Die Wasserstoffforscherin

„Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern.“ Für Jules Verne war es eine Vision, die er 1875 in seinem Roman „Die geheimnisvolle Insel“ niederschrieb. Dr. Svetlana Korneychuk zitiert den französischen Autor allerdings gern, denn seine Vision ist heute der Realität näher denn je, und die Forscherin trägt mit ihrer Arbeit am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) dazu bei, Wasserstoff als Energieträger bezahlbar und alltagstauglich zu machen. Denn das farb- und geruchlose Gas hat es in sich: Ein Kilogramm H₂ enthält etwa 2,4-mal so viel Energie wie ein Kilogramm Erdgas; damit weist Wasserstoff unter allen Brenn- und Treibstoffen die höchste massebezogene Energiedichte auf. Herstellen lässt er sich unter anderem durch die bereits von Jules Verne beschriebene Elektrolyse. Wird zur Herstellung Strom aus 100 Prozent erneuerbaren Energien eingesetzt, ist Wasserstoff klimaneutral.

Zu Lande, zu Wasser und in der Luft künftig klimaneutral angetrieben

Mit Technologien zur Herstellung von Wasserstoff mit Solarenergie und Aspekten der Anwendung befasst sich das Helmholtz Innovation Pool Projekt „Solar Hydrogen – Pure & Compressed“, in dem Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus verschiedenen Topics des Helmholtz-Programms MTET zusammenarbeiten. Ziel ist, hochreinen und komprimierten Solarwasserstoff bereitzustellen, der sich für anspruchsvolle Anwendungen eignet, wie Niedertemperatur-Brennstoffzellen oder die Synthese von E-Fuels. „Wasserstoff besitzt großes Potenzial, fossile Treibstoffe zu ersetzen“, sagt Svetlana Korneychuk. „Bereits jetzt gibt es geeignete Technologien, um mit Wasserstoff Autos, Schwerlastfahrzeuge und Züge anzutreiben. In Deutschland stehen derzeit rund 100 Wasserstofftankstellen.“ Die Materialwissenschaftlerin befasst sich innerhalb des Projekts „Solar Hydrogen“ am Institut für Angewandte Materialien – Werkstoffkunde (IAM-WK) des KIT mit dem grundlegenden Verhalten von Materialien für Wasserstoffanwendungen. Besonders beschäftigt sie sich mit Brennstoffzellen und mit metallischen Nanopartikeln. Wasserstoff-Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie direkt in Strom oder in Wärme um. Damit erstreckt sich ihr Einsatzgebiet von der Strom- und Wärmeerzeugung in Gebäuden bis hin zum Antrieb von Fahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen.

Wasserstoffaufnahme in Metallen auf der Nanoskala beobachtet

Wasserstoff-Brennstoffzellen altern allerdings relativ schnell: „Mechanische und chemische Degradationsprozesse führen dazu, dass die Leistung nachlässt“, erklärt Svetlana Korneychuk. „Meine Forschung zu den Degradationsmechanismen von Brennstoffzellen und zur Wasserstoffaufnahme durch metallische Nanopartikel können die grundlegenden Prozesse der Wechselwirkung von Wasserstoff mit Materialien auf der Nanoskala aufklären.“

Dazu nutzt die Materialforscherin die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), die eine direkte Abbildung von Objekten mithilfe von Elektronenstrahlen erlaubt, und zwar in höchster Auflösung – moderne TEM erreichen eine Auflösungsgrenze von 0,5 Ångström, das sind 0,05 Nanometer.

Svetlana Korneychuk setzt In-Situ-TEM ein, um auf der Nanoskala diejenigen Mechanismen zu ermitteln, welche die makroskopischen Eigenschaften der Materialien bestimmen. Denn mit konventioneller TEM lässt sich nur das statische Verhalten von Materialien bei Raumtemperatur und im Hochvakuum untersuchen. Mit In-situ-Instrumenten hingegen lassen sich auch Flüssigkeiten und Gase – wie Wasserstoff – in die Probenposition bringen, und die Temperatur lässt sich verändern. „So lassen sich die Prozesse, denen die Materialien unterliegen, in Echtzeit und unter realen Bedingungen untersuchen, und zwar bis hinunter zur atomaren Skala“, berichtet die Forscherin.

Wirkung des flüchtigen Elements Wasserstoff mit In-situ-TEM festgehalten

Svetlana Korneychuk kommt aus Moskau; sie absolvierte ihr Studium mit Masterabschluss an der Lomonossow-Universität. 2014 ging sie nach Belgien und promovierte an der Universität Antwerpen. Danach zog sie in die Niederlande und forschte als Postdoc an der Technischen Universität Delft. Mit dem Wechsel ans KIT begann sie sich mit Wasserstofftechnologien zu befassen. Das Ziel der 33-Jährigen ist, eine eigene Forschungsgruppe aufzubauen. Dabei erhält sie Unterstützung im Young Investigator Group Preparation Program (YIG Prep Pro) des KIT, dem sie für zwei Jahre angehört. Ihre Forschungsgruppe wird sich auf die In-situ-Transmissionselektronenmikroskopie konzentrieren, ein neues und rasch wachsendes Gebiet innerhalb der Elektronenmikroskopie – und eine der wenigen Technologien, mit der sich die Wirkung des äußerst flüchtigen Elements Wasserstoff sichtbar machen lässt.

Text: Dr. Sibylle Orgeldinger