Forschungswettlauf um die Energiespeicher von morgen – Deutsche und Israelis kooperieren eng in Batterieforschung und Nanotechnologie

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Batterieforschung und Nanotechnologie sind Schlüsselfelder auf dem Weg zur Elektromobilität. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung stellt jährlich mehr als 250 Millionen Euro für Forschungsprojekte in diesen Bereichen bereit. Viele Kooperationen sind international.

Von Ulla Thiede

„Das Entwickeln von Batterien ist eine wirkliche Via Dolorosa“, erklärt Doron Aurbach mit einem Augenzwinkern. Denn es geht hier nicht um Leiden, sondern um Leidenschaft. Die hat der israelische Elektrochemiker, Oberflächenforscher und Chemieingenieur Aurbach, der an der Bar Ilan Universität in Ramat Gan forscht, vor über drei Jahrzehnten entdeckt. Der Mann mit der Kippa und dem weißen Bart will der Menschheit dabei helfen, von fossilen Brennstoffen als Energiequelle wegzukommen. Die Elektromobilität ist dabei ein Mittel zum Ziel. Doch wer den Verbrennungsmotor durch den Elektroantrieb dauerhaft ersetzen will, braucht geeignete Traktionsbatterien.    

Weltweit wetteifern Forscher, Industrie und Startups darum, wer das Batteriesystem der Zukunft entwickelt – kostengünstig, sicher, leichter und kompakter als heute. Noch ist die Reichweite einer Batterieladung zu kurz, die Energiedichte zu gering und die Lebensdauer nicht zufriedenstellend. Internationale Kooperationen sollen helfen, den Durchbruch zu beschleunigen. Regierungen stellen dafür Forschungsgelder bereit, allein das Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt die Batterieforschung mit jährlich 35 Millionen Euro. Ein Teil davon kommt deutsch-israelischen Projekten zugute.

So ist auch Aurbach grenzüberschreitend vernetzt: „Viele meiner Partner sind in Deutschland. 1996 begann ich eine jahrelange Zusammenarbeit mit der Firma Merck in Darmstadt.“ Das Unternehmen stellte erstmals Elektrolyte in großen Mengen her, um sie zu kommerzialisieren. Elektrolyte sind chemische Verbindungen, die als elektrisches Leitmaterial dienen und Bestandteil jeder Batterie sind. „Dass ein solcher Konzern in die Elektrolyteproduktion einstieg, war ein riesiger Schritt, weil es die Batterieforschung billiger machte und Labors weltweit Arbeit ersparte“, erklärt Aurbach, der das „Nano Clean Tech Center“ am Institut für Nanotechnologie der Bar Ilan Universität leitet. Außerdem steht er dem Israeli National Research Center for Electrochemical Propulsion (INREP) vor, dem 15 Forschungsgruppen an vier Universitäten angehören.

Während Lithiumionen-Akkumulatoren derzeit die ausgereifteste Technologie bieten, um in E-Fahrzeugen verwendet zu werden, forscht Aurbachs Gruppe gleichzeitig an Magnesium-Batterien, Lithium-Sauerstoff-Batterien, Lithium-Schwefel-Batterien und Schwefel-Kondensatoren. „Wir haben eine panoramaartige, umfassende Forschungserfahrung bei Energiespeichern“, sagt Aurbach, der inzwischen eng mit BASF kooperiert. „Mehr als ein Drittel meiner Forschungsarbeit ist mit dem Ludwigsburger Unternehmen verknüpft.“ Über die Deutsch-Israelische Projektarbeit (DIP) und die Deutsch-Israelische Stiftung für wissenschaftliche Forschung und Entwicklung (GIF) verbanden ihn Forschungsvorhaben mit Joachim Maier, Direktor des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart, sowie aktuell mit Volker Presser vom Leibniz-Institut für Neue Materialien. Seit neuestem arbeitet Aurbach mit Martin Winter zusammen, dem Leiter des Batterieforschungszentrums Münster Electrochemical Energy Technology (MEET).

„Batterie, Brennstoffzelle oder Superkondensator sind Wege, um im Verkehrswesen weg vom Öl zu kommen“, erklärt Ilana Lowi vom israelischen Ministerium für Wissenschaft, Technologie und Raumfahrt (MOST). „Doch die Forschergemeinschaft in den fraglichen Disziplinen ist in beiden Ländern relativ klein.“ Die Nase vorn haben Wissenschaftler und Hersteller in Japan, Südkorea und China. Um mehr junge Forscher in Israel und Deutschland für alternative Antriebstechnologien und Energiespeicherung zu begeistern, fand im Oktober 2014 die erste Battery School (GIBS) in Tel Aviv statt, im April 2016 folgte die zweite in München. Dabei diskutierten Doktoranden beider Länder mit Batterieforschern über ihre Erfahrungen. Beteiligt sind unter anderem das MEET, die Justus-Liebig-Universität Gießen, die Tel Aviv University (TAU) und Bar Ilan. Noch im Laufe des Jahres 2016 wollen MOST und BMBF neue Förderprogramme in der Batterieforschung ausschreiben, die israelisch-deutsche Gemeinschaftsprojekte finanzieren.

Emanuel Peled von der TAU hat schon Geschichte geschrieben: „Ich habe weltweit als erster wiederaufladbare Lithium-Schwefel-Batterien gebaut“, erklärt der Batterieforscher. Allerdings war das vor 25 Jahren. „Wir hatten Probleme mit der Lebensdauer, kamen nicht weiter und haben die Experimente eingestellt.“ Vor fünf Jahren griff Peled die Technologie wieder auf, heute untersucht er im Rahmen des EU-Forschungsprogramms Horizon 2020 Lithium-Schwefel-Batterien. Am HELIS-Projekt sind von deutscher Seite unter anderem die Fraunhofer-Gesellschaft, Max-Planck-Institute sowie die Universität Münster beteiligt. „Wir machen jeden Monat Fortschritte.“ Und die Forscher veröffentlichen emsig: Monatlich, so Peled, erscheinen weltweit 150 neue Wissenschaftsartikel zu Lithium-Schwefel-Batterien. Sie sollen in einigen Jahren die nächste Generation an Autobatterien anführen.

Eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Batterien spielt die Nanotechnologie, von der sich Wissenschaftler Lösungen für viele globale Herausforderungen erhoffen. Sie ist keine eigene Disziplin, sondern eine Technologie, die in so unterschiedlichen Bereichen wie Medizin, Kommunikation, Umwelt, Verkehr und Ernährung zum Einsatz kommt. Nano heißt Zwerg, und bei der Nanotechnologie arbeiten Wissenschaftler auf der Ebene von Atomen und Molekülen. Dabei entwickeln sie neue Materialien, die aufgrund der Winzigkeit der verwendeten Partikel teilweise neue Eigenschaften aufweisen, die wir an ihnen in der normalen Größe nicht kennen.

Das BMBF fördert Projekte mit Bezug zur Nanotechnologie mit jährlich 220 Millionen Euro. Auch in diesem Bereich sollen deutsch-israelische Forschungsvorhaben unterstützt werden. Die neuen Projekte, finanziert von BMBF und dem israelischen Wirtschaftsministerium, sollen 2017 starten mit einer Laufzeit von bis zu drei Jahren. Vorgesehen ist, dass sich sowohl in Israel wie in Deutschland jeweils eine Hochschule bzw. ein Forschungsinstitut sowie ein Unternehmen beteiligen. Die Bekanntmachungen standen zum Redaktionsschluss (Aug. 2016) noch aus.

Nanotechnologie kommt etwa zum Tragen beim Projekt ELASTISLET, das über das europäische Forschungsprogramm Horizon 2020 finanziert wird. Der Biologe Yuval Dor von der Hebräischen Universität in Jerusalem erklärt das Vorhaben: „Wir erforschen Zelltherapien bei Diabetes-Erkrankungen. Gesucht wird nach einem Kapselmaterial für Betazellen, die aus Stammzellen gezüchtet oder gehirntoten Patienten entnommen werden.“ Betazellen produzieren im Körper von Gesunden das lebensnotwendige Insulin, das Diabeteskranken fehlt. Daher sollen diese Zellen den Kranken eingepflanzt werden. „Um eine Abstoßung durch das Immunsystem zu verhindern,  entwickelt unser Konsortium Nanomaterial, das die neuen Zellen ummantelt.“ Über ELASTISLET steht Dor in Kontakt mit der deutschen Firma Axiogenesis in Köln.

Als in Europa führende Organisation für angewandte Forschung hat die Fraunhofer-Gesellschaft großes Interesse an dem neuen deutsch-israelischen Forschungsprogramm in Nanotechnologie. Adelheid Adam, die bei Fraunhofer für die Geschäftsentwicklung Nordafrika und Naher Osten zuständig ist, berichtet, dass sich die Wirtschaftserträge aus Israel 2015 im Vergleich zum Vorjahr verdoppelt hätten. Dabei umfassen die Kooperationen nicht nur Nanotechnologie, sondern etwa auch die Batterieforschung (siehe HELIS). Neben den EU-Förderprogrammen nutzt Fraunhofer in Zusammenarbeit mit Israel insbesondere die interministerielle Kooperation (BMBF-ECONOMY-MOST).

Vom 21. bis 23. September 2016 haben israelische und deutsche Wissenschaftler im Rahmen eines Kolloquiums der Alexander-von-Humboldt-Stiftung in Tel Aviv Gelegenheit zum Gedankenaustausch. Die Tagung steht unter dem Titel „Bridges to the Future: German-Israeli Scientific Relations“. Wie AvHS-Präsident Professor Helmut Schwarz berichtet, hat die Stiftung seit Ende der 1950er Jahre 297 israelische Humboldtianerinnen und Humboldtianer gefördert. „Besonders auffallend ist, dass der Anteil der Preisträgerinnen und Preisträger aus Israel überdurchschnittlich hoch ist. Die Stiftung sieht jedoch noch größeres Potenzial, israelische Early Career Researchers für ihre Programme zu gewinnen“, erklärt Schwarz.

Auf die Förderung junger Forscher zielt auch der ARCHES-Preis ab, den die Minerva-Stiftung jährlich an zwei deutsch-israelische Teams vergibt. Pro Gruppe beträgt das Preisgeld 200.000 Euro. Im Juni 2016 wurden Forschungen aus den Lebenswissenschaften ausgezeichnet. Preisträger waren Erez Levanon (Bar-Ilan-Universität) und Jan-Philipp Junker (Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin der Helmholtz-Gemeinschaft) sowie Omry Koren (Bar-Ilan-Universität) und Raffaele Teperino (Helmholtz-Institut für Experimentelle Genetik München).

„Wir sind ein kleines Land“, erklärt Batterieforscher Aurbach auf die Frage, was Israelis antreibt, mit Deutschland zu kooperieren. Da brauche man starke Partner. Die Batterieproduktion im großen Stil wie die Asiaten könne Israel nie leisten. Es sei fast eine philanthropische Einstellung: „Unsere Wissenschaft soll dazu beitragen, dass die Menschheit Elektroautos fährt.“ Fragt sich noch, wer den Quantensprung schafft.