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INTERVIEW MIT PROFESSOR DR. JOACHIM MAIER IM “FORUM CHEMIE MACHT ZUKUNFT” – 2009

Professor Dr. Joachim Maier
ist Direktor am Max-Planck-Institut
für Festkörperforschung
in Stuttgart.



„Die Elektrochemie ist eine Schlüsseldisziplin für die Schonung unserer Ressourcen.“

Professor Dr. Joachim Maier zur Batterie- und Brennstoffzellenforschung

Professor Joachim Maier, die Bundesregierung hat gerade ein Förderprogramm aufgestellt, damit Deutschland zum Leitmarkt für Elektromobilität wird. Werden Elektromobile bald eine alltagstaugliche Reichweite haben?

Wenn man vergleicht, wie viel Denkleistung bisher in den Verbrennungsmotor und wie wenig bis heute in solch neuere Ideen investiert worden ist, mag das gelingen, wenn auch die Chemie eine Reihe harter Randbedingungen setzt, an denen man nicht vorbeikommt. Fraglich ist, ob uns alle Bequemlichkeiten bleiben, die uns heutige Automobile bieten. Solche Entwicklungen brauchen jedenfalls Zeit. Nicht selten vergehen zehn Jahre, bis sich die Grundlagenforschung in Anwendungen niederschlägt. Für mich ist das Elektroauto an der Stelle nur Pars pro Toto für einen intelligenten und schonenden Umgang mit unseren Ressourcen, und hier spielen Batterie- und Brennstoffzellenforschung in der Tat eine wichtige Rolle.

Welche Technologie setzt sich beim Auto durch, Brennstoffzellen oder Batterien?

Das ist offen. Beide Systeme sind so verschieden nicht. Sie ermöglichen die direkte und effiziente Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. Im Falle der Batterie wird die umgewandelte chemische Energie beim Laden durch elektrischen Strom regeneriert, im Falle der Brennstoffzelle ersetzt man einfach den verbrauchten Treibstoff. Das erste Gefährt muss an die Steckdose, das zweite an die Zapfsäule. Der Vorteil des ersten Systems ist die Rückführung ansonsten ungenützter Energie beim Fahren. Der des zweiten ein besseres Verhältnis von Energie zu Masse. Bei der Elektrotraktion steht es zurzeit 1:0 für die Batterie.

Wird das Elektroauto der Zukunft aus Deutschland kommen, wie es sich die Bundesregierung erhofft?

Nur wenn wir uns wirklich anstrengen. Der Nachholbedarf ist groß. Die Formen der Energieumwandlung in Batterien und Brennstoffzellen gehören zum Gebiet der Elektrochemie, auf dem Deutschland immer führend war. Heute besteht vielerorts die Gefahr, den Anschluss zu verlieren. Der Industrie mangelt es an versierten Elektrochemikern. Und an den Hochschulen und Forschungsinstituten müssen sich die modernen Ansätze der Elektrochemie etablieren. Die wichtigen Neuerungen sind in den Bereichen zu erwarten, in die die Materialforschung hineinspielt. Sie wird diese Fragen entscheiden.

Was müssen die neuen Materialien leisten?

Gesucht werden etwa Stoffe, die sehr viel Energie speichern können, sie rasch umwandeln, langlebig, sicher, umweltverträglich und dann noch günstig sind. Da man diese Ansprüche nicht alle zugleich und mit simplen Materialien erfüllen kann und auch die Anwendungen sehr verschieden sind, brauchen wir eine ganze Palette neuer Stoffe. Denn eine Hochleistungsbatterie im Automobil wird sicherlich aus anderen Komponenten bestehen als eine Batterie für einen Herzschrittmacher.

Wie finden Sie diese Stoffe?

Man kann völlig neue herstellen, aber oft ist es wirkungsvoller, bestehende Materialien zu optimieren, zum Beispiel mithilfe von nanotechnologischen Methoden. Wobei man allerdings zuerst das Innenleben der Festkörper verstehen muss, die man als Komponenten in elektrochemischen Zellen einsetzt. Ein Festkörper ist nicht ein geschlossenes Ganzes, das nur an der Oberfläche chemisch zugänglich ist. Seine Eigenschaften lassen sich ähnlich gut beeinflussen wie die des Wassers durch die Zugabe von Salzen. In Festkörpern spricht man dann von „Fehlstellen“, dank derer man die Materialeigenschaften mit geeigneten Stellschrauben innerhalb einer außerordentlichen Bandbreite verändern kann.

