HZB Newsroom

Neue organisch-anorganische Hybridmaterialien auf Basis von Wismut sind hervorragend als Röntgendetektoren geeignet, sie sind deutlich empfindlicher als handelsübliche Röntgendetektoren und langzeitstabil. Darüber hinaus können sie ohne Lösungsmittel durch Kugelmahlen hergestellt werden, einem umweltfreundlichen Syntheseverfahren, das auch in der Industrie genutzt wird. Empfindlichere Detektoren würden die Strahlenbelastung bei Röntgenuntersuchungen erheblich reduzieren.

Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und die Humboldt-Universität zu Berlin (HU Berlin) haben ein Memorandum of Understanding (MoU) zur Gründung des Berlin Battery Lab unterzeichnet. Das Labor wird die Expertise der drei Institutionen bündeln, um die Entwicklung nachhaltiger Batterietechnologien voranzutreiben. Die gemeinsame Forschungsinfrastruktur soll auch der Industrie für wegweisende Projekte in diesem Bereich offenstehen.

Einem internationalen Team ist es an BESSY II erstmals gelungen, einen besonders schnellen Prozess im Inneren eines magnetischen Schichtsystems, eines Spinventils, aufzuklären: An der Femtoslicing-Beamline von BESSY II konnten sie die ultraschnelle Entmagnetisierung durch spinpolarisierte Stromimpulse beobachten. Die Ergebnisse helfen bei der Entwicklung von spintronischen Bauelementen für die schnellere und energieeffizientere Verarbeitung und Speicherung von Information. An der Zusammenarbeit waren Teams der Universität Straßburg, des HZB, der Universität Uppsala sowie weiterer Universitäten beteiligt.

Lithium-Knopfzellen mit Elektroden aus Nickel-Mangan-Kobalt-Oxiden (NMC) sind sehr leistungsfähig. Doch mit der Zeit lässt die Kapazität leider nach. Nun konnte ein Team erstmals mit einem zerstörungsfreien Verfahren beobachten, wie sich die Elementzusammensetzung der einzelnen Schichten in einer Knopfzelle während der Ladezyklen verändert. An der Studie, die nun im Fachjournal Small erschienen ist, waren Teams der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), der Universität Münster sowie Forschende der Forschungsgruppe SyncLab des HZB und des Applikationslabors BLiX der Technischen Universität Berlin beteiligt. Ein Teil der Messungen fand mit einem Instrument im BLiX-Labor statt, ein weiterer Teil an der Synchrotronquelle BESSY II.

Clathrate zeichnen sich durch eine komplexe Käfigstruktur aus, die auch Platz für Gast-Ionen bietet. Nun hat ein Team erstmals untersucht, wie gut sich Clathrate als Katalysatoren für die elektrolytische Wasserstoffproduktion eignen. Das Ergebnis: Effizienz und Robustheit sind sogar besser als bei den aktuell genutzten Nickel-basierten Katalysatoren. Dafür fanden sie auch eine Begründung. Messungen an BESSY II zeigten, dass sich die Proben während der katalytischen Reaktion strukturell verändern: Aus der dreidimensionalen Käfigstruktur bilden sich ultradünne Nanoblätter, die maximalen Kontakt zu aktiven Katalysezentren ermöglichen. Die Studie ist in „Angewandte Chemie“ publiziert.

Zukünftige Mondsiedlungen werden Energie benötigen, die Photovoltaik liefern könnte. Material in den Weltraum zu bringen, ist jedoch teuer – ein Kilogramm zum Mond zu transportieren, kostet eine Million Euro. Doch auch auf dem Mond gibt es Ressourcen, die sich nutzen lassen. Ein Forschungsteam um Dr. Felix Lang, Universität Potsdam, und Dr. Stefan Linke, Technische Universität Berlin, haben nun das benötigte Glas aus „Mondstaub“ (Regolith) hergestellt und mit Perowskit beschichtet. Damit ließe sich bis zu 99 Prozent des Gewichts einsparen, um auf dem Mond PV-Module zu produzieren. Die Strahlenhärte konnte das Team am Protonenbeschleuniger des HZB getestet.

Im Jahr 2023 erzeugten Photovoltaikanlagen weltweit mehr als 5% der elektrischen Energie und die installierte Leistung verdoppelt sich alle zwei bis drei Jahre. Optische Technologien können die Effizienz von Solarmodulen weiter steigern und neue Einsatzbereiche erschließen, etwa in Form von ästhetisch ansprechenden, farbigen Solarmodulen für Fassaden. Nun geben 27 Fachleute einen umfassenden Überblick über den Stand der Forschung und eine Einschätzung, welche Innovationen besonders zielführend sind. Der Bericht, der auch für Entscheidungsträger*innen in der Forschungsförderung interessant ist, wurde von Prof. Christiane Becker und Dr. Klaus Jäger aus dem HZB koordiniert.

Anders als in der Schule gelernt, verändern sich manche Katalysatoren doch während der Reaktion: So zum Beispiel können bestimmte Elektrokatalysatoren ihre Struktur und Zusammensetzung während der Reaktion verändern, wenn ein elektrisches Feld anliegt. An der Berliner Röntgenquelle BESSY II gibt es mit dem Röntgenmikroskop TXM ein weltweit einzigartiges Instrument, um solche Veränderungen im Detail zu untersuchen. Die Ergebnisse helfen bei der Entwicklung von innovativen Katalysatoren für die unterschiedlichsten Anwendungen. Ein Beispiel wurde neulich in Nature Materials publiziert. Dabei ging es um die Synthese von Ammoniak aus Abfallnitraten.

Eine blütenförmige Struktur aus einer Nickel-Eisen-Legierung, die nur wenige Mikrometer misst, kann Magnetfelder lokal verstärken. Der Effekt lässt sich durch die Geometrie und Anzahl der „Blütenblätter“ steuern. Das magnetische Metamaterial wurde von der Gruppe um Dr. Anna Palau am Institut de Ciencia de Materials de Barcelona (ICMAB) mit Partnern aus dem CHIST-ERA MetaMagIC-Projekts entwickelt und nun an BESSY II in Zusammenarbeit mit Dr. Sergio Valencia untersucht. Die Mikroblüten ermöglichen vielfältige Anwendungen: Sie können die Empfindlichkeit magnetischer Sensoren erhöhen, die Energie für die Erzeugung lokaler Magnetfelder reduzieren, und am PEEM-Messplatz an BESSY II die Messung von Proben unter deutlich höheren Magnetfeldern ermöglichen.

Ein neuartiges poröses Material kann Deuterium bei einer Temperatur von 120 K von Wasserstoff trennen. Dabei übersteigt diese Temperatur den Verflüssigungspunkt von Erdgas deutlich, was großtechnische Anwendungen erleichtert, zum Beispiel für die wirtschaftliche Produktion von Deuterium über die Infrastruktur von Pipelines für Flüssigerdgas (LNG). An der Forschungsarbeit sind Teams aus dem Ulsan National Institute of Science & Technology (UNIST), Korea, dem Helmholtz-Zentrum Berlin, dem Heinz Maier Leibnitz Zentrum (MLZ) und der Soongsil University, Korea, beteiligt.

Dr. Moses Alfred Oladele arbeitet in einem gemeinsamen Projekt mit der Gruppe von Dr. Matt Mayer, HZB, und Prof. Andreas Taubert, Universität Potsdam, an innovativen Photokatalysatoren zur Umwandlung von CO₂ mit Licht. Der Chemiker von der Redeemer‘s University in Nigeria, kam mit einem Georg-Forster-Forschungsstipendium der Alexander von Humboldt-Stiftung nach Berlin und wird zwei Jahre am HZB forschen.

Frankfurt, 06. März 2025 – Die führenden deutschen Solarforschungseinrichtungen, die Fachabteilung „Photovoltaik Produktionsmittel“ des Industrieverbands VDMA und das Produktionsplanungs-Unternehmen RCT Solutions, haben ein gemeinsames Positionspapier zur Stärkung der deutschen und europäischen Solarindustrie veröffentlicht. Dieses wird nun an die Parteien übermittelt, die nach der Bundestagswahl im Bundestag vertreten sind. Ziel ist es, die vorgeschlagenen Maßnahmen in die Koalitionsverhandlungen einzubringen und damit die Grundlage für eine widerstandsfähige und wettbewerbsfähige Solarindustrie in Deutschland zu schaffen.

Perowskit-Solarzellen sind kostengünstig in der Herstellung und hocheffizient. Im Außeneinsatz unter realen Wetterbedingungen ist jedoch noch fraglich, wie lange sie stabil bleiben. Dieses Thema greift nun eine internationale Kooperation unter Leitung von Prof. Antonio Abate in der Fachzeitschrift Nature Reviews Materials auf. Die Forschenden untersuchten die Auswirkungen von wiederholten thermischen Zyklen auf Mikrostrukturen und Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Schichten von Perowskit-Solarzellen. Das Fazit: Der entscheidende Faktor für die Degradation von Metall-Halogenid-Perowskiten sind thermische Spannungen. Daraus lassen sich Strategien ableiten, um die Langzeitstabilität von Perowskit-Solarzellen gezielt zu steigern.

Das HZB arbeitet mit dem südafrikanischen Unternehmen Sasol im Projekt CARE-O-SENE an nachhaltigem Kerosin für die Luftfahrt (SAF) und entwickelt dafür innovative Katalysatoren. Nun verstärkt sich die Zusammenarbeit: Mit Dr. Denzil Moodley kommt ein leitender Wissenschaftler aus dem Bereich Fischer-Tropsch bei Sasol Research and Technology an das HZB. Moodley wird am HZB seine Expertise einbringen, mit dem Ziel, den Innovationszyklus für nachhaltige Kraftstofftechnologien zu beschleunigen.

Nanostrukturen mit spezifischen elektromagnetischen Texturen versprechen Anwendungsmöglichkeiten für die Nanoelektronik und zukünftige Informationstechnologien. Es ist jedoch sehr schwierig, solche Texturen zu kontrollieren. Nun hat ein Team am HZB eine bestimmte Klasse von Nanoinseln auf Silizium mit chiralen, wirbelnden polaren Texturen untersucht, die durch ein externes elektrisches Feld stabilisiert und sogar reversibel umgeschaltet werden können.

Neue Einblicke in Lithium-Schwefel-Pouchzellen hat ein Team aus HZB und dem Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden an der BAMline von BESSY II gewonnen. Ergänzt durch Analysen im Imaging Labor des HZB sowie weiteren Messungen ergibt sich ein neues und aufschlussreiches Bild von Prozessen, die Leistung und Lebensdauer dieses industrierelevanten Batterietyps begrenzen. Die Studie ist im renommierten Fachjournal "Advanced Energy Materials" publiziert.

An der Berliner Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II ist es gelungen, die größte magnetische Anisotropie eines einzelnen Moleküls zu bestimmen, die jemals experimentell gemessen wurde. Je größer diese Anisotropie ist, desto besser eignet sich ein Molekül als molekularer Nanomagnet. Solche Nanomagnete besitzen eine Vielzahl von potenziellen Anwendungen, z. B. als energieeffiziente Datenspeicher. An der Studie waren Forschende aus dem Max-Planck-Institut für Kohlenforschung (MPI KOFO), dem Joint Lab EPR4Energy des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion (MPI CEC) und dem Helmholtz-Zentrums Berlin beteiligt.

Die Entwicklung effizienter Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklung (OER) ist entscheidend für den Fortschritt der Protonenaustauschmembran (PEM)-Wasserelektrolyse, wobei Iridium-basierte OER-Katalysatoren trotz der Herausforderungen im Zusammenhang mit ihrer Auflösung vielversprechend sind. Eine gemeinsame Forschung des Helmholtz-Zentrums Berlin und des Fritz-Haber-Instituts hat Einblicke in die Mechanismen der OER-Leistung und der Iridiumauflösung für amorphe hydrierte Iridiumoxide geliefert und das Verständnis dieses kritischen Prozesses vorangetrieben. Messungen an BESSY II haben dazu wesentliche Erkenntnisse geliefert.

Für die Produktion von Wasserstoff mit Elektrolyse werden Iridiumbasierte Katalysatoren benötigt. Nun zeigt ein Team am HZB und an der Lichtquelle ALBA, dass die neu entwickelten P2X-Katalysatoren, die mit nur einem Viertel des Iridiums auskommen, ebenso effizient und langzeitstabil sind wie die besten kommerziellen Katalysatoren. Messungen am EMIL-Labor an BESSY II haben nun ans Licht gebracht, wie die besondere chemische Umgebung im P2X-Kat während der Elektrolyse die Wasserspaltung befördert.

Das HZB hat gemeinsam mit der Universität der Bundeswehr München eine neue Beamline für die präklinische Forschung eingerichtet. Sie ermöglicht künftig am HZB Experimente an biologischen Proben zu innovativen Strahlentherapien mit Protonen.

Um die Kapazität von Lithiumbatterien weiter zu steigern, werden neue Kathodenmaterialien entwickelt. Mehrschichtige lithiumreiche Übergangsmetalloxide (LRTMO) ermöglichen eine besonders hohe Energiedichte. Mit jedem Ladezyklus wird jedoch ihre Kapazität geringer, was mit strukturellen und chemischen Veränderungen zusammenhängt. Mit Röntgenuntersuchungen an BESSY II hat nun ein Team aus chinesischen Forschungseinrichtungen diese Veränderungen erstmals experimentell mit höchster Präzision vermessen: Mit dem einzigartigen Röntgenmikroskop konnten sie morphologische und strukturelle Entwicklungen auf der Nanometerskala beobachten und dabei auch chemische Veränderungen aufklären.

Einem Team aus Technischer Universität Berlin, Helmholtz-Zentrum Berlin, Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg (IMTEK) und Siemens Energy ist es gelungen, eine hocheffiziente alkalische Membran-Elektrolyse Zelle erstmals im Labormaßstab in Betrieb zu nehmen. Das Besondere: Der Anodenkatalysator besteht dabei aus preisgünstigen Nickelverbindungen und nicht aus begrenzt verfügbaren Edelmetallen. An BESSY II konnte das Team die katalytischen Prozesse durch operando Messungen im Detail darstellen, ein Theorie Team (USA, Singapur) lieferte eine konsistente molekulare Beschreibung. In Freiburg wurden mit einem neuen Beschichtungsverfahren Kleinzellen gebaut und im Betrieb getestet. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachjournal Nature Catalysis publiziert.

Zehn Teams am Helmholtz-Zentrum Berlin bauen eine langfristige internationale Allianz auf, um gemeinsam Verfahren zu entwickeln, die die Reproduzierbarkeit von Perowskit-Materialien sicherstellen. Das Projekt TEAM PV wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Ein HZB-Team hat mit Freiberg Instruments einen innovativen Monochromator entwickelt, der nun auf den Markt kommt. Das Gerät ermöglicht es, die optoelektronischen Eigenschaften von Halbleitermaterialien kontinuierlich und rasch mit hoher Präzision zu erfassen, und zwar über einen breiten Spektralbereich vom nahen Infrarot bis ins tiefe Ultraviolett. Dabei wird Streulicht effizient unterdrückt. Die Innovation ist für die Entwicklung neuer Materialien interessant und auch einsetzbar, um industrielle Prozesse besser zu kontrollieren.

Spintronische Bauelemente arbeiten mit magnetischen Strukturen, die durch quantenphysikalische Wechselwirkungen hervorgerufen werden. Nun hat eine Spanisch-Deutsche Kooperation Heterostrukturen aus Graphen-Kobalt-Iridium an BESSY II untersucht. Die Ergebnisse belegen, wie sich in diesen Heterostrukturen zwei erwünschte quantenphysikalische Effekte gegenseitig verstärken. Dies könnte zu neuen spintronischen Bauelementen aus solchen Heterostrukturen führen.

Die Materialklasse der MXene besitzt vielfältige Talente. Nun hat ein internationales Team um HZB-Chemikerin Michelle Browne gezeigt, dass MXene als Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion bei der elektrolytischen Wasserspaltung geeignet sind. Dabei arbeiten sie stabiler und effizienter als die derzeit besten Metalloxid-Katalysatoren. Das Team hat die neuartigen Katalysatoren für die elektrolytische Aufspaltung von Wasser nun umfassend an der Berliner Röntgenquelle BESSY II und am Synchrotron Soleil, Frankreich, charakterisiert.

Bevor Lebensmittel verderben bilden sich meist bestimmte reaktionsfreudige Moleküle, sogenannte freie Radikale. Bisher war der Nachweis dieser Moleküle für Lebensmittelunternehmen sehr kostspielig. Ein Team aus HZB und Universität Stuttgart hat nun einen tragbaren und kostengünstigen „EPR-on-a-Chip“-Sensor entwickelt, der freie Radikale auch in geringsten Konzentrationen nachweisen kann. Nun bereitet das Team die Gründung eines Spin-off-Unternehmens vor, gefördert durch das EXIST-Forschungstransferprogramm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz. Der EPRoC-Sensor soll zunächst bei der Herstellung von Olivenöl und Bier eingesetzt werden, um die Qualität dieser Produkte zu sichern.

Ein Team aus führenden Expertinnen und Experten aus Medizinphysik, Physik und Strahlentherapie, zu dem auch die HZB-Physikerin Prof. Andrea Denker und der Charité-Medizinphysiker Dr. Jens Heufelder gehören, hat einen Übersichtsartikel zur Protonentherapie von Augentumoren veröffentlicht. Der Beitrag ist im Red Journal, einem der renommiertesten Fachjournale in diesem Bereich erschienen. Er stellt die Besonderheiten dieser Therapieform am Auge vor, erläutert den Stand der Technik und aktuelle Forschungsschwerpunkte, gibt Empfehlungen zur Durchführung der Bestrahlungen und einen Ausblick auf künftige Entwicklungen.

In der Materialklasse der Langbeinite wurde eine 3D-Quantenspinflüssigkeit entdeckt. Gründe für dieses ungewöhnliche Verhalten liegen in der kristallinen Struktur und den dadurch bedingten besonderen magnetischen Wechselwirkungen. Dies hat nun ein internationales Team durch Experimente an der Neutronenquelle ISIS und theoretische Modellierungen an einer Nickel-Langbeinit-Probe gezeigt.

Der Plan klingt bestechend: Neuartige Elektrolyseure sollen aus ungereinigtem Meerwasser mit Strom aus Sonne oder Wind direkt Wasserstoff erzeugen. Doch bei näherer Betrachtung zeigt sich, dass solche DSE-Elektrolyseure (DSE = Direct Seawater Electrolyzers) noch Jahre anspruchsvoller Forschung erfordern. Dabei sind neuartige Elektrolyseure gar nicht nötig, um Meerwasser für die Produktion von Wasserstoff zu verwenden – eine Entsalzung reicht aus, um Meerwasser für konventionelle Elektrolyseure aufzubereiten. In einem Kommentar im Fachjournal Joule vergleichen internationale Expert*innen Kosten und Nutzen der unterschiedlichen Ansätze und kommen zu einer klaren Empfehlung.

 

Die besonderen Eigenschaften von magnetischen Materialien aus der Gruppe der Seltenen Erden gehen auf Elektronen in der 4f-Schale zurück. Bislang galten die magnetischen Eigenschaften der 4f-Elektronen als kaum kontrollierbar. Nun hat ein Team von HZB, der Freien Universität Berlin und weiteren Einrichtungen erstmals gezeigt, dass durch Laserpulse 4f-Elektronen beeinflusst – und damit deren magnetische Eigenschaften verändert werden können. Die Entdeckung, die durch Experimente am EuXFEL und FLASH gelang, weist einen neuen Weg zu Datenspeichern mit Seltenen Erden.

Feststoffbatterien können mehr Energie speichern und sind sicherer als Batterien mit flüssigen Elektrolyten. Allerdings halten sie nicht so lange und ihre Kapazität nimmt mit jedem Ladezyklus ab. Doch das muss nicht so bleiben: Forscherinnen und Forscher sind den Ursachen bereits auf der Spur. In der Fachzeitschrift ACS Energy Letters stellt ein Team des HZB und der Justus-Liebig-Universität Gießen eine neue Methode vor, um elektrochemische Reaktionen während des Betriebs einer Feststoffbatterie mit Photoelektronenspektroskopie an BESSY II genau zu verfolgen. Die Ergebnisse helfen, Batteriematerialien und -design zu verbessern.

Am 17. Juni 2024 ist in Jena das Helmholtz-Institut für Polymere in Energieanwendungen (HIPOLE Jena) im Beisein von Wolfgang Tiefensee, Minister für Wirtschaft, Wissenschaft und Digitale Gesellschaft des Freistaates Thüringen, feierlich eröffnet worden. Das Institut wurde vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) in Kooperation mit der Friedrich-Schiller-Universität Jena gegründet: Es widmet sich der Entwicklung nachhaltiger Polymermaterialien für Energietechnologien. Diese sollen eine Schlüsselrolle bei der Energiewende spielen und Deutschlands Ziel unterstützen, bis 2045 klimaneutral zu werden.

Am 11. und 12. Juni fand die Ukraine Recovery Conference in Berlin statt. Begleitend diskutierten Vertreter*innen von Helmholtz, Fraunhofer und Leibniz, wie Forschung zu einem nachhaltigen Wiederaufbau der Ukraine beitragen kann. In diesem Interview spricht Bernd Rech, wissenschaftlicher Geschäftsführer am HZB, über die Bedeutung von Forschung während des Krieges und Projekten wie Green Deal Ukraina.

Mit einer 50-köpfigen Delegation besuchte der chilenische Staatspräsident Gabriel Boric Font am 11. Juni das HZB. Zu den großen Momenten des Abends zählten die Unterzeichnung eines Memorandum of Understanding zwischen der chilenischen „Gesellschaft für Produktionsförderung“ CORFO und dem HZB sowie der Besuch der Röntgenquelle BESSY II.

Einem internationalen Forschungsteam ist es gelungen, einen Zwischenschritt bei der Katalyse von Alkanen zu beobachten. Mit dem Verständnis dieser Reaktionen lassen sich in Zukunft bestehende Katalysatoren optimieren und neue finden, um zum Beispiel das Treibhausgas Methan in wertvolle Grundstoffe für die Industrie zu verwandeln.