Frankfurter Allgemeine Zeitung - 04.09.2019

NR. 205·SEITE N 1

FRANKFURTER ALLGEMEINE ZEITUNG Natur und Wissenschaft MITTWOCH, 4. SEPTEMBER 2019

Ab 2022 sollen Apotheker die Ausgabe von Biologika

auf die preisgünstigeren Biosimilars umstellen. Was

aber heißt das für den Patienten?Seite N2

Und ist das da nicht Marcel Proust? Der Venedig-

Besuch des Schriftstellers im Mai 1900 hinterließ eine

Spur in einem Brief an Hugo von Hofmannsthal.Seite N3

Die Universitäten sind das Zentrum des Wissenschafts-

systems. Deshalb sollte ihnen auch das Promotions-

recht vorbehalten bleiben.Seite N4

W

enn der Genter Altar in der Ka-

thedrale Sankt Bavo seine Flügel

öffnet, zeigt er dem Betrachter zwar

sein prachtvolles Innenleben; viele sei-

ner Geheimnisse bleiben aber bis heute

ungelüftet. Beispielsweise ist immer

noch nicht geklärt, ob Jan van Eyck das

Gemälde allein oder zusammen mit sei-

nem Bruder Hubert schuf. Eine wichti-

ge Rolle bei der Entschlüsselung sol-

cher Rätsel spielen Röntgenbilder, die

verwendete Materialien, die Struktur

der Pinselstriche und innere Schichten

der Gemälde offenlegen. Das Problem:

Die dreidimensionale Struktur der Farb-

schichten wird dabei als zweidimensio-

nales Bild gezeigt. Sind, wie bei den Flü-

geln des Genter Polyptychons, zudem

beide Seiten der Leinwand bemalt, ent-

steht ein äußerst komplexes Röntgen-

bild. Um dieses Wirrwarr zu ergrün-

den, entwickelten Wissenschaftler des

University College London nun eine

Künstliche Intelligenz (KI), die überla-

gerte Röntgenbilder voneinander zu

trennen lernte. Hierzu fütterten sie ein

„Convolutional Neural Network“ mit

hochaufgelösten Fotografien der zwei

Seiten des Flügelaltars und dem ent-

sprechenden Röntgenbild. Wie „Sci-

ence Advances“ berichtet, war es Auf-

gabe der KI, zwei einzelne Röntgenbil-

der der jeweiligen Seiten zu generieren.

Indem sie ihre Ergebnisse immer wie-

der summierte und mit dem ursprüngli-

chen überlagerten Röntgenbild ab-

glich, verbesserte sie sich selbständig.

Überraschenderweise wurde die Seite

der Leinwand, deren Fotografie die KI

zuerst als Input bekam, besser als die

zweite. Ohne dies erklären zu können,

kombinierten die Forscher kurzerhand

zwei Systeme, die jeweils eine andere

Flügelseite zuerst berechneten, und gli-

chen so die Defizite geschickt aus. Die

KI soll bei der Erforschung alter Gemäl-

de helfen. Ob sie aber den Ursprüngen

des Genter Altars auf die Spur kommen

kann, muss sich noch zeigen. jomi

KLUG VERDRAHTET

Der minimale Unterschied Links der Dogenpalast, rechts die Markussäule Die Vermittlung des Neuen

