Der Zeitpunkt für den Besuch von Staatssekretär Norbert Barthle am Forschungsinstitut fem in Schwäbisch Gmünd hätte günstiger nicht sein können: Der unlängst von Bundesminister Dr. Gerd Müller zum Beauftragten für Wirtschaft und Energie ernannte Barthle traf sich zum Meinungsaustausch mit Institutsleiter Dr. Andreas Zielonka, der mitten in der Vorbereitung des Auftakttreffens zweier neuer Forschungsprojekte steckte. Thema der Projekte: der Energieträger Wasserstoff – genauer: wie wird er erzeugt, wie gespeichert und transportiert, wie schließlich genutzt? Zentrale Fragen, die auch im Zentrum des Aufgabenbereichs von Norbert Barthle im Bundesministerium für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (BMZ) stehen und mit denen sich das fem nun im Rahmen der Entwicklung von wiederverwertbaren Wasserstoffdrucktanks und leistungsstarken Brennstoffzellenmodulen – Stichwort Wasserstofffahrrad – verstärkt widmet.

Ein Vorhaben, das bei Staatssekretär Barthle auf größtes Interesse stieß, denn innerhalb der von der Bundesregierung beschlossenen Nationalen Wasserstoffstrategie (NWS) ist das BMZ unter anderem für die Einrichtung von Demonstrationsprojekten zu grünem Wasserstoff unter Einbezug von Produktionsstandorten in Partnerländern der deutschen Entwicklungszusammenarbeit zuständig. Barthle stellte die grundlegende Bedeutung des Themas Wasserstoff deutlich heraus: „Der Klimawandel stellt die gesamte Menschheit vor neue Herausforderungen. Wir brauchen in Deutschland und weltweit eine Energiewende, um diese Herausforderungen erfolgreich zu meistern. Grüner Wasserstoff stellt einen Schlüsselrohstoff für eine erfolgreiche Energiewende dar, insbesondere auch als Speicher für regenerative Energien. Einrichtungen wie das fem leisten hierzu einen wichtigen Beitrag.“

Für das fem, dessen Hauptaufgabe in der praxisorientierten Forschungs- und Entwicklungsarbeit für lokale KMU und die Industrie besteht, ist der Technologietransfer ein Schlüssel zum Erfolg: „Im globalen Wettbewerb kommt alles darauf an, umsetzbare Forschungsergebnisse schnell und direkt der Wirtschaft zur Verfügung zu stellen“, so Institutsleiter Zielonka. Damit dies in Zukunft noch besser gelingt als bisher, habe das fem die Forschungs- und Transferallianz Wasserstoff in der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) initiiert und mitgegründet. Ziel der Allianz, so Zielonka, sei die Koordination der FuE-Aktivitäten innerhalb der AiF und eine Beschleunigung des Transfers von Wissen in die Anwendungsgebiete.

„Ohne eine vernünftige finanzielle Ausstattung der beiden wichtigen, vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Programme – das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) und die Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) – sind diese Ziele aber nicht zu erreichen“, gibt Zielonka zu bedenken. Es würden derzeit zwar große Anstrengungen unternommen, die teils dramatischen Auswirkungen der Corona-Pandemie auf die Wirtschaft abzudämpfen, die angewandte Industrieforschung komme dabei aber zu leider kurz. Bereits bewilligte Forschungsprojekte könnten nicht gestartet werden, weil die Mittel fehlten. Das sei frustrierend für Forscherinnen und Forscher, sorge aber vor allem für einen unnötigen Stau beim Technologietransfer. Zielonkas abschließende Bitte an Staatssekretär Barthle: Eine starke Stimme in der Bundeshauptstadt, die sich für die anwendungsorientierte Forschung einsetzt.

Zum ersten Mal in der bald einhundertjährigen Geschichte des Gmünder Forschungsinstituts fand die Mitgliederversammlung nicht im Institut, sondern vor den Bildschirmen statt. Der Platinsaal blieb leer, die Gäste trafen sich in der Videokonferenz. Ein Novum auch für den Institutsleiter Dr. Andreas Zielonka: „Es ist ja erstaunlich, wie schnell man sich an die neue Kommunikationsform gewöhnt hat. Aber es fehlt natürlich das persönliche Gespräch in der Kaffeepause, der direkte Austausch mit den Partnern aus Industrie und Forschung.“ Im Juni hätte erstmals die zweitägige fem Sommerakademie mit Vorträgen, Workshops und Expertengesprächen stattfinden sollen – sie fiel der Corona-Krise zum Opfer. „Die aktuelle Krise geht eben auch an uns nicht völlig spurlos vorüber. Aber wir sind sehr froh, dass es nicht einen einzigen Krankheitsfall am fem gegeben hat. Und die Sommerakademie werden wir auf alle Fälle nachholen“, so Zielonka.

Frühzeitig setzte das Institut auf strikte Hygieneregeln, räumliche Trennung, mobiles Arbeiten und Zweischichtbetrieb. Eine Eintrübung der Auftragslage ließ sich dadurch aber nicht verhindern. Als wirtschaftsnahes Forschungsinstitut sei man selbstverständlich nicht unabhängig von der Entwicklung in den Betrieben. Schrumpfe deren Auftragsvolumen, dann sinke auch das Budget für Auftragsforschung und Dienstleistungen, erklärt der Institutsleiter des fem. „Wenn ein Standbein schwächelt, muss das andere gestärkt werden. Wir haben darum viel Zeit und Energie in neue Forschungsprojekte investiert, und der Aufwand hat sich gelohnt“, freut sich Zielonka. Zahlreiche neue Projekte mit einem Gesamtvolumen von rund 3 Millionen Euro sind in den letzten Wochen bewilligt worden, weitere Projekte werden derzeit begutachtet. Das sei zweifellos sehr gut für das Institut und seine knapp neunzig Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter; noch größer aber sei die Bedeutung dieser Projekte für den Technologietransfer in die regionale Wirtschaft auf so wichtigen Zukunftsfeldern wie Energietechnik, Digitalisierung und Recycling.

In zwei von der Deutschen Bundesstiftung für Umwelt geförderten Projekten arbeitet die Abteilung Analytik bis Ende 2021 an Methoden zur Rückgewinnung von wertvollen Neodym-Magneten aus Elektroantrieben, die bislang im Altgeräteschrott weitgehend verloren gehen, sowie an der photovoltaikbetriebenen Herstellung von Trinkwasser durch Meerwasserentsalzung. „Trinkwasserknappheit ist heute schon ein Problem und wird sich in Zukunft verschärfen“, so der neue Abteilungsleiter Dr. Martin Aschenbrenner, der das Projekt betreut: „Wir hoffen, gemeinsam mit unserem Industriepartner eine marktfähige Lösung entwickeln zu können.“

Auf dem Gebiet der additiven Fertigung bzw. des selektiven Laserschmelzens (SLM) von metallischen Werkstoffen leistet das fem seit fast zehn Jahren einen kontinuierlichen Beitrag zum Zukunftsthema digitalisierte Fertigungsverfahren. In zwei vom Bundesministerium für Wirtschaft im Rahmen der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) unterstützten Vorhaben geht es zum einen darum, das Verfahren des Laserschmelzens noch gründlicher und genauer zu verstehen. Grundlegende Fragen und Probleme der Verarbeitbarkeit verschiedener Materialien werden untersucht. Im zweiten Projekt wird die Produktion von medizinischen Knochenimplantaten aus biokompatiblen Zinklegierungen und von Prototypen für den Zinkdruckguss erforscht. Zum Einsatz kommen dabei die Anfang Juli installierte, leistungsfähigere SLM-Anlage und der Atomizer, mit dem es möglich ist, Metallpulver aus eigenen, individuellen Legierungen herzustellen.

Zwei weitere, vom Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) geförderte Projekte, haben schließlich das Thema urbane Mobilität im Fokus, genauer gesagt: die Entwicklung des Prototyps eines Wasserstofffahrrads. Ziel des Projekts, an dem Partner aus der Forschung, der Fahrradindustrie sowie der ehemalige Radsportprofi, mehrfache Deutsche Meister und Weltmeister im Cyclocross Mike Kluge beteiligt sind, ist die Entwicklung eines wiederverwertbaren Wasserstoffdrucktanks und eines leichten, sehr leistungsstarken und robusten Brennstoffzellenmoduls. Tank und Brennstoffzelle werden so konstruiert, dass sie in einen Fahrradrahmen integriert werden, aber auch in Scootern oder Kleintransportern zum Einsatz kommen können. Der Vorteil im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkus: Deutlich weniger Gewicht, sehr schnelle Ladezeiten und hohe Reichweiten bei konstant hoher Leistung. „Es gibt eine ganze Reihe kniffliger Probleme zu lösen, aber wir sind sehr zuversichtlich, dass uns ein großer Schritt in die richtige Richtung gelingen wird“, betont Dr. Andreas Zielonka. »Uns ist es wichtig, mit dem Projekt zu zeigen, dass Wasserstoff einen wesentlichen Beitrag zur Speicherung und Nutzung regenerativ erzeugter Energie leisten kann.«

Erst im vergangenen Jahr kam er als Laborleiter nach Schwäbisch Gmünd, jetzt übernimmt Dr. Martin Aschenbrenner noch mehr Verantwortung am fem: Im Sommer tritt er die Nachfolge von Dr. Martin Völker als Leiter der Abteilung Analytik an. Völker war fast zwanzig Jahre Abteilungsleiter am Forschungsinstitut und verabschiedet sich nach einer Übergangszeit, in der er die Leitung an seinen jungen Nachfolger übergibt, in den Ruhestand.

Aschenbrenner absolvierte eine Ausbildung zum chemisch-technischen Assistenten und arbeitete einige Jahre lang in der Biotechnologiebranche, bevor er an der Universität Bielefeld ein Studium der Chemie begann, das er 2014 mit dem Masterabschluss erfolgreich beendete. Weitere vier Jahre später erwarb er mit seiner Dissertation über „Synthese und Charakterisierung neuer Ligandensysteme und deren Komplexe zur Einführung neuer Funktionalitäten in dinuklearen Katalysatoren“ den Doktortitel. 2019 dann zog er mit seiner Familie in den Ostalbkreis und trat seine Stelle als Laborleiter am fem an.

Bewährte Themen möchte Aschenbrenner, der im Mai die Arbeit an seinem ersten, von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt geförderten Forschungsprojekt am fem zum Thema Meerwasserentsalzung aufgenommen hat, fortführen. Aber auch einige neue Schwerpunkte setzen: "Ein Thema wäre die Entwicklung von Metallkomplex-Katalysatoren, mit denen Industrieprozesse zukünftig effizienter und umweltschonender gestaltet werden können.“ Das Dienstleistungsgeschäft liegt dem gebürtigen Oberbayern ebenfalls am Herzen. „Die technologische Entwicklung ist rasant, die Anforderungen aus der Industrie an uns Dienstleister steigen stetig, da ist es wichtig, genau zu verfolgen, was sich auf dem Gebiet der Analysemethoden tut, um im Wettbewerb mithalten zu können“, so Aschenbrenner.

Die Innovationsallianz Baden-Württemberg (innBW) unterstützt seit Jahren den Technologietransfer von der Forschung in die Wirtschaft. Nun erhält der Zusammenschluss von 13 außeruniversitären Forschungsinstituten – darunter das fem in Schwäbisch Gmünd – eine Geschäftsstelle in Stuttgart und einen rechtlichen Rahmen als eingetragener Verein. Dies beschloss die innBW am 24. Juni 2020. Vorsitzender wird der bisherige Sprecher Prof. Dr. Alfons Dehé, Stellvertreterin Prof. Dr. Katja Schenke-Layland. Anke Fellmann leitet die Geschäftsstelle. Mit der Reorganisation will die Forschungsgemeinschaft ihre Kontakte zu Unternehmen weiter ausbauen und sich noch schlagkräftiger aufstellen. Ziel ist der Transfer neuer Technologien unter anderem aus der Energie-, Informations- und Gesundheitsforschung in baden-württembergische Unternehmen. Wirtschaftsministerin Dr. Nicole Hoffmeister-Kraut begrüßte die Entscheidung und sicherte eine finanzielle Förderung zu.

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In dem jüngst im Verlag der Royal Society of Chemistry erschienenen Sammelband Electrochemical Methods for Hydrogen Production ist auch Dr. Mila Manolova vom fem vertreten. Gemeinsam mit Dr. Mamlouk von der Universität Newcastle steuerte sie das sechste Kapitel bei. Darin beschäftigen sich die Autoren mit der Technologie der Alkaline anion exchange membrane water electrolysers (AAEMWE).

Alkaline anion exchange membrane water electrolysers (AAEMWE) use electrical energy to split water into its elemental components, hydrogen (on the cathode) and oxygen (on the anode). The cell reactions in the AAEMWE are the same as in traditional alkaline electrolysers using 30–35 wt% KOH liquid electrolyte. The essential difference between AAEMWE and Alkaline Water Electrolysis (AWE) is that the liquid electrolyte is replaced by a thin ion exchange membrane (solid electrolyte) to allow for OH− anions transport. This chapter describes the state of the art of AAEMWEs. It discusses aspects of electrocatalysts for the cell reaction and the membrane technology required for cell fabrication. A discussion of cell and stack construction materials is provided. Performance data for recently developed hydrogen generation cells is also provided with current progress towards commercial systems described.

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Im neuen Forscherinnenportrait auf der Website der Zuse-Gemeinschaft dreht sich alles um die industrielle Computertomographie - und um Anastasia Bayer, die als Laborleiterin am fem seit zehn Jahren verantwortlich ist für das zerstörungsfreie Durchstrahlen von Bauteilen, Proben und archäologischen Funden. Neugierig? Den ganzen Artikel finden Sie hier!

Für Nanomaterialien bestehen heute viele interessante Anwendungsfelder, wie beispielsweise smarte Textilien, Medizinprodukte oder Batterien. Die Verarbeitung von Nanofasern ist allerdings aufgrund der Van-der-Waals-Kräfte problematisch. Einfach gesagt: Durch diese Kräfte neigen die Fasern stark zur Anhaftung an nahezu allen Oberflächen. Das verhinderte bislang eine breitere Anwendung der Fasern. Es gibt jedoch in der Natur Vorbilder wie die Webspinne (Uloborus Plumipes), die Nanofasern von 10 bis 30 nm Dicke produziert, diese zu Fangwolle verarbeitet und ihre Beute damit einwickelt, ohne sich selbst darin zu verstricken. Die Spinne benutzt dazu eine spezielle kammartige Struktur am Mittelfuß des Hinterbeins, das sogenannte Calamistrum. Untersuchungen im Rasterelektronenmikroskop (REM) haben gezeigt, dass die Haare des Calamistrums eine besondere Nanostrukturierung aufweisen. Werden sie entfernt, verklumpen die Fasern.

Zur Erforschung der Struktur wurde am fem in Schwäbisch Gmünd die hochauflösende FIB-REM-Tomographiemethode angewandt: Mittels fokussiertem Galliumionenstrahl (FIB: focused ion beam) wurde das Calamistrum scheibenweise abgetragen und gleichzeitig wurde im REM von jeder Schnittebene automatisch eine Aufnahme erstellt. Aus dem resultierenden Stapel von REM-Aufnahmen wurde anschließend, unterstützt durch zwei Institute der RWTH Aachen, die Struktur des Calamistrums rekonstruiert. Gemeinsam wurde ein Interaktionsmodell entwickelt, das im Detail zeigt, wie die Nanofasern über den Kamm gleiten. Die Vermutung war, dass die Anordnung der Haare des Calamistrums sowie die Nanotopographie auf den Haaren die Kontaktfläche mindern und die Anhaftung somit reduzieren.

Unter Federführung des Zoologischen Instituts der RWTH Aachen wurde gemeinsam mit der PTB Braunschweig und der Universität Linz nun ein biomimetischer, also ein die Natur nachahmender Ansatz verfolgt: Die Nanotopographie des 3D-Modells wurde mittels Laser auf PET-Folie übertragen. Die so erzeugte Nanotopographie, vergleichbar mit der eines Fingerabdrucks, erwies sich als deutlich weniger adhäsiv als die unstrukturierte Folie. Eine Beschichtung der strukturierten Folie mit Gold hatte keine Auswirkungen, der Effekt ist folglich unabhängig vom Material. Simulationen deuten darauf hin, dass die Nanostrukturierung abstoßende Kräfte erzeugt, die größer sind als die anziehenden Van-der-Waals-Kräfte. Das Ergebnis des Projekts: Die Funktionalität einer evolutionären, biologischen Struktur kann erfolgreich auf eine technische Oberfläche übertragen werden. In Zukunft soll diese Methode dabei helfen, Werkzeuge zur kontrollierten Verarbeitung von Nanofasern zu entwickeln.

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Musterbeispiel für industriegetragene Forschung

Am 1. Februar 2020 startete das gemeinsam von der Deutschen Gesellschaft für Galvano- und Oberflächentechnik (DGO) und dem fem beantragte Forschungsprojekt „Prozessentwicklung für Aluminium als Werkstoff für Leiter und Steckverbinder in der Automobilelektronik unter Einsatz angepasster Zinnlegierungsschichten“. In Kooperation mit einem Industriekonsortium, dem mittlerweile 16 klein- und mittelständische Unternehmen angehören, wird das Ziel verfolgt, eine ideale Prozesskette für die galvanische Zinnlegierungsabscheidung auf Aluminiumsubstraten im Bereich der Automobilelektronik zu entwickeln. Der Schwerpunkt liegt auf Verfahrensanpassungen, durch die optimale Prozesszeiten bei großvolumigen, kontinuierlichen Abläufen (z.B. Bandgalvanik) erreicht werden sollen.  Motiviert ist das Vorhaben durch die kontinuierliche Zunahme elektrischer und elektronischer Komponenten in Fahrzeugen, speziell in der Elektromobilität; aufgrund des Gewichts- und Kostenvorteils im Vergleich zu Kupfer bietet sich der Einsatz von Aluminiumwerkstoffen an.

Nach Bewilligung des Projektantrags Ende 2019 ist nun der Startschuss für die Projektarbeiten gefallen: „Das Projekt ist ein Musterbeispiel für industriegetragene Forschung“, unterstreicht Dr. Andreas Zielonka, Leiter des fem und Vizepräsident der AiF, die Herangehensweise und die bisherige Umsetzung. „Industrierelevante Themen aus der Branche werden aufgegriffen, die richtigen Partner an einen Tisch geholt und konkrete Projekte erarbeitet. Die sehr gute Resonanz aus der Industrie ist ein Beleg dafür“, so Zielonka weiter.

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Im Bereich der Energiespeicher gibt es eine Vielzahl verschiedener Anwendungen, die hohe Erwartungen an mobile Energiespeicher stellen. Die Speicher müssen eine große spezifische Energiedichte aufweisen und diese über viele Lade- und Entladezyklen hinweg konstant speichern bzw. abgeben. Neben Sicherheitsaspekten spielen dabei auch die Kosten und die gute Verfügbarkeit und Umweltverträglichkeit der Rohstoffe eine Rolle. Viele dieser Anforderungen können durch das Lithium-Schwefel-System erfüllt werden, das als mögliches Nachfolgesystem der Lithium-Ionen-Batterie gehandelt wird.

Das neue Verbundprojekt hat die Entwicklung einer Lithium-Schwefel-Zelle zum Ziel und stützt sich auf eine Reihe von Vorgängerprojekten. Die drei Hauptkomponenten Lithium-Anode, Schwefel-Kathode und Elektrolyt/Separator, die zu einem Gesamtzellkonzept vereint werden, sind dabei innovative Weiterentwicklungen, aufbauend auf dem Know-How der Forschungspartner fem, Hochschule Aalen und VARTA Microbattery. Die Anode besteht aus einer elektrochemisch abgeschieden Lithium-Schicht, die mit einer Polymerschicht geschützt wird. Als Separator/Elektrolyt-Kombination dient ein Separator, der mit einem Gel-Elektrolyten modifiziert ist. Die Kathode schließlich besteht aus einer Nickel-Matrix mit schwefelbeladenen Trägerpartikeln. Die einzelnen Zellkomponenten werden von VARTA Microbattery zu einer Gesamtzelle zusammengefügt, um die Funktionsfähigkeit der Zellkomponenten im Zusammenspiel zu demonstrieren.

Für die Anode wird die dendritenfreie elektrochemische Abscheidung von Lithium (entwickelt im AiF-Projekt Sichere LiS-3D-Zelle, IGF 19134N) am fem weiter optimiert. Besonderer Vorteil im Vergleich zum Einsatz von Lithiumfolie ist hier die Verringerung des Lithiumüberschusses in der Zelle, was die Zellsicherheit erhöht. Zusätzlich erleichtert die Polymerschutzschicht die Handhabung der Anode und schützt die Lithiumschicht vor unkontrollierten Nebenreaktionen. Der Einsatz einer mikrostrukturierten Metallfolie als Substrat für die Abscheidung und damit als Stromableiter in der Batterie erhöht die aktive Oberfläche der Elektrode und führt zu einer optimalen Ausnutzung des aktiven Lithiums und damit zu einer hohen spezifischen Energie der Batterie. Außerdem verbessert sie die Haftung der Schichten und verringert die Kontaktwiderstände.

Die Kombination aus Gel-Elektrolyt und Separator, die gemeinsam vom fem und der Hochschule Aalen entwickelt wird, ist flexibel genug, um sich der Oberfläche der beiden Elektroden anzupassen und damit einen optimalen Kontakt zwischen Elektrolyt und Elektrode zu gewährleisten. Zudem unterbindet dieser Quasi-Festelektrolyt die unerwünschte Wanderung von Polysulfiden zur Anode – eines der Hauptprobleme der Lithium-Schwefel-Batterie. Auf diese Weise findet die für die Zellreaktion nötige Polysulfidbildung direkt an der Kathode statt, ohne dass die Polysulfide die Lithium-Anode passivieren. Dies verbessert die Zyklenfestigkeit und Lebensdauer der Zelle. Grundlage der Entwicklung der Schwefel-Kathode ist der von der Hochschule Aalen patentierte Kompositgalvanoformungsprozess, eine Kombination aus Galvanoformung und Dispersionsabscheidung (von mit Schwefel beladenen Trägerpartikeln) in einem einstufigen Herstellungsprozess. Auf diese Weise kann eine Elektrodenfolie hergestellt werden, die ohne nichtleitende Binder oder Leitadditive eine optimale elektrische und mechanische Anbindung des Aktivmaterials Schwefel an die Nickelmatrix gewährleistet. Zusätzlich verbessert das Katalysatormaterial auf den Trägerpartikeln (entwickelt im BMWi-Projekt 03ET6084B) die Kathodenkinetik. Mit den genannten Maßnahmen des Verbundprojektes soll die wirtschaftliche Umsetzung der Lithium-Schwefel-Batterie weiter vorangetrieben werden.

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