(Helmholtz) – Sie gelten als hochinteressante Materialien für die Elektronik der Zukunft: Topologische Isolatoren leiten Strom auf eine besondere Weise und versprechen neuartige Schaltkreise und einen schnelleren Mobilfunk. Ein Forschungsteam aus Deutschland, Spanien und Russland hat nun unter Federführung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) eine grundlegende Eigenschaft der neuen Werkstoffklasse enträtselt: Wie im Detail reagieren die Elektronen im Material, wenn sie mit kurzen Pulsen sogenannter Terahertz-Strahlung „aufgeschreckt“ werden? Die Resultate sind nicht nur für das fundamentale Verständnis dieser neuartigen Quantenmaterialien wichtig, sondern könnten künftig für eine schnellere mobile Datenkommunikation sorgen oder in hochempfindlichen Detektorsystemen für die Erkundung ferner Welten eingesetzt werden, wie das Team im Fachjournal NPJ Quantum Materials (DOI: 10.1038/s41535-021-00384-9) berichtet.

Topologische Isolatoren sind eine noch junge Materialklasse mit einer besonderen Quanteneigenschaft: An ihrer Oberfläche können sie Strom nahezu verlustfrei leiten, wogegen ihr Inneres als Isolator fungiert – hier kann keinerlei Strom fließen. Für die Zukunft verspricht das interessante Perspektiven: Topologische Isolatoren könnten als Grundlage für hocheffiziente elektronische Bauteile dienen, was sie zu einem interessanten Forschungsfeld in der Physik macht.

Noch aber sind einige grundlegende Fragen offen: Was zum Beispiel geschieht, wenn man die Elektronen im Material mit bestimmten elektromagnetischen Wellen – sogenannter Terahertz-Strahlung – „anschubst“ und dadurch energetisch anregt? Klar ist: Die Elektronen wollen den zwangsweise verpassten Energieschub möglichst rasch wieder loswerden, etwa indem sie das Kristallgitter um sich herum erwärmen. Doch bei den topologischen Isolatoren war bislang fraglich, ob dieses Loswerden der Energie in der leitenden Oberfläche schneller passiert als im isolierenden Kern. „Um das festzustellen, mangelte es bisher an geeigneten Experimenten“, erklärt Studienleiter Dr. Sergey Kovalev vom Institut für Strahlenphysik am HZDR. „Bislang war es extrem schwierig, bei Raumtemperatur zwischen der Reaktion der Oberfläche und der des Materialinneren zu unterscheiden.“

Um diese Hürde zu überwinden, entwickelte er gemeinsam mit einem internationalen Team einen raffinierten Versuchsaufbau: Intensive Terahertz-Pulse treffen auf die Probe und regen die Elektronen an. Unmittelbar darauf beleuchten Laserblitze das Material und erfassen, wie die Probe auf den Terahertz-Reiz reagiert. In einer zweiten Versuchsreihe messen spezielle Detektoren, inwieweit die Probe einen ungewöhnlichen nichtlinearen Effekt zeigt und die eintreffenden Terahertz-Pulse in ihrer Frequenz vervielfacht. Diese Experimente führte Kovalev an der Terahertz-Lichtquelle TELBE im ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen des HZDR durch. Daran beteiligt waren Forscher*innen des Katalanischen Instituts für Nanowissenschaften und Nanotechnologie in Barcelona, der Universität Bielefeld, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), der TU Berlin sowie der Lomonossov-Universität und dem Kotelnikov-Institut für Funktechnik und Elektronik in Moskau.

Rasanter Energieübertrag

Entscheidend war dabei, dass das Team nicht nur ein einziges Material unter die Lupe nahm. Stattdessen stellten die russischen Projektpartner drei verschiedene topologische Isolatoren mit unterschiedlichen, genau abgestimmten Eigenschaften her: In einem konnten nur die Elektronen an der Oberfläche die Energie der Terahertz-Pulse direkt aufnehmen, in den anderen wurden hauptsächlich Elektronen im Probeninneren angeregt. „Der Abgleich dieser drei Experimente erlaubte es, präzise zwischen dem Verhalten der Oberfläche und der des Materialinneren zu unterscheiden“, erklärt Kovalev. „Und zwar haben sich die Elektronen in der Oberfläche deutlich schneller abgeregt als die im Inneren des Materials.“ Offenbar waren sie in der Lage, ihre Energie unverzüglich auf das Kristallgitter des Materials zu übertragen.

