Weltweit führende Forschungslabor-Landschaft für Energiematerialien

johanna-wanka-weiht-emil-ein-foto-gerhard-hofmann-agentur-zukunft-fuer-solarify_20161031_121602„Energiewende: Die Suche nach dem Material der Zukunft“ überschrieb das BMBF seine Medienmitteilung über die Einweihung des nach drei Jahren Bauzeit vollendeten Laborkomplexes EMIL („Energy Materials In-Situ Laboratory“) in Berlin-Adlershof durch Forschungsministerin Johanna Wanka am 31.10.2016. Forschende werden in dem gemeinsam vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) für etwa 20 Millionen Euro an die Synchrotronquelle BESSY II angebauten Forschungslabor für die regenerative Energiegewinnung und -Speicherung geeignete Materialien synthetisieren und analysieren. Mit EMIL ergeben sich dazu völlig neue Möglichkeiten.emil-anbau-am-elektronenspeicherring-bessy-ii-foto-hzb-volker-mai

EMIL beherbergt Laborkomplexe mit unterschiedlicher wissenschaftlicher Ausrichtung:

  • das Energie-Material-Forschungslabor SISSY (Solar Energy Material In-situ Spectroscopy at the Synchrotron) des HZB – hier sollen neue Dünnschichtmaterialien für Solarzellen, solare Brennstoffe, Thermoelektrika und Materialien für energieeffiziente Informationstechnologien entwickelt werden;
  • das Katalyse-Labor für nachhaltige Energieversorgung CAT (Catalysis Research for Sustainable Energy Supply) zur Erforschung (photo-)katalytische Prozesse und und zur Klärung spezifischer Fragestellungen im Bereich Energieumwandlung und -speicherung des Berliner Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft (FHI) – untersucht werden edelmetallbasierte Elektrodenmaterialien (Iridium, Ruthenium, Platin) sowie Übergangsmetalle wie Nickel, Chrom und Eisen als Katalysatoren in der heterogenen Katalyse.
  • das Labor für Röntgenemissionsstudien PINK, das vom Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion (CEC) in Mülheim an der Ruhr betrieben wird.

Direkte Verbindung zum Elektronenspeicherring BESSY II

Einzigartig am EMIL-Labor ist seine direkte Verbindung zum Elektronenspeicherring BESSY II. Der Speicherring in Berlin-Adlershof liefert extrem brillante Photonenpulse von der bessy-ii-speicherring-foto-gerhard-hofmann-agentur-zukunft-fuer-solarifylangwelligen Terahertz-Region bis zur harten Röntgenstrahlung; die Nutzer können den Energiebereich und die Polarisation der Strahlung wählen. Rund 50 Strahlrohre an Undulator-, Wiggler- und Dipolquellen bieten eine facettenreiche Mischung von Messplätzen mit exzellenter Energieauflösung (zwei Strahlrohre verbinden BESSY II mit EMIL, siehe Foto re.). robert-schloegl-zeigt-die-strahlrohre-zwischen-emil-und-bessy-ii-foto-gerhard-hofmann-agentur-zukunft-fuer-solarifyDie Kombination von Brillanz und Photonenpulsen macht BESSY II zu einem idealen Mikroskop für Raum und Zeit und ermöglicht Zeitspannen bis zu Femtosekunden und Ortsauflösungen auf der Pikometerskala (10-12 m – ein Milliardstel Millimeter). Der breite Energiebereich der verfügbaren Röntgenstrahlung, die direkte Anbindung der Röntgenspektroskopie-Stationen an die EMIL-Katalyse-Anlagen und die Einrichtungen zur Materialsynthese eröffnen der Forschung an Energie-Materialien neue Möglichkeiten, da die Proben zwischen Synthese und Analytik das Vakuum nicht verlassen müssen, sie werden von einem Roboter zum nächsten weitergereicht: Weltweit einzigartige In-system- und In-operando-Messungen werden dadurch möglich.

wanka-redet-foto-d-ausserhofer-hzbWanka würdigte das Projekt als beispielhaft für die Zusammenarbeit zwischen Helmholtz-Gemeinschaft und Max-Planck-Gesellschaft bei Forschung und Entwicklung für die Energiewende: „Die hier gelebte Verbindung von exzellenter Energieforschung mit dem Betrieb einzigartiger Infrastrukturen schafft ein Forschungsumfeld mit besonderen Synergieeffekten und legt den Grundstein für neue und erfolgreiche Produkte.“ EMIL ermögliche es besonders der Industrie, Materialinnovationen voranzutreiben. Die Kooperation von Wissenschaft und Wirtschaft in der Materialforschung sei entscheidend für innovative Energietechnik, so die Ministerin. Grundlagenforschung sei existenziell wichtig für die gesamte wirtschaftliche Situation eines Landes. wanka-zieht-muttern-an-emil-an-foto-ausserhofer_hzb88 Mrd. Euro würden in Deutschland für Forschung und Entwicklung ausgegeben, zwei Drittel davon aus der Wirtschaft.  In Anspielung auf Erich Kästners „Emil und die Detektive“ rief sie den versammelten etwa 200 Wissenschaftlern zu: „Parole ‚Emil‘“! Ohne Materialforschung bekämen wir die Energiewende nicht hin. Anschließend nahm Wanka einen Schraubenschlüssel und zog symbolisch die das-letzte-vergoldete-rohrteilstueck-foto-gerhard-hofmann-agentur-zukunft-fuer-solarifyMuttern am vergoldeten letzten Teilstück von EMIL an.

