Verehrte Leserinnen und Leser,am 17. April 2009 wussten wir, dass uns der große Wurf gelungen ist: An diesem Tag erhielten wir vom Center for Nanointegration Duisburg-Essen, kurz CENIDE, die Nachricht, dass wir uns im landesweiten Wettbewerb um ein hochmodernes Forschungsgebäude durchsetzen konnten. Das Land Nordrhein-Westfalen hatte das NanoEnergieTechnikZentrum (NETZ) im Jahr 2010 in unserem Namen beim Wissenschaftsrat eingeworben und die Hälfte der Bau- und Ersteinrichtungskosten von rund 46 Millionen Euro übernommen. Als Standort fand sich ein wahres Filetstück des Duisburger Campus : Mit dem Zentrum für BrennstoffzellenTechnik im Süden, dem Zentrum für Halbleitertechnik und Optoelektronik im Westen sowie den Fakultäten für Physik und Ingenieurwissenschaften ebenfalls in direkter Nachbarschaft bieten sich für die im NETZ arbeitenden Wissenschaftler ganz wörtlich Kooperationsmöglichkeiten in alle Richtungen.Die Grundlagen der NanoEnergieDenn von Kooperationen lebt unsere Forschung, schöpft die Nanotechnologie doch gleichsam aus den Natur- und Ingenieurwissenschaften sowie aus der Medizin. Ihr Teilbereich NanoEnergie beschäftigt sich mit Mechanismen und Materialien, die dazu beitragen können, Energie nachhaltig in eine verwertbare Form umzuwandeln und zu speichern. Hierzu sind neuartige, maßgeschneiderte Materialien notwendig, zu denen die Nanotechnologie entscheidend beitragen kann. Ein Nanometer ist der millionste Teil eines Millimeters. Materialien, die aus solch winzigen, dicht an dicht gepackten Nanopartikeln bestehen, haben eine riesige Oberfläche. Und da die Energieumsetzung meist an solchen Grenz- und Oberflächen stattfindet, bieten sich Nanomaterialien hier besonders an. Wo Materialien im makroskopischen Bereich versagen, können Nanokomponenten dazu beitragen, dass wir zukünftig deutlich effizienter Energie in elektrischen Strom umwandeln und speichern können. Bereits seit 2009 forschen Wissenschaftler und Kooperationspartner aus der Industrie im CENIDE-Projekt NETZ hierzu gemeinsam an Strategien, Mechanismen und Materialien.Das neue Zentrum unserer ForschungMit dem ersten Spatenstich am 4. November 2010 hat das gleichnamige Forschungsgebäude, das der NanoEnergie-Forschung nun auch einen räumlichen Mittelpunkt gibt, Gestalt angenommen: Nach fast auf den Tag genau zwei Jahren Bauzeit konnten die ersten Mitarbeiter einziehen. Mit seiner einzigartigen Infrastruktur dient das NanoEnergieTechnikZentrum nun für 120 Forscher und Kooperationspartner als Basis, um maßgeschneiderte funktionale Materialien für die Stromversorgung der Zukunft bereitzustellen und so die Region Rhein-Ruhr zu einem wichtigen Baustein für die technische Umsetzung der Energiewende zu erheben. Es enthält physikalische und chemische Labore sowie Büro- und Seminarbereiche auf etwa 3.900 Quadratmetern Hauptnutzungsfläche. So stellt das NETZ einen bisher einzigartigen Komplex für die Verknüpfung von Grundlagenforschung und anwendungsbezogener Weiterverarbeitung dar: Von der Synthese der Nanomaterialien über ihre Analyse bis hin zur Weiterverarbeitung für die energietechnischen Anwendungen finden alle Prozesse in den direkt verbundenen Laboren statt. Durch dieses Prinzip der so genannten linked facilities erforschen Chemiker, Physiker und Ingenieure die im Haus synthetisierten Nanomaterialien gemeinsam im Sinne einer geschlossenen Prozesskette und verarbeiten sie unmittelbar für energietechnische Anwendungen weiter. Damit geht die Forschung in NETZ auch direkt ein