Lyngby (pte/23.09.2025/06:10)

Forscher der Dänischen Technischen Universität (https://www.dtu.dk/english/ ) haben eine radikal neu gestaltete Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) im 3D-Druck in der Form eines Gyroids hergestellt. Der Gyroid ist so geformt, dass er die größte Oberfläche bei kleinstmöglichem Volumen hat. Diese Form wird derzeit in technischer Hinsicht in Wärmetauschern genutzt - je kompakter sie gebaut sind und je größer ihre innere Oberfläche ist, desto höher fällt die Effizienz aus. In der Natur ist sie an Schmetterlingsflügeln zu beobachten, die ihre Farbe nicht durch Pigmente bekommen, sondern durch gyroidförmige Schuppen, die Licht auf besondere Art reflektieren.

Bisher dominieren Metalle

Würde ein normales Flugzeug umgerüstet und seine 70 Tonnen Treibstoff durch Lithium-Ionen-Batterien mit ähnlicher Kapazität ersetzt, würde es 3.500 Tonnen wiegen. Damit könnte es natürlich nicht mehr abheben. Brennstoffzellen setzen sich aus flachen, schweren Stapeln, sogenannten Stacks zusammen, die sich in schweren metallischen Gehäusen befinden. Metallkomponenten machen mehr als 75 Prozent des Gewichts eines Brennstoffzellensystems aus, was ihren mobilen Einsatz vor allem in der Luft- und Raumfahrt stark einschränkt.

Die Brennstoffzelle, die Vincenzo Esposito und Venkata Karthik Nadimpalli entwickelt haben, besteht dagegen komplett aus Keramik. Sie hat eine Leistung von mehr als einem Watt pro Gramm. Das ist weit mehr als doppelt so viel wie bei den leichtesten Brennstoffzellen, die bisher gebaut worden sind. Die Entwickler nennen die "Zelle Monolithic Gyroidal Solid Oxide Cell" oder kurz "The Monolith". Sie stellen ihre Entwicklung in der Fachzeitschrift "Nature Energy" vor.

Weniger Fertigungsschritte

Was dieses Design besonders auszeichnet, ist nicht nur seine Leistung, sondern auch seine Herstellungsweise, erklärt Nadimpalli: "Während herkömmliche SOFC-Stapel Dutzende von Fertigungsschritten erfordern und auf mehrere Materialien angewiesen sind, die sich mit der Zeit zersetzen, wird unser monolithisches Keramikdesign in nur fünf Schritten hergestellt, wobei wir auf Metall verzichten und empfindliche Dichtungen vermeiden."

 

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Leicester (pte/26.02.2025/06:15)

Forscher der University of Leicester (https://le.ac.uk/ ) um Andy Abbott und Jake Yang trennen mithilfe eines eleganten technischen Verfahren beim Recycling von Lithium-Ionen-Batterien Graphit künftig von wertvollen Metallen wie Lithium, Kobalt und Nickel.

Graphit als ein Störfaktor

Die Fachleue schreddern die Batterien, wie es beim Recycling auch mit anderen Methoden üblich ist. Aufgrund des Graphits ist dieser Mix aus diversen Materialien schwarz. Diese "schwarze Masse" wird erst dann wertvoll, wenn das Graphit entfernt ist. Das gelingt per Nanoemulsion aus Wasser und Speiseöl.

Diese Emulsion herzustellen erforderte eine Idee, denn Wasser und Öl gehen stets getrennte Wege. Per Schneebesen lassen sich die beiden Flüssigkeiten zwar zwingen, vordergründig eine Verbindung einzugehen. Doch es handelt sich stets um Wasser, das kleine Öltröpfchen einschließt. Das Öl schwimmt irgendwann wieder oben.

Nanoemulsion mit Ultraschall

Eine Nanoemulsion ist nötig, in der die Öltröpfchen nur nanometergroß sind, also einen Durchmesser im Millionstel-Millimeter-Maß haben. Das gelingt nur, wenn der Schneebesen durch Ultraschall abgelöst wird. Diese Emulsion ist wochenlang stabil.

Die eingeschlossenen Nanotröpfchen binden Graphit an sich, wenn die Emulsion durch die schwarze Masse gepumpt wird. Mit der Zeit vereinigen sich die graphitbeladenen Nanotröpfchen zu größeren Gebilden, die an der Oberfläche schwimmen und einfach abgeschöpft werden.

Forscher errichten Pilotanlage

Im letzten Schritt werden die Fraktionen voneinander getrennt, sodass sie sich wiederverwenden lassen - einerseits zum Recyceln von schwarzer Masse, andererseits zur Herstellung neuer Elektroden für Batterien.

Der Metall-Mix wird mit metallurgischen Techniken separat, sodass die einzelnen Metalle wiederverwendet werden können. Gemeinsam mit Kollegen der University of Birmingham (https://www.birmingham.ac.uk/ ) soll demnächst eine Pilotanlage gebaut werden, die pro Stunde zehn Kilogramm schwarze Masse recycelt.

 

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Stanford (pte/26.02.2025/11:30)

Mit gemahlenen Steinen wollen Forscher der Stanford University (https://www.stanford.edu/ ) den Klimawandel stoppen. Das Material zieht CO2 an, das sich in der Luft befindet. Dabei verwandelt es sich in Karbonate, in wasserunlösliche Mineralien, die CO2 dauerhaft einschließen, also es der Atmosphäre für immer entziehen. "Die Erde verfügt über einen unerschöpflichen Vorrat an Mineralien, die in der Lage sind, CO2 aus der Atmosphäre zu entfernen, aber sie reagieren von sich aus nicht schnell genug, um den Treibhausgas-Emissionen des Menschen entgegenzuwirken", sagt Forschungsleiter Matthew Kanan.

CO2-Bilanz ist deutlich positiv

Die US-Experten haben einen Drehrohrofen genutzt, wie er in der Zementherstellung eingesetzt wird. Darin erhitzen sie ein Gemisch aus Kalkstein und oft auf der Erde vorkommenden Mineralien, die Magnesium- und Silikat-Ionen enthalten. Aus dem Kalkstein entsteht Kalziumoxid und durch Ionenaustausch das erwünschte Endprodukt, ein Gemisch aus Magnesiumoxid und Kalziumsilikat. Diese Mineralien saugen CO2 an wie ein Schwamm Wasser, und zwar weit mehr, als bei der Umwandlung von Kalkstein in Kalziumoxid frei wird.

In einem Feldtest haben die Forscher die beiden Mineralien der Luft und der Feuchtigkeit von Regen und Nebel ausgesetzt. Es dauerte einige Monate, bis der Karbonisierungsprozess abgeschlossen war. "Wir stellen uns vor, Magnesiumoxid- und Kalziumsilikatpulver auf großen Landflächen zu verteilen, um CO2 aus der Umgebungsluft zu entfernen. Eine spannende Anwendung, die wir derzeit testen, ist die Zugabe zu landwirtschaftlich genutzten Böden. Bei der Verwitterung verwandeln sich die Mineralien in Bicarbonate, die sich durch den Boden bewegen und schließlich dauerhaft im Ozean gespeichert werden, weil sie wasserunlöslich sind", so Kanan.

Schlüsselrolle für Landwirtschaft

Das Verfahren habe auch Vorteile für Landwirte, die dem Boden oft Kalziumkarbonat hinzufügen. "Durch die Zugabe unseres Produkts wäre das nicht mehr nötig, da beide mineralischen Komponenten alkalisch sind. Außerdem setzt Kalziumsilikat bei der Verwitterung Silizium in einer Form frei, die von den Pflanzen aufgenommen werden kann, was die Ernte-Erträge und die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen verbessern kann. Im Idealfall würden die Landwirte für diese Mineralien bezahlen, weil sie der landwirtschaftlichen Produktivität und der Gesundheit des Bodens zugutekommen - und als Bonus gibt es die CO2-Entfernung", so der Fachmann.

Der Energieaufwand für die Herstellung des CO2-Schwamms sei weitaus geringer als bei bisher eingesetzten Techniken. In Kanans Labor lassen sich pro Woche 15 Kilogramm herstellen. Um eine positive Wirkung für das Klima zu erreichen, müssen jährlich allerdings eine Mio. Tonnen produziert werden. Als Rohstoff könnten Abfälle aus dem Bergbau dienen. "Jedes Jahr fallen weltweit beispielsweise mehr als 400 Mio. Tonnen Bergematerial mit geeigneten Silikaten an", so Kanans Postdoc Yuxuan Chen.

 

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