In Zahlen: Waren die Oberflächen-Elektronen nach wenigen hundert Femtosekunden in ihren ursprünglichen energetischen Zustand zurückgekehrt, dauerte dies bei den „inneren“ Elektronen rund zehnmal so lange, also einige Pikosekunden. „Topologische Isolatoren sind hochkomplexe Systeme, sie sind theoretisch alles andere als einfach zu verstehen“, betont Michael Gensch, ehemals Leiter der TELBE-Anlage am HZDR und nun Abteilungsleiter am Institut für Optische Sensorsysteme des DLR sowie Professor an der TU Berlin. „Unsere Resultate können bei der Entscheidung helfen, welche der theoretischen Ideen zutreffend sind.“

Hocheffektive Multiplikation

Doch das Experiment verspricht auch interessante Perspektiven für die digitale Kommunikation, etwa für WLAN und Mobilfunk. Technologien wie 5G arbeiten heute im Gigahertz-Bereich. Ließen sich höhere Frequenzen im Terahertz-Bereich nutzen, könnte man deutlich mehr Daten über einen Funkkanal übertragen. Eine wichtige Rolle könnten dabei sogenannte Frequenzvervielfacher spielen: Sie sind in der Lage, relativ niedrige Funkfrequenzen in deutlich höhere zu übersetzen.

Vor einiger Zeit hatte das Forschungsteam erkannt, dass Graphen – zweidimensionaler, superdünner Kohlenstoff – unter bestimmten Bedingungen als effizienter Frequenzvervielfacher dienen kann. Es vermag eine 300-Gigahertz-Strahlung in Frequenzen von einigen Terahertz zu konvertieren. Das Problem: Ist die eintreffende Strahlung extrem intensiv, verliert Graphen stark an Effizienz. Topologische Isolatoren dagegen funktionieren selbst noch bei intensivster Anregung, so das Resultat der neuen Studie. „Damit könnte es möglich sein, Frequenzen von einigen Terahertz auf mehrere Dutzend Terahertz zu multiplizieren“, glaubt HZDR-Physiker Dr. Jan-Christoph Deinert, der das TELBE-Team gemeinsam mit Kovalev leitet. „Bisher sehen wir da bei den topologischen Isolatoren noch kein Ende.“

Damit könnten die neuen Quantenmaterialien in einem deutlich breiteren Frequenzbereich eingesetzt werden als etwa Graphen. „Am DLR haben wir ein großes Interesse daran, solche Quantenmaterialien in leistungsfähigen Heterodyn-Empfängern für die Astronomie, insbesondere in Weltraumteleskopen, einzusetzen“, erläutert Gensch.

(pte) – Mit einem neuartigen Katalysator wird die reversible Brennstoffzelle noch effektiver als bisher. Forschern an der Washington University in St. Louis ersetzten dazu das oft genutzte Platin durch ein Komposit aus Platin und einer Bleiruthenat-Verbindung. Damit ließen sich die beiden Funktionen deutlich beschleunigen, sagen Kritika Sharma, Doktorandin der Ingenieurwissenschaften, und ihre Kollegen, die den neuen Katalysator entwickelt haben.

Effektive Umkehrbarkeit

Wie ihr Name schon andeutet, können reversible Brennstoffzellen ihre Funktionalität umkehren. Im Brennstoffzellen-Modus produzieren sie aus Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie, Wärme und Wasser. Wenn man aber quasi einen Schalter umlegt und das Gerät mit überschüssigem Strom aus einer anderen Quelle versorgt, arbeitet es als Elektrolyseur. Das heißt, es spaltet Wasser in Wasser- und Sauerstoff auf, um so Energie zu speichern. Wie gut diese funktionelle Umkehrbarkeit ist, hängt dabei eben davon ab, ob der Katalysator an der Sauerstoff-Elektrode auch wirklich beide Aufgaben effektiv erfüllen kann.