Das BMBF gehört zu den großen Zuwendern von EMIL und BESSY. Es förderte den Bau der SISSY-Endstation und des UHV-Transfersystems mit 6,1 Millionen Euro aus der Innovationsallianz „Photovoltaik“. HZB und MPG brachten 6,5 respektive 7,6 Millionen Euro ein. Ergänzend wurden zusätzliche Mittel der MPG bereitgestellt sowie Mittel aus den strategischen Ausbauinvestitionen der Helmholtz-Gemeinschaft für die Einbindung von EMIL in die Helmholtz-Energy-Materials-Characterization-Platform (HEMCP).

Folgt: Schlögl und der Hamburger

Schlögl und der Hamburger

robert-schloegl-bei-fuehrung-durch-emil-foto-gerhard-hofmann-agentur-zukunft-fuer-solarifyProf. Robert Schlögl (Direktor Anorganische Chemie am FHI und Gründungsdirektor des CEC – im Foto bei der sich anschließenden Führung) betonte: „EMIL ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zum Verständnis von Elektrodenmaterialien in der Wasserspaltung“. Bessy solle Elektronen für EMIL so beschleunigen, dass sie auch durch „dickere“ Grenzflächen dringen könnten – 3 bis 5000 Elektronenvolt seien dazu nötig. Schlögl illustrierte die Möglichkeiten von EMIL mit einem treffenden Bild: „Stellen Sie sich einen Hamburger vor, da kommt zuerst die obere, äußere Kruste, dann Brötchen, dann die obere Sauce, dann Fleisch, dann die untere Sauce – die Frage ist jetzt: wie kann man die untere Sauce untersuchen, ohne das Fleisch wegzunehmen?“ Grenzschichten seien zudem oft nicht voneinander getrennt – „bei EMIL, BESSY und CAT können wir das getrennt voneinander betrachten“. Man könne stets gleichzeitig arbeiten: Einmal die Reaktion der Materialien selbst ablaufen lassen, zweitens die beteiligten und entstehenden Substanzen massenspektrografisch analysieren.

robert-schloegl-erlaeutert-beim-rundgang-hoch-komplexe-versuchsanordnungen-foto-gerhard-hofmann-agentur-zukunft-fuer-solarifyIm Rahmen der darauf folgenden Besichtigung erläuterte Schlögl die Arbeitsweise der einzelnen EMIL-Bestandteile in situ: Er hob neben den HZB-Kollegen vor allem die Leistung der FHI- und CEC-Mitarbeiter hervor; bis auf ein paar Schrauben, Muttern und Rohre musste das meiste von Hand entworfen, vorgezeichnet und in den Werkstätten der Institute hergestellt werden.

anke-kaysser-pyzalla-foto-helmholtz-berlin-deProf. Anke Kaysser-Pyzalla, wissenschaftliche Geschäftsführerin des HZB, hatte zuvor die Bedeutung von EMIL im Rahmen der HZB-Strategie 2020+ hervorgehoben: „Mit EMIL können wir unsere Expertise in der kombinatorischen Materialsynthese ausbauen, neue Energie-Materialien und neue Funktionalitäten herstellen, analysieren und optimieren. Das entspricht der Strategie des HZB, seine Forschung auf Energie-Materialien zu konzentrieren und dazu die besonderen Chancen zu nutzen die die Synchrotronstrahlung von BESSY II bietet.“


otmar-wiestler-foto-gerhard-hofmann-agentur-zukunft-fuer-solarify_20161031_124046Prof. Otmar Wiestler, Präsident der Helmholtz-Gemeinschaft, erwartet von EMIL „Energieforschung auf hohem Niveau, aufbauend auf Kompetenz und auf die Anwendung gerichtet“. Ganz wichtig sei die Rekrutierung – von ihr hänge der Forschungserfolg ab; bemerkenswert viele Nachwuchswissenschaftler forschten am HZB. Und die Kontakte nach draußen: „Wir pflegen Partnerschaften mit vielen Spielern im System, national und international“. Entscheidend aber sei die Unterstützung durch die Zuwendungsgeber – EMIL sei dafür ein wunderbares Beispiel. Die Voraussetzungen seien hervorragend für einen Leuchtturm in der Forschungslandschaft der Energiewende – „ein guter Tag für die Energieforschung in Deutschland“, so Wiestler.