In der Batterieforschung breit auf-

gestellt hat man sich auch am

Standort München mit seinen vie-

len Instituten. Hier wird die gesam-

te Entwicklungskette einer Lithi-

um-Ionen-Zelle – von der Materi-

al- und Elektrodenentwicklung bis

zu Herstellung und Tests großfor-

matiger Zellen – abgedeckt. Ein

wichtiger Aspekt sind Alterungs-

prozesse, die die Lebensdauer ei-

ner Batterie limitieren. Welche

Faktoren hier eine Rolle spielen,

untersucht zum Beispiel die Ar-

beitsgruppe von Hubert Gasteiger

am Lehrstuhl für Technische Elek-

trochemie der TU München. Eine

Batterie altert, weil sich durch häu-

figes Auf- und Entladen die Aktiv-

materialien und der Elektrolyt der

Batterie zersetzen. Kapazität und

Energiedichte nehmen dadurch all-

mählich ab, während der innere

Widerstand steigt. Aufgrund der

hohen Stromstärken beim Schnell-

laden von Lithium-Ionen-Batte-

rien kann zudem eine unerwünsch-

te Lithiummetallabscheidung auf

der negativen Elektrode stattfin-

den, die zu unerwünschten chemi-

schen Reaktionen führt, die den

Elektrolyten irreversibel schädi-

gen. Mit einer Reihe spektroskopi-

scher und analytischer Verfahren

untersuchen Gasteiger und seine

Kollegen Andreas Jossen vom

Lehrstuhl Elektrische Energiespei-

chertechnik und Ralph Gilles von

der Neutronenforschungsquelle

FRM II, welche Parameter die Alte-

rung und die Lade-Entlade-Ge-

schwindigkeit in welchem Maße

beeinflussen. Dabei analysieren

sie eigens gebaute Versuchszellen,

basierend auf Lithium-Ionen-Tech-

nologie, sowie großformatige Bat-

teriezellen auf Basis noch in der

Entwicklung befindlicher Materia-

lien, die am Institut für Werkzeug-

maschinen und Betriebswissen-

schaften (IWB) der TUM produ-

ziert werden. Die Hauptziele: ein

besseres Verständnis der Alte-

rungsvorgänge in kommerziellen

Batterien wie auch in Batterien

mit neuen Materialien, verlässli-

che Prognosen über die zu erwar-

tende Lebensdauer einer Batterie

und Strategien für die Second-

Life-Nutzung. Ausgediente Auto-

batterien beispielsweise lassen

sich häufig noch als stationäre

Speicher verwenden.

Die Entwicklung von Lithium-Io-

nen-Akkumulatoren mit für die je-

weilige Anwendung maßgeschnei-

derten Eigenschaften haben sich

die Batterieforscher in Itzehoe auf

die Fahne geschrieben. „Dazu be-

dienen wir uns eines Baukastens

unterschiedlichster Materialien

und elektrochemischer Systeme,

die wir je nach Anforderung mit-

einander kombinieren“, sagt An-

dreas Würsig vom Fraunhofer-In-

stitut für Siliziumtechnologie Isit.

Eine Spezialität der Forscher am

Isit: Hochleistungsspeicher, die in-

nerhalb kurzer Zeit – der Instituts-

rekord liegt bei einer Minute –

ihre gespeicherte Energie auf ei-

nen Schlag abgeben, etwa für die

Start-Stopp-Automatik in Pkws.

Aber auch elektrochemische Lang-

zeitspeichersysteme mit 15 000

und mehr Lade- und Entladezy-

klen, die sich mindestens 20 Jahre

lang ohne Alterungserscheinun-

gen sicher betreiben lassen, stehen

auf der Agenda. Wegen ihrer gerin-

geren Energiedichte kommen sie

aber nicht unbedingt als Strom-

quelle für E-Fahrzeuge in Frage.

„Es gibt nicht die Batterie, die al-

les kann.“ Beim Design, der Ent-

wicklung und Fertigung stehen

Energieeffizienz, Wirtschaftlich-

keit und Umweltverträglichkeit

auch in Itzehoe an oberster Stelle.

Das beginnt bereits bei der Ent-

wicklung von Separatoren, die in

jeder Lithium-Batterie die Anode

von der Kathode trennen, um

Kurzschlüsse zu vermeiden. Diese

Materialien müssen gut mit dem

Elektrolyten benetzbar und für Li-

thium-Ionen durchlässig sein, er-

klärt Würsig. Die Forscher setzen

auf eine Kombination aus einem

Polymer und einer für Lithium-Io-

nen leitfähigen Keramik. „Da-

durch können wir den Separator

schon während der Fertigung als

hauchdünne Schicht auf die Elek-

troden aufbringen.“ Das reduziere

den Anteil an nichtaktiven Mate-

rialien, was sich wiederum positiv

auf die Energiedichte der fertigen

Batterie auswirke, Arbeitschritte

und Kosten spare. „Die dürfen wir

neben der Qualität nicht verges-

sen, wollen wir eines Tages kon-

kurrenzfähige Batterien bauen.“

Eine Vision des Forschers: Batte-

rien, vollständig gefertigt mit Ener-

gie aus erneuerbaren Quellen.