Als Maß eben dafür nutzen die Forscher einen „Bifunktionalitätsindex“. „Wir wollen, dass dieser niedrig ist. Im Idealfall null“, erklärt Sharma. In der Praxis ist das zwar nicht zu schaffen. Doch der neue Katalysator, der neben Platin und Blei unter anderem auch Ruthenium und Sauerstoff enthält, drückt den Index immerhin auf 0,56 Volt. Das sei dem Team zufolge sehr niedrig im Vergleich zu den bekannten Werten anderen Katalysatoren. Für einen Zyklus aus Hin- und Rückwandlung erreicht die reversible Brennstoffzelle des Teams somit eine Energieeffizienz von 75 Prozent, den Forschern zufolge ein Rekordwert.

Weltraum-Technologie

An derartigen reversiblen Brennstoffzellen wird beispielsweise auch im Forschungszentrum Jülich, bei Sunfire und im südkoreanischen Forschungszentrum KIST gearbeitet. Denn sie sind beispielsweise für die Raumfahrt interessant, wo es Platz und Gewicht spart, wenn ein Gerät zwei Aufgaben erfüllt. Dort dient Strom aus Solarzellen dazu, Wasser aufzuspalten. Der Sauer- und Wasserstoff werden dabei eingefangen, um damit Strom zu erzeugen, wenn die Solarmodule zu wenig liefern. Doch auch für Drohnen oder U-Booten können reversible Brennstoffzellen gute Dienste leisten.

(pte) – Fast Charging, also das schnelle Aufladen von Akkus, beispielsweise an Ladestationen für E-Autos, wirkt sich negativ auf die Batterien aus, sagt David Wragg vom Zentrum für Materialwissenschaften und Nanotechnologie der Universität Oslo. Je öfter eine Lithium-Ionen-Batterie schnell aufgeladen werde, desto schneller verliere sie auch an Kapazität. Folglich sinke die Reichweite voller Akkus teils dramatisch.

Gehetzte Ionen

Den Grund für dieses Phänomen sieht der Experte darin, dass sich Lithium-Ionen bei ihrer Wanderung zwischen Anode und Kathode teilweise in Lithium-Metall verwandeln, das nicht mehr zur Speicherfähigkeit der Batterie beiträgt. Je schneller geladen wird, desto schneller werden die Ionen durch den Speicher gehetzt, was die Rückführung zu metallischem Lithium begünstigt, so Wragg.

„Wenn man mit doppelter Geschwindigkeit lädt, muss man die gleiche Menge an Ionen und Elektronen in der Hälfte der Zeit bewegen. Wenn man vier- oder sechsmal so schnell lädt, sind die negativen Folgen natürlich noch größer“, beschreibt Wragg das Problem. Die Anoden, die beim Laden Ionen aufnehmen, bestehen aus Graphit, das aus dünnen Kohlenstoffschichten besteht. Die Anode besteht aus mehreren Millionen solcher Schichten. Beim Laden der Batterie werden die Lithium-Ionen in das Graphit gedrückt. Ist der Ladestrom hoch, müssen die Ionen also schneller als üblich einen Platz finden, was laut dem Experten zu Engpässen führt.

Röntgen-Scans

„Wenn die Ionen, die sich bereits zwischen den Schichten befinden, nicht tiefer in den Stapel eindringen können, gibt es keinen Platz für neue Ionen“, unterstreicht der Wissenschaftler. Sie kumulierten an der Oberfläche. Genau dort würden die geladenen Ionen zu neutralen Atomen und bildeten winzige Metallklumpen. Diese Umwandlung war bereits seit einiger Zeit vermutet worden, bewiesen war der Vorgang nicht. Mit einem Röntgen-Scanner machte Wragg mit seinem Team den Vorgang jetzt sichtbar.

