(pte) – Forscher der Polnischen Akademie der Wissenschaften haben mit Kollegen des Eidgenössischen Insituts für Materialwissenschaften und Technologie und der Universität Zürich ein neues Modell der thermodynamischen und Elektronenprozesse entwickelt, die in Magnesium beim Kontakt mit Wasserstoffatomen ablaufen. Magnesiumhydrid gilt seit Jahrzehnten als aussichtsreicher Kandidat zur Speicherung von gasförmigem Wasserstoff bei normalem Luftdruck und Umgebungstemperatur. Doch die Menge pro Volumeneinheit reichte bei weitem nicht, um das Verfahren im Vergleich zur Speicherung unter hohem Druck oder in flüssiger Form bei einer Temperatur von minus 253 Grad Celsius konkurrenzfähig zu machen.

Zweierpack ist zu trennen

Wasserstoff kann von Magnesiumhydrid nur aufgenommen werden, wenn er atomar vorliegt. Normalerweise handelt es sich jedoch um ein Zweierpack, das mithilfe eines Katalysators getrennt werden muss. Das gelingt bisher nicht so wirksam, dass sich das Speichern lohnt. Die Forscher konnten nun aber zeigen, dass der Grund für das langjährige Scheitern in einem unvollständigen Verständnis der Phänomene liegt, die bei der Wasserstoffinjektion im Magnesium auftreten.

Das Modell sagt voraus, dass sich bei der Wanderung von Wasserstoffatomen lokale, thermodynamisch stabile Magnesiumhydrid-Cluster im Material bilden. An den Grenzen zwischen dem metallischen Magnesium und seinem Hydrid kommt es dann zu Veränderungen in der elektronischen Struktur des Materials, die maßgeblich zur Verringerung der Beweglichkeit von Wasserstoff-Ionen beitragen. Sie gelangen also nicht schnell genug in den Speicher hinein und können nicht alle freien Speicherplätze besetzen.

Katalysator gezielt möglich

Mit diesem Know-how glauben die Forscher, gezielt einen Katalysator entwickeln zu können, der diese Wasserstoffbremse löst. Theoretisch ist Magnesiumhydrid den anderen Speichermöglichkeiten weit überlegen. Es kann pro Volumeneinheit 50 Prozent mehr Wasserstoff aufnehmen als Kryospeicher, in denen das Gas in flüssiger Form vorliegt, und sogar mehr als doppelt so viel wie ein Drucktank. Zudem ist die Speicherung in Hydrid absolut sicher, wie es heißt. Es kann somit keine Brände und erst recht keine Explosionen geben.

(KIT) – Weltweit arbeiten Forschung und Industrie an der Kommerzialisierung der Perowskit-Photovoltaik. In den meisten Forschungslaboren stehen lösungsmittelbasierte Herstellungsverfahren im Fokus, da diese vielseitig und einfach anzuwenden sind. Etablierte Photovoltaikfirmen setzen heute jedoch fast ausschließlich auf Vakuumverfahren zur Abscheidung von hochqualitativen Dünnschichten. Ein internationales Konsortium unter der Leitung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des U.S. Department of Energy’s National Renewable Energy Laboratory (NREL, USA) hat diese kritische Diskrepanz zwischen Labor und Industrie analysiert. Sie heben hervor: Industriell erprobte Vakuumverfahren könnten mit gewissen Verbesserungen zur schnellen Kommerzialisierung bei den Perowskit-Solarzellen beitragen.

Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen haben in den vergangenen zehn Jahren eine rasante Entwicklung durchlaufen: In der Forschung konnten Wirkungsgrade von mehr als 33 Prozent erreicht werden. Damit liegen sie bereits heute über den herkömmlichen siliziumbasierten Solarzellen. Die Marktreife steht allerdings noch aus. Eine der Hürden ist die ungeklärte Frage, mit welchem Verfahren sich Perowskit-Solarzellen als Massenprodukt am besten herstellen lassen. Dabei stehen lösungsmittelbasierte Herstellungsverfahren, die in den Laboren weltweit angewandt werden, Dampfphasenabscheidungsverfahren im Vakuum gegenüber, die auch heute noch Standard in der Herstellung von Dünnschichten in der Photovoltaik oder bei der Produktion organischer Leuchtdioden (OLEDs) sind.

