BMBF fördert deutsch-schwedische Spitzenforschung an Großgeräten

Bei internationalen Kooperationen entfaltet die Wissenschaft ihr volles Potenzial. Über den Röntgen-Ångström-Cluster arbeiten deutsche und schwedische Forschende gemeinsam an Großgeräten. Das BMBF fördert nun acht innovative neue Verbundprojekte.

Großgeräte Schweden
Das Bundesforschungsministerium fördert zwölf Projekte in acht Verbünden mit einem Gesamtfördervolumen über vier Jahre. © European XFEL/Jan Hosan

Von neuen Supraleitern und Katalysatoren, über die Untersuchung biologischer Strukturen, bis hin zur Optimierung von 3D-Druckverfahren und Batterien: Das Bundesforschungsministerium startet am 1. Juli 2020 eine neue Förderkampagne für deutsch-schwedische Verbundforschungsprojekte an Großforschungsanlagen. Es handelt sich bereits um die fünfte Fördermaßnahme innerhalb des Röntgen-Ångström-Clusters - einer deutsch-schwedischen Kollaboration mit den Forschungsschwerpunkten Materialwissenschaften und Strukturbiologie. Die Laufzeit der Projekte beträgt vier Jahre. Das Bundesforschungsministerium fördert zwölf Projekte in acht Verbünden mit einem Gesamtfördervolumen über vier Jahre von 6,24 Mio. EUR in Deutschland. Insgesamt sind elf deutsche Forschungseinrichtungen an den Projekten beteiligt.

Der Röntgen-Ångström-Cluster steht bereits seit über zehn Jahren für exzellente, länderübergreifende Forschungszusammenarbeit. Er stärkt die Innovationskraft Deutschlands und Europas, er hilft drängende wissenschaftliche Fragen gemeinsam anzugehen und Schlüsseltechnologien für Großgeräte gemeinsam weiterzuentwickeln. Weiter spielen die Fördermittel eine wichtige Rolle bei der Ausbildung des wissenschaftlichen Nachwuchses – und legen so durch die gewonnenen, fundamentalen Erkenntnisse die Basis für die Innovationen der nächsten Jahre und Jahrzehnte.

Metall-3D-Druck für Werkstücke von höchster Präzision

Die geförderten Projekte erstrecken sich über ein breites Spektrum aktueller Forschungs- und Anwendungsfelder: Eines der Projekte widmet sich beispielsweise der Supraleitung. Mit ihrer Hilfe lässt sich Strom verlustfrei über große Distanzen transportieren. Dieses Phänomen wird heute genutzt, um mit supraleitenden Spulen starke Magnetfelder zu erzeugen. Diese benötigt man beispielsweise in der Medizin bei Kernspintomografen. Auch bei Teilchenbeschleunigern und anderen Großgeräten spielen Supraleiter eine wichtige Rolle. Allerdings kennt die Wissenschaft bislang nur Materialien, die bei extrem niedrigen Temperaturen superleitend werden. Genau hier setzt eines der nun geförderten Vorhaben an: bei der Erforschung supraleitender Wasserstoffverbindungen. An der Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III und der Neutronenquelle FRM II wollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Stockholm und Leipzig Materialien identifizieren, die auch bei Raumtemperaturen über supraleitende Eigenschaften verfügen.

Moderne Großforschungsanlagen bestehen aus abertausenden Bauteilen. Viele davon sind Spezialanfertigungen und in ihrer Form einzigartig. Deshalb sind zukunftsträchtige Metall-3D-Druckverfahren, genau wie im industriellen Anwendungsbereich, von stetig wachsender Bedeutung. Beim sogenannten Electron Beam Melting (EBM) wird ein Metallpulver erhitzt und Schicht um Schicht zu einem Werkstück aufgetragen. Mit Hilfe von PETRA III wollen die Forschenden nun den Schmelzprozess mit Röntgenlicht untersuchen. So will man herausfinden, wie dieser verbessert werden kann, um Werkstücke von höchster Qualität Vorort selbst zu produzieren - und so die Effizienz zu steigern und Kosten für Spezialanfertigungen zu senken.

Neue Materialien für die Batterien der Zukunft

Und auch beim Thema Energiewende können die deutsch-schwedischen Forschungsprojekte wichtige Beiträge leisten, denn die Abkehr von fossilen Brennstoffen geht Hand in Hand mit der Weiterentwicklung von Batterietechnologien. Um beispielsweise Sonnenenergie elektrisch zu speichern, bedarf es sogenannter anorganischer molekularer Katalysematerialien. Doch wie genau solche Katalysatoren auf atomarer Ebene funktionieren, ist bis heute noch weitestgehend unerforscht. Die Röntgenstrahlung von Großgeräten wie BESSY II, MAX IV oder European XFEL soll helfen, die Struktur von Elektronenbindungen aufzuzeigen, die wiederum die chemischen Eigenschaften der Katalysatoren bestimmen.

Zudem basieren die meisten Batterien, die Smartphones oder Elektroautos heute antreiben, auf der Lithium-Technologie. Ein Projekt dieser Förderperiode beschäftigt sich mit der Suche nach möglichen Alternativen zu diesem immer seltener werdenden Leichtmetall. Hierfür setzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf Neutronen, die an der im Bau befindlichen Europäischen Spallationsquelle (ESS) in Lund entstehen. Die Strahlung kann tief in atomare Strukturen eindringen und so beim Lade- und Entladevorgang kleinste Veränderungen aufzeigen. Diese Beobachtungsmöglichkeiten erlauben, die Prozesse im Inneren noch besser zu verstehen. Dies kann wiederum helfen, in Zukunft noch preiswertere und effizientere Batterien zu entwickeln.