Die Forscher haben eine Batterie während des Ladevorgangs alle 25 Millisekunden lang durchleuchtet. Auf den Bildern konnten die Experten dann den Aufbau der Metallionen beobachten, der umso schneller voranschritt, je größer der Ladestrom war. Wragg glaubt aber nicht, dass mit seiner Entdeckung das Ende des Schnellladens gekommen ist. „Wir müssen bessere Anoden bauen“, sagt er. Möglicherweise funktioniere es optimaler mit Graphen oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen, also aufgewickeltem Graphen.

(Fraunhofer) – Wärme macht in Deutschland 55% des Endenergieverbrauchs aus! Um das Ziel der Klimaneutralität bis 2050 zu erreichen, ist es dringend geboten, die Verwendung fossiler Brennstoffe zur Deckung dieses Bedarfs weitgehend zu vermeiden und stattdessen auf den Energielieferanten Nr. 1 zurückzugreifen: die Sonne. Dünnschichtsysteme für Photovoltaik und Solarthermie tragen dazu bei, ein breites Spektrum der solaren Strahlung sowohl für die Stromerzeugung als auch in Form von Wärme einzusammeln. Mit den vom Fraunhofer- Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP entwickelten Vakuumtechnologien können Schichten und Schichtsysteme rund um die Nutzung solarer Energie und die Speicherung von Wärme im industriellen Maßstab abgeschieden werden und einen Beitrag zur verstärkten Nutzung dieser wichtigen Energiequelle leisten.

Die Strahlungsenergie, die die Erde von der Sonne innerhalb von 90 Minuten empfängt, entspricht etwa dem Weltenergieverbrauch eines ganzen Jahres. (Quelle: AEE).

Zur effektiven Absorption der solaren Einstrahlung sind, gleich ob für die Photovoltaik oder für die Solarthermie, speziell entworfene und optimierte Schichtsysteme erforderlich. Dazu gehören im Bereich der Photovoltaik unter anderem Halbleiterschichten und Elektrodenschichten. Für die Solarthermie werden Absorberschichten mit hoher Absorption im sichtbaren und UV- und geringer Emission im infraroten Spektralbereich (IR) benötigt, um Verluste durch Wärmeabstrahlung gering zu halten.

Effektive Solarabsorber dank optimierter Schichtsysteme

Um solch eine optische Funktion zu realisieren, muss ein Schichtsystem aus mehreren Einzellagen erzeugt werden, deren Dicken sehr präzise abgestimmt und die reproduzierbar auf Absorberrohren von Solarröhrenkollektoren – dem Kollektortyp mit den geringsten Wärmeverlusten – abgeschieden werden. Das Absorberrohr befindet sich in einem evakuierten Hüllrohr, sodass das Schichtsystem vor Verschmutzung und etwaiger Degradation durch Luftbestandteile geschützt ist. Dennoch muss das Schichtsystem dauerhaft hohe Temperaturen aushalten, die das Absorberrohr annimmt, und auch bei zyklischer Temperaturbelastung langzeitstabil sein. Je höher die Temperatur im Wärmekreislauf, desto besser und vielfältiger kann sie genutzt werden, sei es direkt als Prozesswärme oder um bei hoher Temperatur Wärmespeicher aufzuladen.

Auch zur Entwicklung effizienterer Speichersysteme liefern Beschichtungen ihren Beitrag. Um die durch Photovoltaik absorbierte und bereit gestellte Energie zeitlich variabel nutzbar zu machen, wird aktuell umfangreich zu elektrischen Energiespeichern geforscht, die den zeitlichen Versatz zwischen Stromerzeugung und Stromverbrauch ausgleichen sollen.

Neue Beschichtungsprozesse für Speicherkonzepte mit Zeolith-Granulat

Für den Bereich Wärme übernimmt diese Funktion in vielen Wärmekreisen ein Wasserspeicher. Aber auch hier wird an besseren Speicherkonzepten gearbeitet, die eine höhere Speicherkapazität als Wasser haben und die platzsparender und

verlustärmer gestaltet werden können. Darunter fallen zum Beispiel Adsorptionswärmespeicher, bei denen nanoporösem Zeolith-Granulat unter Zufuhr der zu speichernden Wärme Wasser ausgetrieben wird. Das entspricht dann der Beladung des Speichers mit Energie.

„Wenn das Speichermaterial mit wasserdampfbeladener Luft durchströmt wird, adsorbiert es Wasser und setzt dabei Wärme frei, die in Heizkreisen genutzt werden kann“, erläutert Dr. Heidrun Klostermann, Wissenschaftlerin am Fraunhofer FEP. „Damit das funktioniert, muss aber auch der Wärmeaustausch mit dem Speichermaterial effizient gestaltet werden, welches selbst keine gute Wärmeleitung aufweist. Das können Aluminium-Schichten bewerkstelligen, mit denen das Material umhüllt wird. Sie gewährleisten einen guten Wärmetransport und effizienten Wärmeübergang am Wärmetauscher.“ Neben der Ad- und Desorptionsdynamik des Speichermaterials ist dies ein wesentlicher Aspekt der Leistungsfähigkeit eines Speichersystems und von großem Einfluss auf dessen maximale sowie die durchschnittliche spezifische Wärmeleistung.

Das granulare Speichermaterial Zeolith wird im Vakuum als Schüttgut mit Aluminium bedampft. Der Anspruch guter Wärmeleitung setzt eine gleichmäßige, ausreichend dicke Schicht voraus. Die Forschenden am Fraunhofer FEP experimentieren mit Schichten von mehr als 20 Mikrometern Dicke. Diese werden mit einer Technologie realisiert, die sonst zur Folienbeschichtung genutzt wird. Schüttungen eines hochporösen Materials auf diese Weise gleichmäßig mit dicken Schichten zu versehen, ist daher eine große Herausforderung und die bisherigen Entwicklungen des Fraunhofer FEP sind durchaus einzigartig.

Der Prozess muss so gestaltet werden, dass die Schichten den Stoffaustausch zwischen Umgebung und Speichermaterial nicht behindern, das Material muss schließlich weiterhin Wasser aufnehmen und abgeben können, damit das Speicherprinzip funktioniert. Dass dieser Stofftransport durch die Schicht nicht behindert wird, zeigen vergleichende Adsorptionskurven von beschichtetem und unbeschichtetem Material.

Höhere Speicherdichten, kleinere Speichervolumina – Entwicklungen für Morgen

Insbesondere Entwickler neuartiger Speichermaterialien mit Fokussierung auf die Maximierung der Speicherkapazität sind an den innovativen Schichtentwicklungen des Fraunhofer FEP interessiert. Solche neuen Speichermaterialen sind vor allem Hybridmaterialien, die noch nicht großtechnisch gefertigt werden, wie das bei den Zeolithen der Fall ist. In der Regel werden sie nur in kleinen Mengen hergestellt und liegen in Pulverform vor. Am Fraunhofer FEP besteht damit künftig die Herausforderung, auch diese neuen Materialien in der Metallisierungsanlage zu behandeln. Speicherhersteller hoffen ebenfalls auf diese neuen Materialklassen, mit denen die genannten Vorteile gegenüber den etablierten Wasserspeichern ein noch stärkeres Gewicht erhielten: höhere Speicherdichte, kleinere Speichervolumina.

Interesse regt sich auch in einem weiteren Anwendungsfeld: bei der Kühlung mit Adsorptionskältemaschinen. Diese werden künftig, sei es stationär in Kombination mit solarer Wärme oder im Fahrzeugbau unter Nutzung von Abwärme aus Brennstoffzellenantrieben, einen Teil der derzeit beherrschenden Kompressionskältemaschinen ersetzen. Damit wird der Verbrauch konventionell erzeugter elektrischer Energie und fossiler Brennstoffe reduziert.

Die Wissenschaftler am Fraunhofer FEP stehen bereit, um für diese spannenden Anwendungsfelder Schichten an Einsatzgebiet und Nutzungsbedingungen anzupassen und zu optimieren.