POWERING A SUSTAINABLE FUTURE
Am Düsseldorfer Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien suchen Forscherinnen und Forscher nach Wegen, die Lebensdauer von Materialien zu verlängern und umweltschonendere Alternativen zu entwickeln. Vier von ihnen geben Einblicke in ihre Arbeit.
Dr. Rafael Gitti Tortoretto Fim ist Postdoktorand in der Gruppe „Nachhaltige Magnete und Recycling“. Er forscht zu Permanentmagneten. Sie können ohne äußere Stromzufuhr dauerhaft Magnetfelder erzeugen, die für nachhaltige Technologien unverzichtbar sind: In E-Motoren wandeln sie elektrischen Strom in Bewegung um, während sie in Windrädern aus mechanischer Energie Strom machen. Das Problem: Sie bestehen zu einem wesentlichen Teil aus Seltenen Erden, die in Europa kaum verfügbar sind, beim Abbau große Umweltschäden verursachen und sich nur schwer recyceln lassen. Unter anderem die EU führt sie deswegen als kritische Rohstoffe. Doch der Bedarf ist groß: 2022 erreichte der Markt für Permanentmagnete ein Volumen von rund 23 Milliarden US-Dollar; bis 2030 wird ein Wachstum auf etwa 40 Milliarden US-Dollar erwartet. „Rund 60 Prozent der Nachfrage entfällt auf Seltenerdmagnete“, erklärt Dr. Rafael Gitti Tortoretto Fim. Nachhaltige Lösungen sind gefragt, um sie in Zukunft bedienen zu können. „Wir verfolgen zwei Strategien. Einerseits entwickeln wir neue Magnetmaterialien auf Basis häufiger Elemente wie Eisen, Phosphor und kohlenstoffbasierter Komponenten. Zum anderen arbeiten wir an der Aufbereitung von seltenerdhaltigen Altmagneten.“
Dr. Tugce Beyazay entwickelt als Projektleiterin Methoden, um Metalle aus Abfallströmen zu recyclen und sie wieder in den industriellen Kreislauf zurückzuführen.
Recyclinglösungen entwickelt auch Dr. Tugce Beyazay, Postdoktorandin und Projektleiterin in der Abteilung „Nachhaltige Metallurgie und Legierungsdesign“. Ihr Fokus liegt auf der Rückgewinnung von Metallen aus galvanischem Schlamm, der in der Beschichtungsindustrie anfällt, und verbrauchten Katalysatoren. Allein in Europa sind es jedes Jahr zehntausende Tonnen. „Wir wollen sie als Rohstoffquelle nutzen und die Metalle in den industriellen Kreislauf zurückführen“, erklärt sie. Kupfer, Kobalt oder Nickel sind für erneuerbare Energielösungen unerlässlich, ihre Primärproduktion ist jedoch sehr CO₂-intensiv. Das Recyceln von Metallen aus Abfallströmen ist deshalb umso wichtiger. Dr. Tugce Beyazay nutzt Hochtemperaturprozesse auf Pyrolysebasis, um sie effizient zurückzugewinnen und direkt in nutzbare Legierungen umzuwandeln. Bei der Pyrolyse werden Metalle von Kunststoffen oder Bindemitteln getrennt, was die Reinheit erhöht und Schmelzverluste minimiert. „Unser Ziel ist es, die Abhängigkeit von primären Rohmetallen zu verringern. Meine Arbeit ist hauptsächlich experimentell und grundlagenorientiert, unsere Erkenntnisse können aber direkt in der industriellen Praxis angewendet werden. Konkret erhalten wir aktuell galvanischen Schlamm von einem produzierenden Unternehmen aus der Region. Durch den Einsatz von Wasserstoff können wir aus den Abfällen Metalle und Legierungen zurückgewinnen, ohne dass dabei CO₂ entsteht.“
Dr. Yug Joshi arbeitet an neuen Batterielösungen mit langer Lebensdauer und hoher Speicherkapazität.
Da die Elektrifizierung in der Infrastruktur zunimmt, wächst auch der Bedarf an Batterien mit langer Lebensdauer und hoher Speicherkapazität. Dr. Yug Joshi leitet die Gruppe „Mikrostruktur von Batteriematerialien“ und ist auf der Suche nach Materialien, die genau das ermöglichen. „Wir arbeiten an mehreren Lösungen, Energie zu speichern und ihre Dichte zu erhöhen. Dabei spielt insbesondere Nickel eine wichtige Rolle.“ Die Forschung wird durch Künstliche Intelligenz unterstützt: „Wir nutzen eine KI-gestützte Methode zur beschleunigten Materialentdeckung, um neue Batteriematerialien herzustellen und zu untersuchen, ob ihre Mikrostruktur die gewünschten Eigenschaften, etwa für eine höhere Energiespeicherung, tatsächlich abbildet.“ Zukünftig soll die Verlängerung der Lebensdauer von Batterien noch mehr in den Fokus rücken: „Der Standard ist, Batterien in ihre Einzelkomponenten zu zerlegen und sie chemisch zu trennen. Das ist teuer, energieintensiv und materialverlustreich. Wir wollen stattdessen alternative Rückgewinnungstechnologien wie beispielsweise Ultraschallbehandlung anwenden, um eine mikroskopische Strukturregeneration zu ermöglichen und den Batterien so ein zweites Leben zu geben“, erklärt Dr. Yug Joshi.
Dr. Anurag Bajpai forscht mithilfe von KI nach besseren Materialeigenschaften.
Um Materialien besser analysieren zu können und um herauszufinden, welche von ihnen sauberer und schneller hergestellt werden können als andere, setzt Dr. Anurag Bajpai auf KI. Er leitet die Gruppe „KI in den Materialwissenschaften“. Ein Schwerpunkt seiner Arbeit liegt auf der Stahlherstellung mit Wasserstoff. „Wir wollen verstehen, wie die Prozessdynamik über den gesamten Ablauf hinweg funktioniert. Die klimafreundliche Stahlproduktion ist derzeit in verschiedenen Prozessstufen noch limitiert. Mit KI können wir besser nachvollziehen, was die Umsetzung im industriellen Maßstab erschwert und wie sich die einzelnen Phasen effizienter gestalten lassen.“ Darüber hinaus nutzt die Gruppe KI für das Design neuer Legierungen. Dabei untersucht sie, wie sich bessere Materialeigenschaften erzielen lassen, etwa eine höhere Festigkeit, und wie die Legierungen nachhaltiger hergestellt werden können. „Wir möchten aufzeigen, warum bestimmte Ergebnisse entstehen. Dadurch kann die Industrie den KI-Modellen besser vertrauen und die Ergebnisse tatsächlich in der Praxis nutzen.“
Alle vier Forscherinnen und Forscher betonen die sehr guten Standortbedingungen. Dazu zählen die vielen Fördermöglichkeiten, das starke Netzwerk aus exzellenten Forschungseinrichtungen und die enge Zusammenarbeit mit der Industrie. „Mich hat überrascht, wie offen Unternehmen für Kooperationen in der Grundlagenforschung sind. Ich denke, Deutschland ist dadurch im Hinblick auf nachhaltige Forschung und langfristige Ressourcennutzung gut aufgestellt“, sagt Dr. Tugce Beyazay. Düsseldorf spielt mit seiner günstigen Lage in einer der größten Industrieregionen Europas eine besondere Rolle: „Die Nähe zu einem so starken industriellen Ökosystem macht die eigene Arbeit sehr sinnstiftend, da Kooperationen und der Transfer von Forschungsergebnissen in die Praxis deutlich einfacher möglich sind“, erklärt Dr. Yug Joshi. Zudem biete die Stadt durch ihre Internationalität und Offenheit ein hervorragendes Umfeld zum Leben und Arbeiten. Dr. Rafael Gitti Tortoretto Fim gibt einen Ausblick: „Düsseldorf ist ein Innovationshub, der sich aus der Lage, den ansässigen Unternehmen und den Möglichkeiten, die die Stadt bietet, ergibt. Sie entwickelt sich zu einem Zentrum für Nachhaltigkeit, insbesondere in den Bereichen Materialforschung, Batterien, Permanentmagnete und KI. Es freut mich, mit meiner Arbeit dazu beitragen zu können.“•
Words: Dominik Deden
Pictures: MAX-PLANCK-INSTITUT FÜR NACHHALTIGE MATERIALIEN GMBH