ferdy-schueth-foto-gerhard-hofmann-agentur-zukunft-fuer-solarify-20161031_124848Prof. Ferdi Schüth, MPG-Vizepräsident und Direktor am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr, sieht in EMIL „eines der besten Beispiele für die gute Zusammenarbeit zweier Wissenschaftsorganisationen“. Für die MPG sei es von zentraler Bedeutung, „dass eine ganze Reihe von Max-Planck-Instituten, das CEC an prominenter Stelle, aber auch das FHI, oder das Stuttgarter MPI für Festkörperforschung am EMIL arbeiten wollen – auch mein eigenes, die Kohlenforschung. Einblick in die Arbeitsweise eines Katalysators erhält man eben nur dann, wenn man ihn sich unter Reaktionsbedingungen anschaut. Ich bin sicher, dass ich mir selbst hier manches anschauen werde. EMIL macht Deutschland als Forschungsstandort attraktiver“. Wenn man bei einer Schiffstaufe einem Schiff wünsche, es möge immer eine Handbreit Wasser unterm Kiel haben, dann wünsche er EMIL: „Immer eine Handvoll Elektronen im Ring!“

bernd-rech-foto-gerhard-hofmann-agentur-zukunft-fuer-solarifyProf. Bernd Rech, Leiter des Helmholtz-Instituts für Silizium-Photovoltaik, nannte als einen wichtigen Vorteil von EMIL dessen Forschungsbeschleunigung: 10 bis 100mal schneller könne man jetzt messen und analysieren. „Wir hoffen, neue Funktionalitäten zu erreichen, in der Nanotechnologie, zum Beispiel beim Quantencomputing. Wir können neue Materialien erzeugen. Etwa nanostrukturierte Thermoelektrika für mehr Effizienz, denn zahlreiche Anwendungen bräuchten viel Strom: etwa IT-Rechenzentren. Die „alten und neuen Freunde von der Max-Planck-Gesellschaft“ hieß Rech „herzlich willkommen“.

klaus-lips-foto-gerhard-hofmann-agentur-zukunft-fuer-solarifyaxel-knop-gericke-foto-gerhard-hofmann-agentur-zukunft-fuer-solarifyProf. Klaus Lips vom HZB und Axel Knop-Gericke vom CEC erläuterten die Funktionsweise von EMIL – Prof.Chuck Fadley vom Davis Physics Department der University of California und chuck-fadley-foto-gerhard-hofmann-agentur-zukunft-fuer-solarifyChairman des International EMIL Advisory Comittee, stellte jüngste Methoden und Versuchsanordnungen samt Ergebnissen vor (siehe: fadley.physics.ucdavis.edu).

Folgt: Bildergalerie und Quellen

Bildergalerie

modell-emil-bessy-ii

Das 1.000 Quadratmeter große Laborgebäude wurde an den Speicherring BESSY II angebaut und verfügt über zwei eigene Beamlines (Strahlrohre), die weiche und harte Röntgenstrahlung von 60 eV bis 10 keV zur Verfügung stellen – perfekt für Untersuchungen an Dünnschichtsystemen – Foto © HZB
laborplatz-sissy-mit-photoelektrischem-spektrometer-verchromte-halbkugel-li-foto-gerhard-hofmann-agentur-zukunft-fuer-solarify-20161031_143517

SISSY heißt der Messplatz mit photoelektrischem Spektrometer (verchromte Halbkugel li.), der in EMIL für Untersuchungen von PV-Materialien zur Verfügung steht – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify.
ultrahochvakuum-kammer-im-emil-labor-foto-gerhard-hofmann-agentur-zukunft-fuer-solarify

Die Forschung an Katalysatoren erfolgt im gleichen Labor an einem weiteren Messplatz CAT@EMIL – hier ein Ausschnitt des 10 m langen Ultrahochvakuum-Transfersystems im EMIL-Labor; sie ermöglicht, dass Proben vor Ort synthetisiert und ohne Unterbrechung des Vakuums mit harter und weicher Röntgenstrahlung aus BESSY II untersucht werden können – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify.
schemazeichnung-des-emil-uhv-transfersystems-prevag-eu

Schemazeichnung des EMIL-UHV-Transfersystems – © prevag.eu

emil-objekttraeger-fuer-proben-am-fhi-entwickelt-foto-gerhard-hofmann-agentur-zukunft-fuer-solarify

Probenträger für Analysen während der Wasserspaltung (in operando), am FHI entwickelt – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify

strahlrohre-verbinden-bessy-ii-re-mit-emil-li-foto-gerhard-hofmann-agentur-zukunft-fuer-solarify

Zwei Strahlrohre verbinden BESSY II (re.) mit EMIL (li.) – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify.

->Quellen:

  • Text und Bilder © Gerhard Hofmann, HZB

Weitere Quellen und Informationen: