Vielschichtige Beiträge zur „Energiewende“

Die Materialwissenschaftlerin Anne Fuchs erhält den Energiepreis des TU Darmstadt Energy Center für ihre herausragende Dissertation.

Mit Auszeichnung hat Anne Fuchs im Jahr 2009 bereits ihren Titel „Dipl.-Ing.“ in Materialwissenschaften an der TU Darmstadt erworben. Für ihre Doktorarbeit erhält die 32-Jährige nun am 3. März im Rahmen der „8. Darmstädter Energiekonferenz“ den mit 2.000 Euro dotierten Energiepreis des TU Darmstadt Energy Center.

Ihr Fachgebiet ist die Oberflächenforschung. Fuchs` Dissertation behandelt den „Frontkontakt der CdTe-Dünnschichtsolarzelle: Charakterisierung und Modifizierung von Puffer- und Fensterschichten und deren Grenzflächen“.

TU Darmstadt: Frau Fuchs, Sie haben damals den besten Studienabschluss Ihres Jahrgangs hingelegt und nun werden Sie für die beste Dissertation ausgezeichnet. Müssen Sie sehr büffeln für diese Noten oder fliegt Ihnen der Erfolg zu?

Anne Fuchs: Ich war in der Schule immer sehr gut und habe fast nie lernen müssen. Dinge, die ich verstanden habe, bleiben mir im Gedächtnis. Schwierigkeiten habe ich dagegen, mehr anzeigen

wenn ich etwas auswendig lernen muss. Auf meinen Abschluss an der TU habe ich mich natürlich gut vorbereitet, ich wollte ja ein gutes Diplom machen. Für die Dissertation habe ich viel gearbeitet und experimentiert, aber entscheidend ist da die Bewertung der Ergebnisse. Ich habe mir viel Zeit genommen, um auf hohem Niveau die Ergebnisse zu analysieren und nebenbei meine Freude daran entdeckt, meine Doktorarbeit auch formal ansprechend zu präsentieren.

Worum genau geht es in Ihrer Doktorarbeit? Um effizientere, robustere Solarzellen und nachhaltige Energiequellen?

Dünnschichtsolarzellen werden aus Materialien hergestellt, die weniger empfindlich auf Fehler und Unreinheiten reagieren als Silizium. Mehrere verschiedene Materialien lagern hierbei in Schichten übereinander. Ich erforsche, was passiert, wenn zwei Materialien an sogenannten Grenzflächen zusammenstoßen. Wie wirken sie sich auf den Transport von Ladungsträgern, also den elektrischen Stromfluss und die elektrische Spannung aus, welchen Einfluss haben Grenzflächen auf die Funktion des Bauteils, und lassen sie sich vielleicht gezielt so herstellen, dass sie einen positiven Effekt auf die Solarzelle haben?

Die von mir hergestellten und untersuchten Dünnschichtsolarzellen sind bereits ein industriell etabliertes System, aber meine Forschung geht dahin, ihren Wirkungsgrad weiter zu erhöhen, sie effizienter zu machen. Diese Grundlagen-Ergebnisse lassen sich auch auf andere Systeme, also elektrische Bauteile wie etwa Leuchtdioden oder Batterien übertragen.

Warum interessieren Sie sich gerade für Solarzellen?

Ich finde es sehr motivierend, an erneuerbaren Energien mitzuarbeiten. Die nachhaltige Energieversorgung ist die Schlüsselfragestellung meiner und künftiger Generationen. Ich möchte gerne an sinnvollen Produkten beteiligt sein, die einen gesellschaftlichen Nutzen haben.

Arbeiten Sie auch bei Ihrem Arbeitgeber, der Robert Bosch GmbH, in diesem Bereich?

Seit fast zwei Jahren bin ich bei Bosch beschäftigt. Die Stelle hat perfekt zu der analytischen Methodik gepasst, die ich auch in meiner Dissertation angewandt habe. Ich arbeite im Zentrum für Forschung und Vorausentwicklung in der internen Analytik-Dienstleistungsabteilung. Wir nehmen weltweit Material- und Schadensanalysen vor. Wer bei Bosch ein Problem mit Bauteilen hat oder für seine Forschung analytische Unterstützung benötigt, kann sich an uns wenden. Ich arbeite derzeit aber auch in einem Forschungsprojekt für neuartige Batterien mit.

Warum haben Sie sich nach dem Abitur für die Materialwissenschaften und die TU Darmstadt entschieden?

Darmstadt hat einen guten Ruf. Anfangs wusste ich gar nicht so genau, was ich studieren wollte. Mir schwebte auch Grafik-Design oder Architektur vor, doch dafür brauchte man eine Bewerbungsmappe und so begann ich zunächst mit den Materialwissenschaften. Ich wollte da reinschnuppern, aber nach zwei Semestern hat es mich gepackt und ich bin dabei geblieben. Die Interdisziplinarität hat mich gereizt und das Faible für Naturwissenschaften liegt in der Familie.

Sie waren auch zwei Semester mit dem Erasmus-Programm in Schweden…

Ja, das waren acht tolle Monate an der Technischen Hochschule Chalmers in Göteborg. Ich habe mich bewusst für Schweden entschieden, weil ich ein großer Skandinavien-Fan bin. Ich habe mir schon früher gewünscht, dort mal zu leben. Ich mag das Meer und die schwedische Gemütlichkeit. Ich bin Skandinavien-süchtig und könnte mir auch vorstellen, dort später mal zu arbeiten.

