Neues Video gibt Einblick in die Wasserstoffforschung

Wie kann Wasserstoff sinnvoll gewonnen werden? Welche Möglichkeiten der Speicherung gibt es? Und wie können die Ergebnisse der Forschung für den Menschen nutzbar gemacht werden? Mit diesen Fragen beschäftigen sich Wissenschaftler aus dem Institut für Werkstoffforschung. Einer davon ist Prof. Dr. Thomas Klassen. Wie der Energieträger Wasserstoff hier erforscht wird und was all das mit Klassens Auto, einer alten Isetta, zu tun hat, erfahren Sie im Video von Tim Peters. Er hat sich im Rahmen seines Studiums der Umweltwissenschaften an der Leuphana Universität in Lüneburg das Konzept für das Video überlegt und den Film produziert.

Die Wissenschaftler nutzen im Labor viele verschiedene Forschungsgeräte. Einige davon haben eine Gastrolle im Video bekommen.

Eine besonders umweltfreundliche Art, Wasserstoff zu gewinnen, ist die direkte Spaltung von Wasser mit Hilfe der Energie des Sonnenlichts. Dies funktioniert beispielsweise mit photoaktiven Schichten aus Metalloxiden. Sie nutzen die Energie des Sonnenlichts, um damit Wassermoleküle in ihre Bestandteile - Wasserstoff und Sauerstoff - zu zerlegen. Das Ziel der Forscher ist es, effiziente Oberflächen zu schaffen, mit denen Wasserstoff nachhaltig und kostengünstig generiert werden kann. Mit einem sogenannten konfokalen 3D Laserscanning-Mikroskop können sich die Wissenschaftler einen Überblick über die Oberflächenstruktur der Metalloxidschicht verschaffen. So erhalten sie eine exakte 3D Karte, die zum Beispiel die Rauheit der Struktur aufzeigt. Finden die Forscher besonders interessante Stellen, können sie diese mit noch höher auflösenden Geräten untersuchen.

Um nun sehr kleine Oberflächenmerkmale wie zum Beispiel Unebenheiten oder Risse in der Struktur exakt darzustellen, nutzen die Forscher ein Rasterkraftmikroskop. Während der Messung bewegt sich eine atomar scharfe Spitze in einem Raster über die Oberfläche. Mit dieser Spitze werden Höhen und Tiefen sowie elektrochemische Eigenschaften von jedem Punkt erfasst. Am Bildschirm entsteht dann eine dreidimensionale Karte der Oberflächeneigenschaften der Probe. So können die Forscher jedes kleinste Detail der Oberfläche erfassen und herausfinden, wo die Wasserstoffgenerierung besonders effizient abläuft.

Messungen, bei denen die Absorption von Licht untersucht wird, müssen immer in absoluter Dunkelheit geschehen, da sonst die Ergebnisse verfälscht werden. Mit einem Spektrometer wird mit Licht in den Wellenlängen vom Ultraviolett bis zum Nah-infrarot gearbeitet. Fällt das Licht aus dem Spektroskop auf die Probe im Halter, wird es von dieser reflektiert und fällt auf den Spiegel. Dieser Spiegel kann einmal komplett um die Probe herumgefahren werden. Er reflektiert das Licht nun wiederum auf den Detektor, der die Ergebnisse in elektrische Signale umwandelt, damit sie auf dem Bildschirm für die Forscher sichtbar werden. Dadurch erhalten die Wissenschaftler Informationen darüber, wann wie viel Licht von dem Material der Probe in welchen Mengen absorbiert wird. Jedes Material absorbiert charakteristische Wellenlängen, deren Energie dann für Umwandlungsprozesse genutzt werden soll. Daraus ergeben sich dann die Anwendungsmöglichkeiten und entsprechenden Energie-Effizienten des Materials.

