Neue Forschungsansätze für Elektroautos

Julia Kunze-Liebhäuser ist Chemikerin an der Technischen Universität München. Sie steckt gerade in ihrer Habilitation zur Professorin, und das Thema ihrer Forschung dabei sind die erneuerbaren Energien, präziser: Antriebsenergien der Zukunft. Sie hört diese Verallgemeinerung selbst nicht gern - dazu ist sie zu sehr Grundlagenforscherin. Aber bevor wir mit ihr in die Grundlagen abtauchen, gibt sie doch ihre grundsätzliche Einschätzung ab: keine guten Aussichten für die heute in Elektro- und Hybridautos üblichen Litium-Ionen-Batterien. Sie sind zu schwer, und sie sind zu schwach für Langstreckenfahrten.

"Wenn man an Litium-Ionen-Batterien denkt, da braucht man höhere Energiedichten und auch Leistungsdichten. Das Problem bei der Batterie ist das Gewicht. Sehr viel einfacher ist die Brennstoffzelle. Die ist leichter, weil man dort eine Trennung hat: Der Brennstoff wird extra gelagert, also in einem Tank, und man nutzt die Brennstoffzelle dann zur Umwandlung dieses Brennstoffs in elektrische Energie."

An der Brennstoffzelle setzt ihre Grundlagenforschung ein. Die Brennstoffzelle funktioniert so: Sie erzeugt über eine chemische Reaktion zwischen einem Brennstoff (wie Alkohol oder Wasserstoff) und dem Sauerstoff aus der Luft Strom. Diese Reaktion läuft umso besser, je größer die Oberflächen der elektrischen Kontakte, der Elektroden sind. Und sie wird erst dadurch richtig in Gang gesetzt, dass man auf die Elektroden Katalysatoren aufdampft, also Materialien, die einen chemischen Prozess allein dadurch, dass sie da sind, befördern. Katalysatoren wirken umso intensiver, je größer die Fläche ist, auf der sie aufgedampft werden, und genau daran, an winzigen Trägerflächen mit großer Oberfläche, arbeitet Julia Kunze-Liebhäuser. Sie züchtet in ihrem Labor Träger für solche Katalysatoren. Die große Fläche auf fingernagelkleinem Raum erreicht sie durch Nanotechnologie.

"Das, was wir jetzt hier sehen, die blauen runden Plättchen, das sind Titandioxid-Schichten, gedacht zum Beispiel für Katalysator-Trägermaterial-Nanopartikel – anstatt Kohlenstoff. Dieses Trägermaterial wäre dann auch bei höheren Temperaturen sehr stabil, bei Temperaturen bis zu 300°C. Solche Temperaturen bräuchte man, wenn man an Brennstoffzellen denkt, die Alkohol oxidieren, wo man also Alkohol als Brennstoff benutzt."

Das Wechselspiel zwischen Trägersubstanz und Katalysator bei sogenannten galvanischen Prozessen ist ein großes Forschungsthema der Elektrochemie. Die falsche Kombination führt dazu, dass zum Beispiel die positiv geladene Anode nach wenigen Reaktionsprozessen in der Brennstoffzelle verklebt. Am Physiklehrstuhl der TU München fand man vor kurzem heraus, dass es zwar wichtig ist, welche Stoffe man kombiniert. Entscheidender für die Leistungsfähigkeit eines galvanischen Prozesses ist es aber, wie man die Stoffe aufbringt, in welcher Dichte die Moleküle auf der Trägersubstanz liegen, und in welche Richtung sie 'gucken'.

In einem anderen Labor arbeitet Julia Kunze-Liebhäuser mit Enzymen. Auch Enzyme sind ja Katalysatoren, denn sie setzen chemische Reaktionen in unseren Zellen in Gang, ohne sich selbst zu verbrauchen. Enzyme in Batterien oder Brennstoffzellen?

"Wenn Sie ein Enzym auf irgendeine Oberfläche aufbringen, ist es ganz schnell denaturiert. Die Hitze ist ganz schlecht. Im Moment versuchen wir's, auf Gold-Einkristalle aufzubringen. Es gibt irgendwann eine gewisse Ladung auf der Oberfläche. Wenn man das Enzym da in die Nähe bringt, ist die Wahrscheinlichkeit sehr hoch, dass es da sofort kaputt geht. Jetzt versuchen wir, diese Goldoberfläche mit einem Thiol zu beschichten, als eine sehr kompakte Schicht aus Organik, die sich ebenfalls selbst organisiert, und da das Enzym anzubinden, damit es nicht sofort dieses Metall sieht und dann kaputtgeht."

Bei diesen Bio-Katalysatoren gibt es also zurzeit mehr Probleme als Lösungen. Im Elektroauto der nahen Zukunft werden sie keine Rolle spielen. Die Brennstoffzelle mit künstlich hergestellten Nanostrukturen aber schon.