Die Fragen stellte Astrid Ludwig

Der Maschinenbauer Hendrik Schaede, Fachmann für Mechatronische Systeme, erhält den mit 2.000 Euro dotierten Energiepreis 2016 des TU Darmstadt Energy Centers. Er wird für seine Dissertation ausgezeichnet, die sich mit der dezentralen elektrischen Energiespeicherung mit Hilfe eines kinetischen Speichers in Außenläuferbauform befasst. Eine Weiterentwicklung des Speicher-Prototyps, der bei seiner Doktorarbeit entstand, ist künftig in der hoch-energieeffizienten ETA-Modellfabrik auf dem Campus Lichtwiese der TU im Einsatz.

Maschinenbauer und Unternehmer, das waren die Berufsziele, die sich Hendrik Schaede schon früh vorgenommen hatte. Maschinenbauer ist er, jetzt sogar mit Doktortitel. Und gerade gründet der 35-Jährige mit Absolventen der TU Darmstadt auch sein eigenes Unternehmen. ORKESS, so lautet der vorläufige Name.

Zusammen wollen sie die Technologie an den Markt bringen, an der Schaede die vergangenen sechs Jahre geforscht hat: Einen dynamischen Speicher, bei dem die Energie wie bei einer Töpferscheibe in der Rotation einer Schwungmasse gespeichert wird. Eine Möglichkeit der Vorratshaltung, um sekunden- oder minutenlange Schwankungen in einem von Solar- oder Windkraft gespeisten Stromnetz auszugleichen.

Die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien schwankt naturgemäß stärker als die in konventionellen Kraftwerken. Ein dezentraler Speicher mit Schwungrad, wie der von Schaede entwickelte, soll helfen, das Stromnetz zu stabilisieren. In den USA ist der Markt mehr anzeigen

für solche Technologen schon vorhanden, in England und Irland laufen die Vorbereitungen dafür – nicht so in Deutschland. Schaede hofft auf den globalen Markt und eine Nischenanwendung, die sich vielleicht bald auch im Inland für den kinetischen Speicher auftun könnte. „Der Energiepreis der TU untermauert, dass unsere Idee Qualität und Gewicht hat“, freut sich der Wahl-Darmstädter.

Der Prototyp steht im Labor. Er ist erstaunlich klein, rund und nicht größer als eine Waschmaschine. Das Schwungrad ist ein rotierender Hohlzylinder aus faserverstärktem Kunststoff und wird von Elektromagneten berührungslos in der Schwebe gehalten. Die kinetische Energie wird umso größer, je schneller sich das Schwungrad dreht und je größer der Radius ist. Gedreht wird es in einem Containment im Hochvakuum, die Reibung sinkt auf ein Minimum. „Kinetische Speicher in so genannter Außenläuferbauform sind seit den 1970er Jahren in der Diskussion, aber außer uns hat das noch keiner so hinbekommen“, sagt Schaede stolz.

Dem Team um Professor Stephan Rinderknecht und Hendrik Schaede am Institut für Mechatronische Systeme an der TU ist es gelungen, ein anpassungsfähiges System zu entwickeln, das auf die vom Kunden gewünschte Kapazität und Leistung einstellt werden kann. „Unser Speicher liefert, was wirklich gebraucht wird“, so Schaede. Das ist der Unterschied zu anderen bereits existierenden kinetischen Speichern. Der 35-Jährige sieht darin ein großes Potenzial. Das von ihnen entwickelte System habe eine Lebensdauer von 20 Jahren und könne sich bis zu einer Million Mal auf- und entladen. „Das schafft keine Batterie.“

Schaede ist in Groß-Umstadt aufgewachsen. Nach Darmstadt kam er, „nicht weil es in der Nähe war, sondern weil die TU eine gute Uni ist“. Nach seinem Diplom 2007 in Maschinenbau wechselte er zunächst in die Wirtschaft, arbeitete in der medizinischen Produktentwicklung.

„Mir hat es an der Universität immer gefallen, aber es war gut, mal rauszukommen“, sagt er. Ein achtmonatiger Ausflug, während dessen Schaede „industrielle Strukturen und Arbeitsprozesse in einem globalen Unternehmen außerhalb eines Praktikums kennenlernte“. Als sich jedoch die Möglichkeit der Doktorarbeit bot, kehrte er an die TU zurück.

Er blieb dabei, auch als nach einem Jahr sein Doktorvater und zwangsläufig auch das Dissertationsthema wechselten. Statt an den Grundlagen aktiver Elektromagneten zu forschen, wendete Schaede die Technologie jetzt in dem kinetischen Speicher an. Ein ungeplanter Wechsel, den er nicht bereut hat. „Im Nachhinein, war es das spannendere Thema“, ist er überzeugt.

Seine Post-Doc-Zeit hat der 35-Jährige mit einem DAAD-Stipendium übrigens in Alaska verbracht – im Center for Energy and Power der University of Alaska Fairbanks. Ein sehr weitläufiges Land mit vielen kleineren Stromnetzen. Ein ideales Forschungsfeld für Schaedes kinetischen Speicher. Mittlerweile ist er dort als Privatdozent aktiv und will demnächst mal wieder in den Norden reisen.

Astrid Ludwig