Wenn die Wissenschaftler herausfinden wollen, wie viel Strom bei bestimmten Licht-Wellenlängen im Probematerial entsteht, verwenden sie eine Kombination aus LED-Lichtquelle und Photoelektrochemischer Messzelle. Von der Quelle kann Licht mit Wellenlängen von Ultraviolett bis Nahinfrarot ausgesendet werden. Das Licht fällt auf die Probe, die sich in der Messzelle befindet. Wenn die Messungen abgeschlossen sind, wissen die Forscher, wie viel Strom bei welcher Wellenlänge, also bei welchem Licht, entsteht. Damit kann errechnet werden, wie viel Prozent des eingestrahlten Sonnenlichtes für die Wasserspaltung genutzt werden können.

In dem Glasbehälter eines Oberflächen- und Porositätsmessgerätes befindet sich Metallhydridpulver. Die Probe wird in einen Behälter mit Flüssigstickstoff getaucht, um sie auf eine Temperatur von 77 Kelvinabzukühlen. Gleichzeitig wird auch von innen eine bestimmte Menge gasförmigen Stickstoffs in den kleinen Glasbehälter mit der Probe geleitet. Die Gasmoleküle lagern sich dann auf allen Oberflächen, insbesondere auf der Oberfläche des Metallhydrids an. Die Forscher vergleichen nun den Druck vor der Anlagerung und danach. Damit können sie berechnen, wie viel Stickstoff sich angelagert hat und damit auch, wie groß die Oberfläche des Metallhydrids ist. Je größer diese Oberfläche, desto schneller kann sich dann auch Wasserstoff anlagern und eingespeichert werden.

Das Metallhydridpulver wird in ein Probengefäß gefüllt. Das passiert in einer sogenannten Handschuhbox. Darin befindet sich nur das Edelgas Argon, aus dem kontinuierlich Sauerstoff und Wasser herausgefiltert werden, so dass die Probe vor Kontamination geschützt ist und nicht mit der Luft reagiert. Die Forscher können mit Hilfe der Handschuhe in der Box arbeiten. So bleibt die Probe für den nächsten Untersuchungsschritt unverändert. Solche definierten Bedingungen sind entscheidend dafür, dass die Untersuchungsergebnisse aussagekräftig sind und nicht durch unerwünschte Nebenreaktionen beeinflusst werden.

Im Röntgen-Diffraktometer wird die Probe zunächst mit Hilfe eines Laserstrahls und einer Kamera exakt positioniert. Nun werden Röntgenstrahlen auf die Probe gerichtet. Sie werden je nach der individuellen Kristallstruktur abgelenkt. Die Ablenkung wird vom Detektor erfasst, der diese in elektrische Signale umwandelt und am Bildschirm für die Wissenschaftler bildlich darstellt. So können die Forscher schließlich auf die chemischen Verbindungen rückschließen und bestimmen, an welchen Kristallgitterplätzen und zu welchem Anteil Wasserstoffatome angebunden werden.

In einer Titrationsanlage werden das zu untersuchende Metallhydrid selbst und eine genau bekannte Referenzprobe platziert. Die Forscher messen den Wasserstoffdruck zwischen den beiden Behältern. Damit kann gemessen werden, wie viel und wie schnell Wasserstoff im Metallhydrid freigesetzt beziehungsweise aufgenommen wird. Außerdem kann untersucht werden, welchen Einfluss Temperaturänderungen auf die Reaktion haben.

In einer Tanktestapparatur kann bei unterschiedlichen Temperaturen untersucht werden, wie schnell und wie viel Wasserstoff im Tank gespeichert und wieder abgegeben werden kann. Die Untersuchungen folgen denselben Prinzipien wie bei den kleinen Proben. Nach vielversprechenden Ergebnissen im Labormaßstab wenden die Forscher ihre Erkenntnisse auf realitätsnähere Größen an. In den verwendeten Metallhydrid-Wasserstoffspeichertank passen etwa acht Kilogramm Metallhydrid, genug für eine Strecke von etwa 50 Kilometern. Die Forscher untersuchen, wie sich größere Mengen des Materials im Tank bei mehrfacher Be- und Entladung verhalten und optimieren das Tankdesign. Ihr Ziel ist es, einen Tank zu entwerfen, der fünfmal kleiner und leichter als eine Li-Ionen-Batterie ist, und der sich in weniger als zehn Minuten mit Wasserstoff für 500 Kilometer Reichweite beladen lässt.

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Quelle: Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG)