HIPOLE
Neues Helmholtz-Institut erforscht Materialien der Zukunft
Polymer-basierte Batterien und flexible Solarzellen, wie sie am neuen Helmholtz-Institut entwickelt werden. Foto: Jens Meyer/Universität Jena
Die Co-Sprecherin von HIPOLE, Prof. Dr. Yan Lu, ist eine international anerkannte Polymerexpertin am Helmholtz-Zentrum Berlin. Sie tritt zum Wintersemester eine Professur an der Universität Jena an. Bild: Michael Setzpfandt
„Am HIPOLE erforschen wir Spezial-Polymere“, erklärt die HZB-Forscherin und Vizesprecherin des neuen Instituts, das sie gemeinsam mit Gründungsdirektor Ulrich Schubert von der Uni Jena aus der Taufe gehoben hat. „Deren Ketten, funktionelle Gruppen und Komposition schneiden wir genau auf den Einsatzzweck zu.“ Um die aussichtsreichsten Polymerkandidaten zu ermitteln, muss man wissen, wie sich die Struktur auf die spätere Funktion auswirkt. Dazu werden Proben in verschiedenen Variationen hergestellt und auf ihre Eigenschaften wie zum Beispiel die Stabilität der organischen Redoxpolymer-basierten Dünnschichtbatterien untersucht. Dann fließen die Ergebnisse erneut in die Suche ein. Unterstützt wird der Prozess von einem KI-System und Hochdurchsatz-Experimenten. Dabei profitiert HIPOLE von den Synergien, die die beiden Partner in das neue Institut einbringen. „Die Uni in Jena hat viel Erfahrung in der Hochdurchsatzsynthese von Polymeren“, sagt die Forscherin. „Sie haben ein Robotersystem, der aus den Grundstoffen parallel verschiedene Proben herstellt, in dem er die Mischungsverhältnisse der Grundstoffe und die Syntheseparameter wie zum Beispiel die Temperatur variiert.“
Das HZB wiederum bringt seine große Expertise in der Untersuchung von Materialien und den darin ablaufenden Prozessen in die Partnerschaft ein. Zusammen mit Großgeräten wie dem Synchrotron können sie den Materialien bei der Arbeit zuschauen und verstehen, was im Inneren passiert. „Es gib etwa fünf Institute auf der Welt, die sich mit Polymeren auf allen Gebieten der Energieforschung beschäftigen“, erzählt sie. „HIPOLE ist das Einzige davon, dass mit Großforschungsanlagen wie einem Synchrotron die Prozesse in den Materialien direkt beobachten kann.“
Das Synchrotron BessyII des HZB in Berlin Adlershof. Hier können die Forscher:innen Prozesse in den Materialien direkt beobachten. Bild: HZB
Sowohl an der Uni Jena als auch am HZB laufen schon lange Projekte zu Polymeren für Energieanwendungen. Deshalb ist Yan Lu zuversichtlich, mit den nun gebündelten Kräften in den kommenden Jahren wegweisende Ergebnisse präsentieren zu können. „Großes Potenzial sehe ich bei polymerbasierten Redox-Flow-Batterien“, verrät sie. „Aber auch auf druckbare Batterien und Solarzellen setze ich meine Hoffnung.“
Das ist nur ein kleiner Ausschnitt dessen, was Polymere in der Energietechnik leisten können. So gibt es eine Gruppe, die Schäden in ihrer Struktur beheben kann. Solch selbstheilende Materialien könnten beispielsweise das Leben von Batterien verlängern und diese damit günstiger und nachhaltiger machen. Auch in der Wasserstoffwirtschaft könnte Polymeren eine glänzende Karriere bevorstehen und zum Beispiel als Membrane für die Synthese des leichtesten aller Gase dienen.
Was die Nachhaltigkeit angeht, sind die Polymere allerdings auch nicht unproblematisch. „Wir forschen daran, das zu ändern“, sagt die Wissenschaftlerin. „Denn heute werden sie vor allem aus fossilen Rohstoffen hergestellt.“ Doch schon bald – hoffen die Forscherinnen und Forscher – könnten Kohle, Gas und Öl durch regenerative Energie, grünen Wasserstoff, Biomasse und Kohlendioxid ersetzt werden.
Bei allen Forschungsprojekten, versichert Yan Lu, würde stets ein anwendungsorientierter Ansatz gewählt. „Wir denken von Beginn an auch immer die Anwendung mit“, sagt sie. „Und am Ende soll idealerweise ein Prototyp stehen, der zu einem marktfähigen Produkt weiterentwickelt werden kann.“ Mit seiner Nähe zum Innovation Campus der Universität in Jena wurde der Standort dafür strategisch klug gewählt. Und auch der Technologietransfer des HZB wird seine langjährige Erfahrung in das neue Institut einbringen.
Materialklasse mit beinah unendlichen Möglichkeiten
Polymere sind sehr große Moleküle, sogenannte Makromoleküle, die aus einem oder mehreren aneinandergereihten Grundbausteinen bestehen, den konstitutionellen Repetiereinheiten. Diese bestehen wiederum selbst aus kleineren Molekülen, den Monomeren. Oft ist eine konstitutionelle Repetiereinheit auch ein Monomer. Polyethylen ist hier ein Beispiel. Manchmal sind aber auch mehrere Monomere im Spiel. Zum Beispiel beim Polyethylenterephthalat, kurz PET, aus dem viele Getränkeflaschen bestehen. Die Eigenschaften eines Materials werden dabei von einem bestimmten Teil des Moleküls festgelegt. Diesen nennen Chemiker die funktionelle Gruppe. Ein Beispiel ist die Hydroxy-Gruppe, die Alkoholen ihre typischen Eigenschaften gibt. Ein anderes die Aminogruppe der Aminosäuren.
Neben künstlich hergestellten Polymeren wie PET gibt es auch natürliche Polymere wie beispielsweise Seide oder Zellulose. Bilden Kohlenstoffatome das Gerüst der Kette, spricht man von organischen Polymeren. Bei anorganischen übernehmen beispielsweise Silizium oder Phosphor die Aufgabe des Kohlenstoffs. Ein bekannter Vertreter davon ist das Silikon. Angesichts der Vielzahl möglicher Monomere und funktionaler Gruppen scheint die Vielfalt der Polymere beinahe grenzenlos.
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