benötigt werden. In der Berliner Forschungslandschaft entwickelt sich seit einiger Zeit ein Hotspot der Katalyseforschung. Im Rahmen der Exzellenzinitiative entstanden neue Cluster wie UniSysCat, in denen etablierte Forschungsinstitute ihre Aktivitäten bündeln. Die chemische Industrie ist über das Labor BASCat eingebunden. Ein wichtiges Forschungsfeld ist die Produktion von „grünem“ Wasserstoff: Um Wasserstoff und synthetische Kraftstoffe klimaneutral mit erneuerbaren Energien zu produzieren, werden innovative Katalysatoren benötigt. Das kürzlich gestartete Aufbauprojekt CatLab, das im Rahmen der Wasserstoffstrategie gefördert wird, verfolgt völlig neue Ansätze, die auf Dünnschichttechnologien basieren und echte Innovationssprünge versprechen.

IRIS-Labore für Katalyseforschung ausgestattet

Um das große Potenzial der Berliner Katalyseforschung weiter zu forcieren, haben nun die Humboldt-Universität zu Berlin und das HZB eine weitere Kooperationsvereinbarung geschlossen. Damit soll ein Teil der IRIS-Labore zusätzlich für die Entwicklung und Untersuchung heterogener Katalysatorsysteme ertüchtigt werden. IRIS Adlershof steht für Integrative Research Institute for the Sciences. Mit ca. 4.500 Quadratmeter hochmoderner Labor-, Büro- und Kommunikationsflächen bietet der IRIS-Forschungsbau optimale Bedingungen für die Erforschung und Entwicklung von komplexen Materialsystemen z.B. für Elektronik, Optoelektronik und Photonik. Ein Großraumlabor ist für die Installation von Laborreaktoren vorgesehen, um die katalytische Aktivität und Selektivität der Materialsysteme zu bestimmen. Um Katalysatoren in Aktion zu untersuchen, werden im schwingungsstabilisierten Kellergeschoss Elektronenmikroskope aufgestellt. Dazu kommen weitere in-operando Untersuchungsmethoden wie Röntgenbeugung, Photoelektronen-, Raman- und UV-Vis-Spektroskopie, die durch die high-end Analysemöglichkeiten der benachbarten Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II des HZB komplettiert werden. Neben der Zusammenarbeit in der Entwicklung und Verwendung analytischer Methoden ist auch eine enge Zusammenarbeit im Bereich Dünnschichttechnologie, unter der Verwendung von additiven Fertigungsverfahren und Nanostrukturierungs- und Synthesemethoden, geplant.

Innovationen durch interdisziplinäre Zusammenarbeit

Im IRIS-Forschungsbau arbeiten Fachleute unterschiedlicher Disziplinen eng in einem großen Verbundlabor zusammen. Davonerhoffen sich die Partner Innovationsschübe: Physik und Chemie sowie Experiment und Theorie nähern sich einem Problem von jeweils unterschiedlichen Seiten. So bildet ein tiefes physikalisch-chemisches Verständnis von komplexen Grenzflächen eine exzellente Basis für die Entwicklung von Energiematerialien. Die Anordnung der Labore und Büros sowie die großzügigen Kommunikationsflächen schaffen beste Voraussetzungen, damit die unterschiedlichen Disziplinen sich austauschen und voneinander lernen können.

Kooperationsvereinbarung ist auch juristisch innovativ

Die Kooperation zwischen der HU und dem HZB zum Katalyse-Forschungslabor wird aufgrund der aktuellen Änderung des Berliner Hochschulgesetzes zur Zusammenarbeit wissenschaftlicher Einrichtungen erstmalig auf einer öffentlich-rechtlichen Grundlage gestaltet. Dies soll die Kooperation erleichtern. Das Verfahren zur Erfassung, Bewertung und Dokumentation der beiderseitigen Kooperationsbeiträge ist einfacher und weniger bürokratisch. So können sich die Forschenden auf ihre Kernaufgabe – die Forschung – konzentrieren.

Im Energiesystem der Zukunft nimmt grüner Wasserstoff eine Schlüsselfunktion ein. Wasserstoff-basierte chemische Energieträger werden als Langzeitspeicher im Energiesystem benötigt und sind entscheidend für die klimaneutrale Gestaltung industrieller Prozesse. Die Nationale Wasserstoffstrategie der Bundesregierung benennt klar den großen Bedarf an Forschung. Sie ist die Basis für Durchbrüche und Innovationssprünge. Das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und die beiden Max-Planck-Institute, Fritz-Haber-Institut (FHI) und Institut für Chemische Energiekonversion (CEC), bündeln hierfür ihre Kompetenzen und bauen in Berlin gemeinsam die Forschungsplattform CatLab auf. CatLab soll eine Brücke zwischen Grundlagenforschung und Industrie schlagen und wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit mehr als 50 Millionen Euro gefördert. Insgesamt umfasst das fünfjährige Aufbauprojekt rund 100 Millionen Euro.

Katalysatoren sind der Schlüssel für viele Technologien und Prozesse, die für den Aufbau einer klimaneutralen Wirtschaft benötigt werden. Um mit erneuerbaren Energien Wasserstoff und synthetische Kraftstoffe in einem geschlossen CO2 Kreislauf zu produzieren, werden neue innovative katalytische Prozesse benötigt. Konventionelle Katalysatoren bestehen meist aus komplexen Materialkombinationen in Pulverform in einem Reaktor. In CatLab stehen völlig neue Ansätze im Fokus der Forschung, die Innovationssprünge versprechen. Denn Katalysatoren basierend auf maßgeschneiderten funktionellen Dünnschichten können zielgerichtet an die benötigten Prozesse angepasst werden und konventionelle Reaktionsprozesse revolutionieren.

Das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat große Expertise in der Synthese und Charakterisierung von dünnen Schichten und Materialsystemen. Das Fritz-Haber-Institut (FHI) sowie das Institut für chemische Energiekonversion (CEC) der Max-Planck-Gesellschaft bringen ihre Kompetenzen in der Katalyseforschung ein. Synthese- und Analysemethoden sollen mit neuen Verfahren zur automatischen Auswertung (Maschinelles Lernen) gekoppelt werden, um mittels „digitaler Katalyse“ ein rationales Materialdesign für maßgeschneiderte Katalysatoren zu beschleunigen.

Das Projekt startet mit einer fünfjährigen Aufbauphase. CatLab wird neben signifikanten Eigenbeiträgen der Partner im Rahmen der Nationalen Wasserstoffstrategie durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit rund 51 Mio. Euro gefördert.

Bundesforschungsministerin Anja Karliczek wünscht dem Projekt viel Erfolg und betont: „Grüner Wasserstoff ist eine Jahrhundertchance für den Industriestandort Deutschland und den Klimaschutz weltweit. Um die nachhaltige Wasserstoffwirtschaft zum Erfolg zu führen, brauchen wir Innovationssprünge. CatLab ist hierfür hervorragend aufgestellt. Mit der wegweisenden Zusammenarbeit von MPG und HZB, der Einbettung in die Berliner Forschungslandschaft und der Beteiligung von Unternehmen bündelt CatLab Spitzenkompetenzen entlang der gesamten Innovationskette.“

Michael Müller, der Regierende Bürgermeister von Berlin und Wissenschaftssenator sieht den Wissenschaftsstandort Berlin gestärkt: „Die Bundesförderung für das CatLab Projekt unterstreicht das große Potenzial der Berliner Katalyseforschung und die hohe Innovationskraft, die von unseren Forschungsinstituten für die Entwicklung grüner Wasserstofftechnologie ausgeht. Das CatLab passt hervorragend in die Berliner Wissenschaftslandschaft und zum Technologiepark Adlershof – durch die enge Zusammenarbeit zwischen Forschung und Industrie können neue Ideen zur Katalyse schneller auf ihr Anwendungspotenzial überprüft werden und so Innovationen anstoßen.“

„Mit CatLab werden wir einen neuen Forschungsschwerpunkt in der Katalyse in unmittelbarer Nachbarschaft zur Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II in Adlershof etablieren. Dort stehen modernste Synthese- und Analysemethoden bereit, um chemische und physikalische Abläufe während der katalytischen Prozesse in atomarer Auflösung und in Echtzeit zu analysieren“, sagt Prof. Dr. Bernd Rech, wissenschaftlicher Geschäftsführer am HZB.

Prof. Dr. Robert Schlögl, Direktor am FHI und CEC hebt hervor: „Wir haben bereits in den letzten Jahren eine einzigartige operando-Messinfrastruktur an BESSY II aufgebaut und ergänzen uns hier perfekt. Damit konnten wir ein neues Funktionsmodell von Katalysatoren gewinnen, das mittels der Dünnschichttechnologie optimiert werden kann. Nun werden wir diese Aktivitäten unter dem Dach des CatLab durch eine einzigartige Symbiose von Synthese und operando-Analyse weiterentwickeln und ausbauen.“

Auch die chemische Industrie ist von Anfang an mit eingebunden. Die BASF beteiligt sich am Aufbau sowie an der Auswahl und Skalierung der Prozesse und Entwicklung der Reaktoren. Außerdem gibt es Kooperationen mit der Humboldt-Universität, dem Exzellenzcluster UniSysCat und dem Labor BasCat, welches die TU Berlin zusammen mit der BASF betreibt. Über diese Kooperationen können weitere Partner integriert werden. CatLab hat somit das Potenzial, mit einer großen Berliner Allianz aus universitären und außeruniversitären Forschungseinrichtungen die Weltspitze der Katalyse- und Wasserstoff-Forschung zu erreichen.

Eine klimaneutrale Energieversorgung, die auf Solar- und Windenergie setzt, muss mit effizienten Energiespeicherlösungen kombiniert werden. Die Materialklasse der MXene, die erst 2011 entdeckt wurde, besitzt besonders interessante Eigenschaften. MXene könnten sehr schnell große Mengen elektrischer Energie speichern und damit künftig neben klassischen Elektrobatterien (langsam beim Laden und Entladen) und Superkondensatoren (schnell, wenig Energie) eine Rolle bei der Energiespeicherung spielen.

Speicherlösungen für die Energiewende

„Die Eigenschaften der MXene sind nicht nur wissenschaftlich äußerst spannend, sondern versprechen auch einen Beitrag zur Bewältigung der Energiewende. Ich freue mich sehr, dass ich mit dem ERC-Starting Grant die Möglichkeit habe, ihre Funktionsweise zu verstehen und diese Materialien weiterzuentwickeln“, sagt Tristan Petit.

Dabei konzentriert er sich auf MXene, die aus zweidimensionalen Flocken aus Metallkarbid und Nitrid bestehen. Sie lassen sich wie Blätterteig übereinander stapeln. Zwischen den Schichten finden elektrochemische Reaktionen statt. Welche das sind und wie diese Reaktionen genau ablaufen, will Petit nun in seinem geförderten Projekt NANOMXM („Nanoscale Chemical Imaging of MXene Electrochemical Storage by Operando Scanning X-ray Microscopy) herausfinden.

Analysen an BESSY II

„Das weiche Röntgenlicht von BESSY II eignet sich besonders gut dazu, um photo- und elektrochemischen Prozesse in Nanomaterialien zu untersuchen. Wir entwickeln die Messinstrumente und Methoden dafür stetig weiter“, erklärt Petit.

An BESSY II will er die Prozesse an den Grenzflächen zwischen den MXene-Flocken und einem flüssigen Elektrolyten in realitätsnaher Umgebung (in-Situ) und während des Betriebs (in-Operando) analysieren. Neben vielfältigen Methoden der Röntgenspektroskopie wird er insbesondere die Raster-Transmissions-Röntgenmikroskopie (STXM) einsetzen. Dafür wird Petit eine elektrochemische Zelle entwickeln, anhand deren sich die MXene Eigenschaften untersuchen lassen.

„Wir gratulieren Tristan Petit herzlich zu seinem Forschungsvorhaben, das sich hervorragend an BESSY II durchführen lässt und sich perfekt in unsere Energieforschung integriert. Wenn es im Lauf des Projekts gelingt, elektrochemische Reaktionen in den MXenen abzubilden und dieses Verständnis für die Weiterentwicklung der Materialien zu nutzen, ist dies ein großer Fortschritt“, sagt Prof. Dr. Bernd Rech, wissenschaftlicher Geschäftsführer des HZB.

Zur Person

Tristan Petit studierte unter anderem an der ETH Zürich und promovierte an der Ecole Normale Supérieure de Cachan in der Nähe von Paris. Nach Forschungsaufenthalten an der ETH Zürich und der CEA kam er 2013 mit einer Humboldt-Fellowship an das HZB. 2015 erhielt er eine Freigeist-Förderung der Volkswagen-Stiftung und baute eine eigene Nachwuchsforschergruppe zu kohlenstoffbasierten Nanomaterialien am HZB auf. Gemeinsam mit seinem Team entwickelte er die Idee für das EU-Projekt NANOMXM und führte auch erste Experimente zu MXenen durch.

Weitere Informationen:

Dieses Projekt wird durch den European Research Council (ERC) im Rahmen des Horizont 2020 Programms gefördert (No 947852).

Resultate aus der Gruppe Petit zu MXenen: Schnell und stark: Neue 2D-Materialien mit Talent zur Energiespeicherung"