Duisburg. Schläuche und Kabel hängen an der Decke herunter. Rohre verlaufen dort an Metall-Monturen entlang. Überall stehen kompliziert-wirkende Apparaturen. Ein Schild mit der Aufschrift „Vorsicht Hochspannung“ warnt Besucher, hier nichts anzufassen. Dieses Labor ist der Arbeitsplatz von Sebastian Tigges (27). Der Doktorand von der Universität Duisburg-Essen arbeitet an einem Projekt, bei dem er Material entwickelt, um Brennstoffzellen effizienter zu machen – und zwar mit Nanotechnologie. Wasserstoff-betriebene Handys wären dadurch denkbar. „Wie cool wäre das, wenn wir irgendwann ein Smartphone in der Hand hielten, das auf unserem Material beruht?“, sagt Tigges, der von seinem Fenster aus auf den Duisburger Campus blickt.

Nanotechnologie gilt als eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Winzige Nanopartikel etwa finden sich heute schon in Lebensmitteln, Verpackungen, Textilien, Düngemitteln, Autozubehör oder Kosmetika – oder eben in Brennstoffzellen. Unter dem Dach des „Center for Nanointegration Duisburg-Essen“ (CENIDE) ist an der Ruhrgebietsuniversität ein Schwerpunkt für diese Forschung entstanden.

Das Know-how von mehr als 70 Arbeitsgruppen bündelt sich in Duisburg. Chemiker, Physiker, Ingenieure, Biologen und Mediziner arbeiten dort zusammen. Ihr Ziel: „nachhaltige Lösungen für die großen gesellschaftlichen Herausforderungen in den Bereichen Energie, Informationstechnologie und Gesundheit“, wie es auf der Webseite des CENIDE heißt. Teil dieses Forschungsnetzwerks ist auch das moderne Forschungsgebäude „NanoEnergieTechnikZentrum“ (NETZ), in dem das Labor von Sebastian Tigges liegt. Und seine Arbeit ist ein gutes Beispiel dafür, was sich die Forscher an der Universität Duisburg-Essen ausdenken.

Energie aus Wasserstoff – das Knallgasexperiment

Das Projekt, das Tigges die vergangenen drei Jahre beschäftigt hat, hat der Physiker Nicolas Wöhrl (47) gestartet. „Wir Physiker denken gerne in Problemen“, erklärt der Mann mit den langen Haaren, die er zu einem Pferdeschwanz zusammengebunden hat: „Unsere Gesellschaft hat einen großen Energiehunger, den wir nachhaltig etwa mit Solar oder Wind decken können – aber eben auch mit Brennstoffzellen.“

Bei Brennstoffzellen entsteht Energie aus einer Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Das Prinzip kennt jeder aus dem Physik-Unterricht in der Schule – das Knallgasexperiment. Dabei stülpt man einen mit Knallgas gefüllten Plastikbecher über einen Porzellantiegel. Auf ihm liegen kleine, mit Platin beschichtete Kügelchen. Nach kurzer Zeit knallt es und der Becher fliegt in die Luft. Das Platin wirkt dabei als Katalysator und löst eine kontrollierte Reaktion zwischen dem Wasserstoff und dem Sauerstoff im Knallgas aus. Das liegt daran, dass durch die Reaktion Wärme entsteht, die die Kügelchen aufheizt. Ist die Temperatur hoch genug, entzündet sich das Knallgas und explodiert. Demselben Prinzip folgt auch die Brennstoffzelle.

Nanopartikel in der Brennstoffzelle

„Die Frage ist hier, wie macht man diese Reaktion sehr effizient“, so Wöhrl. Platin ist teuer und selten. Das Problem: Die chemische Reaktion findet nur bei den Atomen an der Oberfläche statt. Hier kommen die winzig kleinen Nanopartikel zum Einsatz. „Viel Oberfläche, wenig Material“, ist der Ansatz, wie der Physiker erklärt. Diese Idee sei auch nicht neu, schon heute finden sich Nanopartikel in Brennstoffzellen.

Dabei gibt es aber mehrere Probleme: Erstens sei es „sehr aufwendig und teuer“ die Nanopartikel auf ein Grundmaterial wie Kohlenstoff aufzutragen. Mehrere komplizierte Schritte seien dazu notwendig. „Da war unser erster Gedanke, dass wir das in einem Schritt machen wollten“, so Sebastian Tigges: „Wir wollten nur auf einen Knopf drücken und hinten fällt am Ende das Material mit den Platin-Partikeln heraus.“ Das zweite Problem: Heutzutage streut die Industrie die Nanopartikel wie „Puderzucker“ über das Kohlenstoff-Gerüst. „Schlecht ist dabei, dass die Nanopartikel so nicht wirklich gut haften“, sagt Wöhrl. Das führt dazu, dass die Lebensdauer der Brennstoffzelle begrenzt ist. Mit der Zeit gehen Platin-Partikel verloren, die Brennstoffzelle verliert an Effizienz. „Aber was ist, wenn wir die Nanopartikel besser verankern?“, fragten sich die Forscher. Dabei kam den Physikern ihre erste Idee zugute. Da sie das Kohlenstoff-Gerüst nur in einem Produktionsschritt herstellen, gucken die Platin-Partikel etwas aus dem Gerüst heraus und sind verankert im Kohlenstoff.

Extreme Bedingungen im Inneren

So simpel wie ein Ofen funktioniert der Plasma-Reaktor im Duisburger Labor aber doch nicht. Im Inneren herrschen extreme Bedingungen. Die Temperatur erinnert dabei noch am ehesten an einen herkömmlichen Ofen. „Wir müssen vor allem die richtige Umgebung schaffen, der Rest läuft alleine ab“, betont Tigges den Fokus ihrer Arbeit. Mit 10 Pascal ist der Druck in der Kammer zum Beispiel 10.000 Mal niedriger als normal. Das Gasgemisch enthält 10.000 Moleküle weniger als die Atmosphäre, die wir atmen. Magneten erzeugen elektrische Felder, die das Gas aufladen und in Plasma verwandeln. Nicolas Wöhrl spricht von einem „vierten Aggregatszustand“. Fest, flüssig, gasförmig und plasmatisch. Im Inneren der kleinen Kammer, mit dem runden Bullauge, ist bei dem Prozess ein weißer Schimmer zu erkennen. Der Kohlenstoff, der verbrennt, strahlt so intensiv. Das Gas Argon selbst würde nur lila leuchten, wenn es alleine in der Apparatur wäre.

Heute mag Sebastian Tigges zwar nur einen Knopf gedrückt haben, aber bis zu diesem Moment war es ein langer Weg. Rund 125 Versuche waren nötig, um herauszufinden, wie der Prozess optimal abläuft. Pro Durchlauf sind mehrere Tage nötig, um zu wissen, was herausgekommen ist. Dann justieren die Forscher nach, um Schritt für Schritt dem Ziel näher zu kommen. „Das nennen wir ganz lieblos Optimierungsarbeit“, sagt Tigges und lacht. „Als Wissenschaftler muss man auch mal Glück haben“, sagt Wöhrl. „Es hat schnell gut funktioniert.“

Mittlerweile haben sie ihre Entdeckung zum Patent angemeldet. Jetzt beginnt die Suche nach einem Industriepartner, um herauszufinden, ob ihr Material tatsächlich dazu taugt, um sich irgendwann in einem Smartphone wiederzufinden.