In einer aktuellen Vergleichsstudie zeigte ein internationales Konsortium aus akademischen und industriellen Partnern unter der Leitung des NREL und des KIT große Unterschiede in der wissenschaftlichen Auseinandersetzung mit diesen Produktionsverfahren auf. Tenure-Track-Professor Ulrich W. Paetzold vom Institut für Mikrostrukturtechnik sowie vom Lichttechnischen Institut des KIT erklärt: „98 Prozent aller wissenschaftlichen Studien im Jahr 2022 wurden zu lösungsmittelbasierten Verfahren publiziert. Vakuumbasierte Verfahren, die sich seit Jahrzehnten in der Industrie bewährt haben und eine Kommerzialisierung der Solarzellen entscheidend voranbringen könnten, werden stiefmütterlich behandelt.“

Zur Erläuterung: Bei der lösungsmittelbasierten Herstellung werden Tinten genutzt, in denen organische und anorganische Salze in einem Lösungsmittel gelöst werden. Diese Tinten können dann über verschiedene Drucktechniken auf der Oberfläche eines Substrats abgeschieden werden. Im Gegensatz dazu verwendet die vakuumbasierte Herstellung trockene und lösungsmittelfreie Verfahren. Dabei werden die Materialien in einem Vakuum unter Zufuhr von Wärme sublimiert, das heißt vom festen in den gasförmigen Aggregatszustand überführt und auf der Substratoberfläche kondensiert. Prinzipiell ist es auch möglich, beide Verfahren für die Herstellung von Perowskit-Solarzellen zu kombinieren.

Laborwirkungsgrade und Durchsatz sind nicht alles, wenn es um die Massenproduktion geht

In der Studie analysierten die Autorinnen und Autoren die Vor- und Nachteile beider Methoden. Die bisherige Dominanz der lösungsmittelbasierten Herstellung in der Forschung liegt demnach in der unkomplizierten Handhabung in Laboren, der sehr guten Ergebnisse im Hinblick auf den Wirkungsgrad unter Laborbedingungen und ihren geringen Kosten begründet. Dazu kommt die mögliche skalierbare Rolle-zu-Rolle-Fertigung, also die Endlosabscheidung zwischen zwei Rollen, ähnlich des Zeitungsdrucks.

Das vakuumbasierte Produktionsverfahren verursacht im Vergleich dazu etwas höhere Investitionskosten und liegt aktuell – legt man die in der Forschung angewandten Verfahren zugrunde – hinsichtlich der Abscheidungsgeschwindigkeit, das heißt dem Produktionsdurchsatz, noch im Hintertreffen. Die Autorinnen und Autoren zeigen jedoch eine Vielzahl von Lösungsansätzen auf und schätzen ab, dass es unter Berücksichtigung von realen Parametern wie Stromkosten, Produktionsertrag, Material-, Stilllegungs- oder Recyclingkosten konkurrenzfähig ist. Vor allem die gute Wiederholbarkeit der Abscheidung, die einfache Prozesskontrolle, die Verfügbarkeit von industriellem Prozessequipment und die einfache Skalierung der Abscheidung von den kleinen Solarzellenflächen aus dem Labor hin zu anwendungsrelevanten Produktflächen machen das Verfahren demnach hochinteressant für die Kommerzialisierung.  „Die vakuumbasierte Herstellung schneidet also besser ab als ihr Ruf“, so Tobias Abzieher (Swift Solar). Somit ist es auch nicht verwunderlich, dass die Autorinnen und Autoren in einem erstmalig veröffentlichten Überblick über Kommerzialisierungsaktivitäten in der Perowskit-Technologie bereits heute ein reges Interesse an vakuumbasierten Verfahren für die Herstellung von Perowskit-Solarzellen vonseiten der Industrie nachweisen konnten – trotz der Diskrepanz im Hinblick auf die hauptsächlich eingesetzte Methode in der Forschung.

Damit vakuumbasierte Verfahren ihre Skalierungseffekte voll ausspielen können, müsse die Herstellungsmethode dennoch weiter verbessert werden, so die Forschenden. Unter anderem müsse weiter an der Qualität der Abscheidung geforscht werden, um den Wirkungsgrad noch weiter zu steigern. Zudem gelte es, die Geschwindigkeit der Abscheidung deutlich zu erhöhen. „Vakuumbasierte Herstellungsverfahren sind nicht nur die erste Wahl der Industrie, wenn es darum geht, die Dünnschicht-Technologien zur Marktreife zu bringen. Unsere Analyse zeigt auch, dass die Verfahren wettbewerbsfähig mit lösungsmittelbasierten Ansätzen sind“, ergänzt David More vom NREL. (mfe)

Mein persönlicher Kommentar:

Diese Frage hat mich persönlich immer wieder beschäftigt. Welche Kräfte bewirken, dass sich gegen den 2.. Hauptsatz der Dynamik trotzdem auch im Mikrokosmos  und im Weltall z. B. Leben entstanden auf einem außerordentlichen Planeten wie die Erde. Dabei spielt auch die Energie eine entscheidende Rolle. Kräfte, die sogar das einzelne Atom beeinflussen. Das alles unter der Maßnahme, dass es nur 3 Grundkräfte gibt:

1. Gravitation oder Massenanziehung. Sie wirkt in der räumlichen Unendlichkeit, ist aber auch dafür verantwortlich, dass wir – obwohl die Erde rotiert – nicht wegfliegen

2. Elektromagnetische Kraft. Sie ist die Kraft, die wir als Menschen unmittelbar erfahren. Wenn wir einen Körper anfühlen, wirkt er auf uns zurück. es ist also alles das, was auch unsere Sinne fühlen und sehen.

3. Kernkraft. Durch sie sind die Elemente entstanden, erstaunlich, dass es dem Menschen gelungen ist, Einblicke selbst in diese Mikrosphäre zu gewinnen.

Im folgenden Beitrag beweist menschliche Genialität, dass noch viele Einblicke in das chaotische Verhalten in Flüssigkeiten für die Forschung möglich werden. Immer geht es darum, Ordnung und Unordnung und ihre Übergänge zu beschreiben. Es wäre schön, wenn im Physik-Unterricht diese Ansätze gelehrt würden.

in den 80er Jahren habe ich eine in der Wissenschaft sehr beachtete Sendung in der ARD zum Thema ‚Synergetik – Ordnung aus dem Chaos‘ gemacht. Leider liegt sie nicht auf You Tube vor.

Jean Pütz

(Helmholtz) – Experimente mit Flüssigmetallen könnten nicht nur zu spannenden Erkenntnissen über geo- und astrophysikalische Strömungsphänomene führen, wie etwa den atmosphärischen Störungen am Sonnenrand oder der Strömung im äußeren Erdkern. Auch industrielle Anwendungen könnten davon profitieren, zum Beispiel das Abgießen von flüssigem Stahl. Da diese Fluide allerdings intransparent sind, fehlen immer noch geeignete Messtechniken. Ein Team des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat nun erstmalig mit einem vor Ort entwickelten Verfahren ein detailliertes dreidimensionales Abbild einer turbulenten temperaturgetriebenen Strömung in einem Flüssigmetall erhalten. In der Zeitschrift Journal of Fluid Mechanics (DOI: 10.1017/jfm.2023.794) berichten sie von den Herausforderungen, die sie dafür meistern mussten.

Seitdem Forschende die Eigenschaften turbulenter Strömungen in Fluiden erkunden, bedienen sie sich prinzipiell eines zunächst sehr einfach anmutenden Experiments: Sie füllen ihr Fluid in ein Gefäß, dessen Bodenplatte sie erhitzen und dessen Deckel sie gleichzeitig kühlen. Was dabei genau geschieht, erforscht ein Team vom Institut für Fluiddynamik am HZDR. „Überschreitet der Temperaturunterschied im Fluid eine bestimmte Grenze, wird der Wärmetransport drastisch erhöht“, sagt Teamleiter Dr. Thomas Wondrak. Das geschieht, weil sich eine sogenannte konvektive Strömung ausbildet, die die Wärme effektiv transportiert. Dabei dehnt sich die Flüssigkeit am Boden aus, wird leichter und steigt nach oben, während die kälteren Schichten oben aufgrund ihrer höheren Dichte nach unten sinken. „Anfangs bildet sich eine regelmäßige Zirkulation aus, aber bei höheren Temperaturdifferenzen wird die Strömung zunehmend turbulent. Diese dann auch korrekt dreidimensional abzubilden, ist eine Herausforderung“, beschreibt Wondrak kurz die Ausgangslage des Experiments.

