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Antrieb für die Zukunft

Hat die Natur schon vor Jahrmillionen den Antrieb der Zukunft "erfunden"? Drei Wissenschaftler der TU Dresden suchen im Wasser nach Antworten.

Prof. Inez Weidinger bei der Auswertung der Laserergebnisse mit Laborleiter Philipp Wollmann (vorn) und Dr. Khoa Ly.
Prof. Inez Weidinger bei der Auswertung der Laserergebnisse mit Laborleiter Philipp Wollmann (vorn) und Dr. Khoa Ly. © Thorsten Eckert

Hat die Natur schon vor Jahrmillionen den Antrieb der Zukunft „erfunden“? Die Alternative zum derzeit viel gescholtenen Verbrennungsmotor? Am Institut für Elektrochemie der TU Dresden gehen drei Wissenschaftler jedenfalls einer heißen Spur nach. Der Photosynthese zum Beispiel. Bäume „atmen“ bekanntlich das Kohlendioxid aus der Luft ein, spalten es, nutzen den Kohlenstoff fürs Wachstum und „atmen“ anschließend den nicht benötigten Sauerstoff wieder aus. Der im Holz gebundene Kohlenstoff wird später wieder abgegeben, beim Verbrennen des Holzes zum Beispiel oder bei der Zersetzung abgestorbener Bäume und Pflanzen. Ein Kreislauf. Und genau hier könnte der Schlüssel liegen, der die Tür zum durchschlagenden Erfolg des erwähnten Antriebs der Zukunft öffnet; der Brennstoffzelle nämlich. Diesen Schlüssel zu finden, daran arbeiten Prof. Inez Weidinger und die beiden Nachwuchswissenschaftler Dr. Khoa Ly und Laborleiter Dr. Philipp Wollmann. Sie wissen dabei, dass die Brennstoffzelle eine Art Wette auf die Zukunft ist, wie es Dr. Khoa Ly umschreibt.

Denn auch Batterie-Antriebe oder die CO2-Rückgewinnung aus der Luft – das „Einfangen“ und Umwandeln der Abgase von Verbrennungsmotoren zurück zu Brennstoffen sozusagen – konkurrieren derzeit mit der WasserstoffBrennstoffzelle. Eine Zeit lang werden wohl mehrere verschiedene Antriebssysteme gleichzeitig aktuell bleiben, ist das Team überzeugt. „Wie in der Zeit, als der Verbrennungsmotor die Pferdekutsche abgelöst hat“, sagt Khoa Ly. Aber irgendwann kommt der Punkt, an dem sich der effektivste Antrieb durchsetzen wird. Und das wird die verbesserte Brennstoffzelle sein, sind die drei Dresdner Wissenschaftler überzeugt. Neben der rein technischen Herausforderung bedeutet dies insbesondere, die Kosten für die Herstellung und den Betrieb der Zellen zu verringern.

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Aktuell funktioniert eine WasserstoffBrennstoffzelle vereinfacht beschrieben so: Es werden quasi Wasserstoff und „normale“ Luft „getankt“, in der Brennstoffzelle werden dann an zwei verschiedenen Elektroden – Anode und Kathode – der Wasserstoff und die Luft gespalten, sodass zum einen Wasser entsteht und zum anderen elektrische Energie erzeugt wird. Das alles ist derzeit noch sehr aufwendig und teuer. Denn in der Regel wird Platin für die beiden Elektroden genutzt. „Was viel kostet und zudem nicht gerade umweltfreundlich abgebaut wird“, erklärt Inez Weidinger.

Also hat die aktuelle Forschung zwei Ideen: Erstens, auch andere, preiswertere Metalle zu nutzen und zweitens soll die Brennstoffzelle künftig die benötigten Brennstoffe gleich selbst herstellen. Ein Ausgangsstoff könnte Wasser sein. Hieraus würde die Brennstoffzelle dann zum Beispiel mit Licht oder Strom aus regenerativen Energiequellen den Wasserstoff wieder herstellen, den Sauerstoff „ausatmen“, anschließend den Wasserstoff verbrennen und damit die Elektroenergie erzeugen, mit der Fahrzeuge angetrieben werden könnten. Und das am Ende vielleicht sogar in einem möglichst geschlossenen Kreislauf. Heißt, alle Spaltprodukte sollen anschließend wieder zusammengesetzt werden und das Ganze könnte von vorn starten.

Im Laser werden Schwingungen der Moleküle sichtbar.
Im Laser werden Schwingungen der Moleküle sichtbar. © Thorsten Eckert

Utopie? Die Natur macht jedenfalls vor, dass es funktionieren könnte. Die schon erwähnte Photosynthese ist das eine, die Atmung ein weiteres Beispiel. Der Mensch braucht eben kein teures Platin, um den Sauerstoff aus der Luft zu verwerten, sondern nur häufig vorkommende Elemente wie Eisen oder auch Kupfer, die er über die Nahrung aufnimmt. „Preiswerte Metalle“, unterstreicht Dr. Khoa Ly. Eigentlich müsste man also nur die Natur „nachbauen“, schon wären viele Umweltprobleme und der drohende Kampf um weltweit schrumpfende Ressourcen vom Tisch. Klingt einfach, „ist es aber nicht“, macht Inez Weidinger klar. Und doch ist ihr die Überzeugung anzumerken, dass es der Wissenschaft gelingen könnte. „Wir sind hartnäckig“, sagt sie – und ihre beiden Mitstreiter nicken bestätigend. Was tut nun also das Dresdner Forscher-Trio? „Wir arbeiten mit Lasern, so wollen wir herausfinden, wie sich die nachgebauten Moleküle auf der Elektrode verhalten, wenn Spannung anliegt“, erklärt Laborleiter Dr. Philipp Wollmann. Unter dem hochmodernen Spezialmikroskop der Laseranlage im zweiten Geschoss im Andreas-Schubert-Bau sehen die Wissenschaftler, was passiert, wenn via Laser Lichtenergie zugeführt wird. Wie sich welcher Stoff verhält. „Das Laserlicht versetzt die Moleküle der Stoffe in Schwingungen, wir sehen also, welche Moleküle sich wie verändern.“ So sollen Antworten gefunden werden, beispielsweise auf die Frage: Wie macht die Natur das mit der Photosynthese und der Atmung im Detail? Oder: Welche Moleküle sind geeignet für den Nachbau in der Brennstoffzelle? Ein erster Schritt also, um die genialen Brennstoffumwandlungen der Natur auf künstlichen Elektroden nachzubauen. Regenerativ und umweltfreundlich. „Wir wollen die Brennstoffzelle besser machen, die Wasserstoffherstellung einfacher und preiswerter – und letztlich vielleicht sogar diesen ominösen Kreislauf schließen helfen“, bringt es Inez Weidinger auf den Punkt. Der Weg dorthin, sagt sie, ist noch weit. „Aber wir wissen, es ist möglich“.

Von Jens Fritzsche

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