Energiewende – Digitale Material Manufaktur für Funktionsmaterialien

Die Entwicklungszeiten für Funktionsmaterialien der Energiewende sind deutlich zu lang. Es dauert in der Regel immer noch Jahrzehnte neue Materialien zu entdecken und zu optimieren. Die »Digitale Material Manufaktur« wird eine integrierte Forschungsplattform bereitstellen, die konsequent kombinatorische Synthese von Funktionsmaterialien mit automatisierter Charakterisierung und digitaler Modellierung verbindet, um neue Materialien für Anwendungen in den nachhaltigen Energietechnologien mit Höchstgeschwindigkeit zu entwickeln. Schwerpunkte des Forschungsinteresses werden im Rahmen dieses Projektes zunächst neue Materialien für die dynamische Speicherung von Wasserstoff, post-Li-Ionen-Batterien und die Verstromung von Abwärme sein.

Projektlaufzeit: 01.01.2021 bis 31.12.2023

Die drei Säulen der »Digitalen Material Manufaktur«

Die Manufaktur stützt sich auf drei Säulen, um schneller Materialien zu erforschen und ihre Eigenschaften zu optimieren:
(1) in einem neuen Syntheselabor werden kombinatorische Dünnschichten hergestellt, um komplette Phasenräume schnell (zu meist auf einem einzigen Wafer) zu synthetisieren und physikalisch zu charakterisieren;
(2) diese Dünnschicht-Bibliotheken werden in anwendungsspezifischen Testaufbauten automatisch vermessen und relevante Eigenschaften bestimmt;
(3) vollautomatisierte quantenchemische Modellierung wird herangezogen, um Kenngrößen relevanter Eigenschaften vorherzusagen und so noch größere Phasenräume digital zu untersuchen. Diese drei Säulen werden in einer digitalen Plattform zusammengeführt, die es den Forschern erlauben wird, schneller auf Modellierungs- und Messdaten zuzugreifen und so in Höchstgeschwindigkeit digital neue Materialkonzepte zu entwickeln und vielversprechende Ansätze effizient zu optimieren.

In den ersten zwei Jahren des vierjährigen Projektes entstehen zunächst neue Labore am Hamburger Campus der Helmut Schmidt Universität und am Helmholtz-Zentrum Geesthacht, um Dünnschichten zu synthetisieren, Materialien zu charakterisieren und zu modellieren. Außerdem wird eine digitale Plattform von den Wissenschaftlern geschaffen werden, um die erwarteten großen Mengen an Mess- und Simulationsdaten zu erfassen und effizient auszuwerten zu können.

In der zweiten Phase des Projektes werden Forscherteams diese einmaligen Möglichkeiten nutzen, um dringliche materialwissenschaftliche Fragestellungen im Bereich der Magnesiumbatterien, der Wasserstoffspeicherung und der Verstromung von Abwärme zu bearbeiten. Im Bereich Batterien haben die Forscher vor, Magnesiumlegierungen zu entwickeln, die sich besser als metallische Filme abscheiden lassen, um so ein deutliche Steigerung der Energie- und Leistungsdichte zu erreichen. Die Dynamik der Wasserstoffspeicherung in komplexen Metallhydriden wird von einem weiteren Team untersucht werden, um die Betankung mit Wasserstoff effizienter und schneller werden zu lassen. Außerdem sollen neuartige hochtemperaturstabile Verbindungen für Metamaterialien erforscht werden, um die Haltbarkeit bei extremen Temperaturen zu verbessern und so thermische Abwärme effizienter und kostengünstiger in Strom wandeln zu können.