Hier kommt die am HZDR entwickelte kontaktlose induktive Strömungstomographie (contactless inductive flow tomography: CIFT) ins Spiel: Mit ihrer Hilfe sind die Forschenden in der Lage, eine dreidimensionale Strömung in elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten zu visualisieren. Dabei nutzen sie das Prinzip der Bewegungsinduktion: Legt man ein statisches Magnetfeld an, wird aufgrund der Flüssigkeitsbewegung ein elektrischer Strom im Fluid erzeugt. Diese Wirbelströme bewirken eine Änderung des ursprünglichen Magnetfeldes, die außerhalb des Gefäßes messbar ist. Auf diese Weise bildet sich die Strömungsstruktur in der Magnetfeldverteilung ab und kann mit einem geeigneten mathematischen Verfahren aus den Messdaten extrahiert werden. Diese Messtechnik hat das Team um Wondrak nun eingesetzt, um die temperaturgetriebene Strömung in einer Gallium-Indium-Zinn-Legierung zu messen, die schon bei rund 10 Grad Celsius schmilzt. Die zentrale Komponente des Experiments ist ein 64 Zentimeter hoher Zylinder, der mit einer ausgeklügelten Anordnung von 68 Sensoren zur Erfassung der Temperaturverteilung sowie 42 hochempfindlichen Magnetsensoren ausgestattet ist und in dem sich rund 50 Liter (ungefähr 350 Kilogramm) Flüssigmetall befinden.

Störungsarme nächtliche Experimente

Neben der anspruchsvollen Mathematik zur Rekonstruktion des Geschwindigkeitsfeldes aus den Magnetdaten liegen die Herausforderungen vor allem bei der Messung der sehr kleinen strömungsinduzierten Magnetfelder, da diese typischerweise etwa zwei bis fünf Größenordnungen kleiner als das angelegte Magnetfeld sind. Bei einem Erregerfeld von 1.000 Mikrotesla liegt das zu messende strömungsinduzierte Magnetfeld bei einer Größenordnung von 0,1 Mikrotesla. Zum Vergleich: Das Erdmagnetfeld, das auch erfasst und von den Werten der Messung abgezogen wird, ist etwa 50 Mikrotesla stark. „Kleinste elektromagnetische Störungen, die beispielsweise beim Einschalten von elektrischen Geräten entstehen, können das Messsignal überlagern und müssen herausgefiltert werden. Um den Einfluss der Störungen von vorn herein möglichst gering zu halten, experimentieren wir nur nachts“, erläutert Wondrak diese Besonderheit der Messungen. Jede dieser Nachtmessungen liefert eine große Menge an experimentellen Strömungsdaten, die den Forschenden einen völlig neuartigen Einblick in die komplizierten, sich ständig verändernden Strömungsstrukturen gewähren. Die experimentell erzielten Daten sind einzigartig, da numerische Simulationen für dieselben Strömungsparameter mit vergleichbarer Dauer selbst im heutigen Zeitalter der Hochleistungscomputer nicht in vertretbarer Zeit durchführbar sind.

Wondaks Team wendet moderne mathematische Konzepte an, um in den komplexen Geschwindigkeitsfeldern räumliche Strukturen zu erkennen. So konnten die Wissenschaftler*innen wiederkehrende Muster aus einer oder mehreren im Experimentier-Zylinder übereinanderliegenden rotierenden Wirbel identifizieren. Damit bringen sie zumindest ein wenig Ordnung in das turbulente Chaos und helfen damit unter anderem, den Zusammenhang zwischen Strömung und Wärmetransport besser zu verstehen.

Ausblick: Neue Ziele

Die im Laborexperiment gewonnenen Erkenntnisse können die Physiker*innen durch Anwendung dimensionsloser Kennzahlen, die ihren Ursprung in der Ähnlichkeitstheorie haben, auch auf wesentlich größere Dimensionen in der Geo- und Astrophysik übertragen, etwa auf Strömungsprozesse im Inneren von Planeten und Sternen.

Nachdem die Forschenden mit der aktuellen Veröffentlichung das Potential der kontaktlosen Strömungstomographie unter Beweis gestellt haben, wenden sie sich nun der Weiterentwicklung der Messmethode zu. Die Erweiterung um ein zusätzliches Anregungsmagnetfeld und die Verwendung neuartiger Magnetfeldsensoren versprechen dabei eine Steigerung der Messgenauigkeit. Wondraks Team ist optimistisch, mit dieser Methode bald noch tiefere Einblicke in turbulente Flüssigmetallströmungen zu gewinnen.