Vorab-Rechnungen statt stundenlanger Experimente im Labor: Josua Vieten nutzt modernste computerchemische Methoden, um Materialien für die Umwandlung und Speicherung von Sonnenenergie zu entdecken.

Josua Vieten am Sonnenofen des DLR in Köln vor einem Parabolspiegel © DLR / Sebastian Mölleken

Josua Vieten erforscht, wie sich Solarenergie unabhängig von der aktuellen Sonneneinstrahlung nutzen lässt. Dafür entwickelt der promovierte Materialwissenschaftler und Chemiker maßgeschneiderte Materialien im Institut für Solarforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln. Wo früher aufwendige Laborexperimente nötig waren, um die Eigenschaften der einzelnen Stoffe zu untersuchen, setzt er heute zunächst computergestützte Methoden ein. In der Abteilung Solare Verfahrenstechnik arbeitet er mit Kolleginnen und Kollegen aus Physik und ingenieurwissenschaftlichen Fachbereichen zusammen, die verfahrenstechnische Fragen untersuchen. "Geeignete Speichermaterialien sind nicht nur für den Verkehrssektor wichtig, um zum Beispiel Autos oder Züge mit Wasserstoff zu betreiben, sondern auch für klimafreundliche Industrieprozesse", erklärt der 27-Jährige.

Josua Vieten analysiert Materialien, die durch Solarenergie erhitzt werden und in der folgenden chemischen Reaktion zum Beispiel Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen können. Diese sogenannten Redoxmaterialien werden dabei nicht verbraucht, sondern können im Idealfall unbegrenzt oft verwendet werden, sodass ein thermochemischer Kreisprozess entsteht. In der Theorie ist diese Methode der Wasserstofferzeugung sehr effizient, da solare Wärme direkt als chemische Energie gespeichert werden kann – ohne vorher mit relativ hohen Verlusten elektrischen Strom zu erzeugen. Ob sich ein Material dafür eignet, hängt von seinen chemischen und physikalischen Eigenschaften ab. Meist werden Metalloxide eingesetzt, also Verbindungen von Metallen mit Sauerstoff. Dazu gehören auch die Perowskite, die Josua Vieten hauptsächlich untersucht.

Vorauswahl von Materialien am Computer

Für seine Dissertation hat er sich erstmals mit Computerchemie beschäftigt. Dabei ist er auf eine Arbeitsgruppe am US-amerikanischen Lawrence Berkeley National Laboratory gestoßen, die eine beeindruckende Online-Datenbank aufgebaut hat: Das frei zugängliche Materials Project enthält inzwischen etwa 135.000 anorganische Materialien mit ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften. Bei einem Gastforschungsaufenthalt in Kalifornien hat Josua Vieten kurz darauf mit Unterstützung des amerikanischen Teams begonnen, ein neues Unterkapitel der Datenbank zu Perowskiten für solar-thermochemische Anwendungen aufzubauen. Diese Materialklasse ist besonders gut geeignet, um regenerativ erzeugte Energie mit thermochemischen Methoden umzuwandeln und zu speichern.

Josua Vieten im Labor der DLR Solarforschung in Köln © DLR / Sebastian Mölleken

Die erfolgreiche Kooperation wird fortgeführt. Inzwischen leitet Josua Vieten im DLR ein Vorbereitungsprojekt, an dem auch die Technische Universität Dresden und das US-Team beteiligt sind. Zurzeit steht für ihn daher die fachübergreifende, internationale Vernetzung mit interessierten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern im Vordergrund. Workshops in den USA und in Deutschland sollen in ein gemeinsames EU-Projekt münden. Die Kompetenzen, die man als Projektmanager braucht, hat Josua Vieten während seiner Promotionszeit im Rahmen des DLR_Graduate_Program trainiert. Das Qualifizierungsprogramm steht allen Promovierenden im DLR offen und vermittelt fachübergreifende Kompetenzen, die für eine erfolgreiche Laufbahn in Forschung oder Industrie wertvoll sind. Das kommt gut an: Seit dem Start des Programms vor zehn Jahren haben sich schon mehr als 1.000 Promovierende angemeldet, derzeit sind es rund 500. Sie können eigene inhaltliche Schwerpunkte setzen. Für Josua Vieten waren das vor allem Projektmanagement und Kommunikation: "Ich habe im DLR_Graduate_Program vieles gelernt, was mich persönlich weitergebracht hat", sagt er rückblickend "Dazu gehören zum Beispiel selbstbewusstes Auftreten, das Meistern schwieriger Gespräche und Tipps zur erfolgreichen Mitarbeiterführung."

Vieten mit einer Probe Redoxmaterial für thermochemische Prozesse auf Eisenbasis © DLR / Sebastian Mölleken

Simulationen ersetzen keinen Sachverstand

Noch in diesem Jahr erwartet er seine amerikanischen Kollegen im DLR, um das Erreichte weiterzuentwickeln. Am Anfang steht meist eine Ideensammlung: Welche Materialeigenschaften brauchen wir? Wo lässt sich Computerchemie sinnvoll mit Experimenten verbinden? Welche Prozessschritte könnte man kombinieren? Dabei wollen sie auch andere Materialien ausprobieren und weitere Anwendungsgebiete für Solarenergie andenken, zum Beispiel die Zement- und Glasherstellung oder das Einfangen von Kohlenstoffdioxid aus der Luft. Computergestützte Methoden eröffnen enorme Möglichkeiten, die Materialentwicklung zu erleichtern. Das kann man sich wie einen Trichter vorstellen: Man gibt die Anforderungen ein, und übrig bleiben 10 von vielen hundert Materialien, die vielversprechend sind. Mit diesen kann dann im Labor gezielt experimentiert werden. "Möglich ist das in diesem Umfang allerdings erst seit einigen Jahren, weil die Rechenleistung in modernen wissenschaftlichen Rechenzentren enorm gestiegen ist", erläutert Josua Vieten. Seine neu entwickelte Perowskit-Suchmaschine ermöglicht den Vergleich verschiedener Materialien, die bis zu fünf verschiedene chemische Elemente enthalten. Solche komplexen Systeme sind rechnerisch schwierig zu bewältigen. Die computerchemischen Berechnungen können Experimente aber nicht komplett ersetzen, denn theoretische Modelle haben ihre Grenzen. "Außerdem müssen wir bei der Materialauswahl auch darauf achten, dass diese chemisch stabil, preisgünstig und möglichst ungiftig sind", betont Josua Vieten. "Hier ist immer noch unser wissenschaftlicher Sachverstand gefragt."



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