Die Entwicklung von Elektroden-

materialien und Elektrolyten, die

Fertigung von Batteriezellen in al-

len Größen und Formen, einschlä-

gige Sicherheits- und Alterungs-

tests bis hin zum schonenden Re-

cycling alter Batterien mit überkri-

tischem Kohlendioxid und die

möglichst lückenlose Wiederge-

winnung wertvoller Materialien –

kein Bereich der Batteriefor-

schung, der am Standort Münster

nicht angegangen wird. Die Aktivi-

täten in NRW werden unter ande-

rem von Instituten der Universitä-

ten Münster und Aachen sowie des

Forschungsinstituts Jülich getra-

gen, die das Helmholtz-Institut

Münster gegründet haben. Jeder

Partner hat sein Spezialgebiet. So

treibt man in Jülich unter anderem

die Festkörper-Batterie voran und

entwickelt dafür – gemeinsam mit

Münster – Lithiummetall-Elektro-

den und solide, nicht brennbare

Elektrolyten. An der RWTH Aa-

chen liegt die Expertise an Batte-

riesystemen, in Produktionsverfah-

ren und deren Umsetzung in die

Praxis. Münster setzt den Schwer-

punkt auf die Material- und Zell-

entwicklung. Mehr als 50 Prozent

aller Aktivitäten drehen sich am

Standort Münster um die Lithium-

Ionen-Batterie. „Wir können Lithi-

um-Ionen-Akkus nicht ersetzen.

Es gibt derzeit nichts Besseres und

eine Batterie der Zukunft wird der

Lithium-Akku bleiben“, sagt Mar-

tin Winter von der Universität

Münster und Leiter des dort ange-

siedelten Forschungszentrums

Meet und des Helmholtz–Instituts.

Doch es gibt noch viele Stellschrau-

ben für die Forscher, um Kapazi-

tät, Energiedichte, Lebensdauer,

Sicherheit und Ladezeit zu optimie-

ren und günstigere Komponenten

herzustellen. Winter sieht Deutsch-

land in der Batterieforschung im

internationalen Vergleich recht

gut aufgestellt. Woran es hapere,

sei die industrielle Umsetzung.

Noch immer ist es hierzulande

schwierig, Forschungsergebnisse

als Innovationen schnell an die In-

dustrie bringen. Doch es gibt

Grund zur Hoffnung: Die For-

schungsfabrik zur Batterieferti-

gung, die in Münster errichtet

wird, könnte den Weg für die indus-

trielle Serienproduktion von Batte-

rien made in Germany ebnen.

Energiespeicher der Zukunft

Intensive Laborarbeit:

Das Karlsruher Institut für

Technologie kooperiert

mit dem Standort Ulm.

Foto KIT

Am Standort Dresden arbeitet ein

Forschungscluster der TU Dres-

den gemeinsam mit mehreren

Fraunhofer- und Leibniz-Institu-

ten an Batterien der nächsten Ge-

neration. Das Ziel: den Anteil an

wertvollen Materialien in den Li-

thium-Ionen-Akkus möglichst ver-

ringern, ohne dass die Energie-

dichte Einbußen erleidet. „Wir ver-

folgen zwei Ansätze: die Redukti-

on des Kobaltanteils zugunsten

des Nickelanteils in den Kathoden

und die Verwendung neuer günsti-

ger Materialien“, erklärt der Ver-

bundkoordinator Stefan Kaskel

vom Institut für Chemie an der TU

Dresden die Arbeiten vor Ort. Gro-

ßes Potential sieht man in der Ver-

wendung von Schwefel als Katho-

de. Die Lithium-Schwefel-Batterie

wäre nach Ansicht von Kaskel

eine echt innovative Anwendung.

Dieser Batterietyp besitzt eine hö-

here Kapazität, vor allem eine hö-

here spezifische Energiedichte als

Lithium-Ionen-Akkus. In Kaskels

Labor am Faunhofer-Institut IWS

wurden bereits Werte von bis zu

400 Kilowattstunden gemessen.

Kopfzerbrechen bereitet noch die

Langzeitstabilität. Von rund 200

Zyklen an nimmt die Leistungsfä-

higkeit ab. „Unser Ziel sind bis zu

3000 Zyklen.“ Dann könnte der Li-

thium-Schwefel-Akku in die An-

wendung. Diese sieht Kaskel aber

eher in der stationären Stromspei-

cherung, bei Drohnen und Satelli-

ten – weniger bei E-Autos. Schwe-

fel-Akkus benötigen derzeit noch

vergleichsweise viel Platz, und der

ist im Pkw begrenzt. Auf der Ano-

denseite setzen die Dresdner For-

scher auf Silizium. In die Halblei-

terelektrode können mehr von der

Kathode kommende Lithium-Io-

nen eingelagert werden als in eine

gewöhnliche Graphitelektrode.

Dadurch würde sich die Kapazität

eines Lithium-Ionen-Akkus, aber

auch einer Festkörper-Batterie,

mehr als verdoppeln. Die Elektro-

de lässt sich zudem viel dünner fer-

tigen, wodurch man Volumen und

Gewicht spart. Probleme bereiten

Atmungseffekte und Reaktionen

mit dem Elektrolyt, was die Le-

bensdauer des Akkus beeinflusst.

„Mit besonderen Schutzschichten

und weniger aggressiven Elektroly-

ten versuchen wir hier weiterzu-

kommen.“

A

merikanische Biologen schlagen

Alarm: Krähen, die in urbanen Re-

gionen leben, weisen deutlich erhöhte

Blutcholesterinwerte auf.Schuld daran

sind offenbar die ungesunden Ernäh-

rungsgewohnheiten des Menschen. So

kann man es den Vögeln freilich nicht

verdenken, wenn sie sich lieber über

herumliegende Pommes und Hambur-

gerreste hermachen, als flüchtigem Ge-

tier hinterherzujagen. Menschliche Es-

sensreste laufen schließlich nicht weg

und leisten auch keine erbitterte Gegen-

wehr. Da Krähen zudem weit oben in

der Nahrungskette stehen, können sie

sich überall ungehindert vordrängen

und sich dabei die fettesten Brocken si-

chern. In städtischen Gebieten kom-

men sie diesbezüglich mehr auf ihre

Kosten als auf dem Land. Denn dort,

wo viele Vertreter der Gattung Homo

leben, gibt es meist auch große Mengen

an leicht verzehrbarer Kost. Die Biolo-

gen wollten ursprünglich herausfin-

den, ob zwischen dem Lebensraum

von Krähen und dem Cholesterinspie-

gel dieser Rabenvögel ein Zusammen-

hang besteht. Dies war tatsächlich der

Fall. Je näher die Krähen zudem an

städtischen Wohngebieten nisteten,

desto höher waren die Blutcholesterin-

spiegel ihrer Nachkommen.Mit die-

sem Ergebnis gaben sich die Forscher

allerdings nicht zufrieden. Denn Korre-

lationen sagen bekanntlich nichts dar-

über aus, was Ursache und was Wir-

kung ist. Beispielsweise wäre es auch

möglich, dass es Krähen mit hohem

Blutfettgehalt in die Stadt zieht. Um

mehr Klarheit zu erhalten, versorgten

die Biologen mehrere Kräheneltern

während der Brutzeit mit Cheesebur-

gern. Einige Tiere brachten die Beute

daraufhin sofort zu ihren Küken, wäh-

rend sich andere, ihrem Ruf als Raben-

eltern alle Ehre erweisend, erst einmal

satt fraßen. Alle Vogelkinder, auch

jene der scheinbar weniger fürsorgli-

chen Eltern, hatten in der Folge deut-

lich höhere Cholesterinwerte als die

Nachkommen von Krähen, die ohne

menschliche Hilfe ihre Kinder ernäh-

ren mussten. Der hohe Blutfettspiegel

schien den Küken allerdings nicht zu

schaden, zumindest nicht auf kurze

Sicht. Vielmehr sollen sich die Klei-

nen prächtig entwickelt haben. Den-

noch raten die amerikanischen Wis-

senschaftler im Journal „The Condor“

davon ab, wilde Krähen mit Cheese-

burgern zu füttern. Schließlich wisse

man nicht, wie sich die Kost langfris-

tig auf die Tiere auswirkt. Im Zweifel

kommen die Krähen damit besser zu-

recht als wir. Denn viele lebensstilbe-

dingte Krankheiten, darunter Gefäß-

verkalkung und Krebs, sollen bei den

Rabenvögeln nicht vorkommen. NvL

Von der Materialherstellung, der
Verfahrens- und Fertigungstech-
nik zur Produktion elektrochemi-
scher Batteriezellen bis hin zum
Recycling – am Standort Braun-
schweig hat man den gesamten Le-
benszyklus einer Lithium-Ionen-
Batterie im Blick. Bei allen Produk-
tionsschritten stünden neben Wirt-
schaftlichkeit vor allem Nachhal-
tigkeit und Energieeffizienz im
Vordergrund, sagt Arno Kwade
vom Institut für Partikeltechnik
der TU Braunschweig. Aus diesem
Grund werden die einzelnen
Schritte bei der Elektroden- und
Batteriezellproduktion mit Hilfe
von Data-Mining und Simulatio-
nen modelliert, optimiert und
dann in die Praxis übertragen. „So
können wir schon im Vorfeld se-
hen, wie wir die komplizierten Pro-
zesse, die etwa zur Herstellung der
Elektroden erforderlich sind, so
steuern müssen, dass sie möglichst
ökonomisch und ressourcenscho-
nend ablaufen und Elektroden
und Batteriezellen mit optimaler
innerer Struktur sowie bestmögli-
cher Performance entstehen.“ Pro-
duziert werden die Batteriesyste-
me, darunter auch Lithium-Schwe-
fel- und Feststoff-Akkus, in einer
Pilotanlage der Batterie-For-
schungsfabrik, die auf dem Cam-
pus der TU angesiedelt ist. Hier
fließen auch die Expertisen von
Forschergruppen der Universitä-
ten Clausthal und Hannover, der
Physikalisch-Technischen Bundes-
anstalt (PTB) und des Fraunhofer-
Instituts IST zusammen. In Braun-
schweig sind auch das Recycling
von Batterien, die Wiedergewin-
nung und -verwertung wichtiger
Materialien ein Forschungsschwer-
punkt. Genutzt wird dabei das rein
mechanisch-hydrometallurgische
Recycling. Die aktiven Komponen-
ten einer zerlegten Batterie wer-
den zerkleinert und zermahlen
und dann mit Säuren und Laugen
behandelt. Die Metalle, einschließ-
lich des Lithiums, fallen als Salze
aus. Auf den Import wertvoller Me-
talle wie Kobalt und Nickel sind
die Braunschweiger Batteriefor-
scher nicht angewiesen. Was im
Labormaßstab funktioniert, könn-
te für Kwade Vorbild sein, sollten
eines Tages in Deutschland Batte-
riezellen im industriellen Maßstab
gefertigt werden.