Wie bauen Sie diese Fehlstellen ein?

Durch Zugabe anderer Stoffe, das sogenannte Dotieren, oder aber durch extremes Zerkleinern mittels Nanostrukturierung. Mit solchen Tricks können wir beeinflussen, wie schnell Elektronen oder Ionen in den elektrochemischen Zellen wandern, ja sogar einen elektrischen Isolator in einen Leiter verwandeln und einiges mehr.

Wird uns die Elektrochemie generell helfen, die Energieproblematik zu meistern?

Elektrochemische Zellen zu betreiben ist sicherlich eleganter, als fossile Treibstoffe zu verbrennen, aber ein Wundermittel ist es nicht, denn die Zellen erzeugen ja die Energie nicht. Unsere Abhängigkeit von Primärenergien können sie demnach im Prinzip nicht mindern, jedoch durch erhöhte Effizienz und Speicherfähigkeit Energie einsparen helfen. Dennoch wird die Elektrochemie für die Zukunft der Energietechnologien so wichtig werden, wie es die Halbleiterphysik für die Elektronik ist. Insgesamt wird unsere Welt über verschiedenste Elektromobile hinaus sehr viele Systeme sehen, in denen Elektrochemie integriert ist.

Bei welchen anderen Anwendungen?

In allen Systemen, deren Stromversorgung mobil sein muss, etwa in Robotersystemen. Aber auch in der Sensorik, was weniger bekannt ist. Hier geht es primär um chemische Information, nicht um chemische Energie. Dennoch helfen solche Sensoren, Energie zu sparen. Ein typischer Sensor ist die Lambdasonde, die im Abgas eines Automobils den Sauerstoffgehalt misst und mithilft, den Katalysator zu regeln. Die Funktionsweise solcher Sensoren ist nicht weit von derjenigen der Batterien und Brennstoffzellen entfernt. In einer Batterie trennt man zwei geeignete Stoffe durch ein Membransystem, damit sie nicht sofort chemisch miteinander reagieren können. In der Lambdasonde trennt man – sehr einfach gesprochen – zwei Kammern mit verschiedenem Sauerstoffgehalt, wovon eine das Abgas enthält.

Auf diese Weise könnten Sie auch CO2-Gehalte messen?

Wir haben hier in Stuttgart schon vor zehn Jahren einen eleganten CO2-Sensor gebaut, der hervorragend funktioniert. Auch Kohlenmonoxid-Sensoren sind wichtig, sie sorgen etwa in Laborräumen für mehr Sicherheit. Ein weiterer Anwendungsbereich elektrochemischer Zellen sind Filter. Man wandelt das Prinzip einer Batterie leicht ab und benützt eine Membran, die nicht nur Ionen, sondern auch Elektronen durchlässt. So kann man beispielsweise Sauerstoff filtern oder pumpen. Diese Methode hat Zukunft und ist in der Gesundheitstechnik und überall dort von Bedeutung, wo man reine Gase erzeugen will. Dies sind nur einige populäre Beispiele intelligenter Anwendungen, die die Elektrochemie bietet.

Alles überraschende Anwendungsbeispiele von Grundlagenforschung?

Zum Teil ja. Der Mechanismus des Erkenntnisgewinns funktioniert meist in dieser einen Richtung. Niemand hätte damit gerechnet, dass in der Medizintechnik einmal Röntgenstrahlen so viele Leben retten würden, wie sie es heute tun. Sie mussten zuerst entdeckt und erforscht werden. Mein Bild für den Innovationsprozess ist der Apfelbaum. Die Grundlagenforschung ist im Wurzelwerk angesiedelt. Die begehrten Äpfel sind die tollen Anwendungen. Welcher Weg nun genau durch die Verästelung zu einer bestimmten Neuerung geführt hat, kann man erst im Nachhinein sagen.

Wird das bei der Vergabe von Forschungsgeldern auch so gesehen?

In der Max-Planck-Gesellschaft, in der ich forsche, schon. Ich würde es mir auch für alle anderen Wissenschaftler in Deutschland wünschen. Denn kreative Zeit, die man zum Denken benötigt und die durch die Forschungsbürokratie häufig aufgebraucht wird, ist für Innovationen wichtiger als Programme.