Noch bevor die Elektromobilität

so richtig an Fahrt aufgenommen

hat, sorgen sich viele Batteriebau-

er um die Verfügbarkeit von Lithi-

um und Kobalt. Um einem Versor-

gungsengpass und damit einher-

gehenden steigenden Weltmarkt-

preisen zuvorzukommen, wird

vielerorts bereits an Post-Lithi-

um-Systemen getüftelt, die weni-

ger oder keine kritischen Rohstof-

fe enthalten, aber auch höhere

Kapazitäten und Energiedichten

versprechen. Die Hoffnungsträ-

ger heißen – entsprechend der Io-

nen, die zwischen Plus- und Mi-

nuspol hin und her wandern – Na-

trium-, Magnesium- oder Kalzi-

um-Batterien. „Der Natrium-

Akku wird in zwei bis drei Jahren

auf den Markt kommen, etwa als

stationärer Energiespeicher“, sagt

Maximilian Fichtner vom Helm-

holtz-Institut Ulm, einem der füh-

renden Batterieforschungszentren

Europas. Etwas länger dauern

wird es seiner Ansicht nach bei

den anderen Batterietypen. „Hier

haben wir noch einige Probleme

zu lösen.“ So sucht man nach

Elektrolyten, die nicht mit den

Erdalkalimetallen reagieren und

auf den Elektroden keine passi-

vierenden Schichten bilden. Zu-

dem dürfen die Ionenleiter die

Mobilität der Magnesium-Ionen

wegen der höheren Ladung nicht

einschränken. „Wir brauchen

hier neue Ansätze für die Post-Li-

thium-Batterien.“ An ihnen arbei-

ten in Ulm und Karlsruhe 200 For-

scher in der gemeinsamen For-

schungsplattform Celest. Großes

Potential sieht Fichtner auch in

Feststoffbatterien, deren Entwick-

lung das HIU ebenfalls voran-

treibt. Sie versprechen höhere

Speicherkapazitäten als klassi-

sche Lithium-Ionen-Akkus und

hätten wegen des nicht brennba-

ren festen Elektrolyten auch kein

Sicherheitsproblem. „Was aber

jetzt vor allem passieren muss, ist

der Aufbau von Produktionskapa-

zität für Lithium-Ionen-Batterien

in Deutschland, wollen wir mit

China konkurrieren. Wir wissen

mittlerweile sehr gut, wie man

Batteriezellen in hoher Qualität

und auch kostengünstig her-

stellt.“ Nun muss die Zellferti-

gung in Großserie kommen.

Braunschweig

Perfekte Akkus

auf Knopfdruck

Itzehoe

Die Vision einer

grünen Batterie

Ulm

Lithium-Akkus

• und dann?

Münster

Batterien made

in Germany

Arno Kwade Foto Frank Bierstedt

Dresden

Zellen aus dem

Baukasten

München

Wenn Batterien

älter werden

Burgerkrähen

Deutsche Forschungszentren nehmen eine entscheidende Rolle in der innovativen Entwicklung der Batterietechnik ein.

Welche Strategien und Visionen haben die Leiter der sechs größten Standorte?Von Manfred Lindinger

Stefan Kaskel Foto Martin Förster Andreas Würsig Foto ISIT Hubert Gasteiger Foto Eric de Vries Maximilian Fichtner Foto HIU Martin Winter Foto Judith Kraft, FZ Jülich