Problem an, vor das Unternehmen bisher gestellt waren, wenn sie mit Nanomaterialien arbeiten wollten: Es fehlte schlicht an ausreichenden Mengen spezifischer Nanomaterialien für die Erforschung der industriellen Verwertbarkeit. Die anwendungsorientierte Forschung, die hier mit der Gasphasensynthese maßgeschneiderter Nanopartikel im Technikumsmaßstab beginnt und bis zu ihrer Verwertung im nutzbaren Bauteil reicht, will diese Lücke nun schließen - zunächst exemplarisch für die Bereiche Lithium-Ionen-Batterien, Katalyse, Photovoltaik und Thermoelektrik. Grundlage hierfür ist die Gasphasensynthese von Nanopartikeln, in der drei verschiedene Reaktorkonzepte für unterschiedliche Produkte eingesetzt werden. Die Syntheserate erreicht hier je nach Art und Qualität des Produkts Größenordnungen von Kilogramm pro Stunde.Natürlich muss ein Nanoforschungszentrum auch die Möglichkeit bieten, Strukturen und Eigenschaften mit höchster Ortsauflösung zu messen. In unserem Fall ist dieser Aspekt besonders wichtig, da wir die Nanomaterialien in Prozessketten verarbeiten und deren Zustand nach den einzelnen Schritten beurteilen und gegebenenfalls gezielt verändern wollen. In direkter Nähe zu den linked facilities liegt daher im Untergeschoss das Mikroskopiezentrum für die Analytik, das extrem temperatur- und feuchtigkeitsstabile Raumluftbedingungen für die Arbeit mit den hochempfindlichen Elektronenmikroskopen und Oberflächen-Analysegeräten bietet. Zudem ist jedes Großgerät auf einem individuellen, rund 100 Tonnen schweren Fundament gelagert, das nicht mit dem Gebäude verbunden ist. So wird vermieden, dass sich mechanische Schwingungen - etwa vom Aufzug oder von vorbeifahrenden LKW - auf die Mikroskope übertragen und die Messungen stören. Auch elektromagnetisch ist das Untergeschoss unter anderem durch miteinander verschweißte Spundwände gegen äußere Einflüsse abgeschirmt. Aus demselben Grund sind alle Installationen im Gebäude so ausgelegt, dass sie nur minimale elektromagnetische Störfelder erzeugen. Natürlich sind auch Stromversorgung und Klimaregelung auf die ökologisch und auch ökonomisch sinnvollste Art geregelt: Alle Labore sind trotz der enormen Abwärmeleistung der Geräte klimatisch individuell einzustellen. Wärmepumpen nutzen diese Abwärme aus den Laboren zur Heizung der übrigen Bereiche, insbesondere für die Büros. Photovoltaikanlagen auf dem Dach erzeugen stetig elektrischen Strom. Um die Eigenentwicklungen auf dauerhafte Beständigkeit zu prüfen, gibt es auf dem Dach eine Bewitterungs-Testfläche für funktionale Beschichtungen aller Art.Ein weiterer bedeutender Teil des NETZ-Konzepts, der sich auch in der Struktur des Gebäudes zeigt, sind Kooperationen mit der Industrie: Für Partner aus der Wirtschaft stehen hochmodern eingerichtete Büroräume und Labore Tür an Tür mit den Wissenschaftlern für kooperative Forschungsprojekte zur Verfügung. Besprechungs- und Seminarräume sowie Kommunikationszonen, in denen man sich - ganz nebenbei, aber ungemein effektiv - bei der Stippvisite an der Kaffeemaschine trifft und bespricht, ergänzen die fachliche um die ebenso wichtige soziale Komponente.NanoEnergie aus verschiedenen BlickwinkelnSeit Herbst 2012 wird im NETZ bereits gearbeitet. Doch auch ohne die unmittelbare räumliche Nachbarschaft, die das neue Forschungsgebäude nun ermöglicht, funktioniert die Zusammenarbeit im gleichnamigen Projekt bereits seit seinen Anfängen vor vier Jahren: Ein Beispiel ist die gemeinsame Forschungsarbeit von Dr. Gabi Schierning aus der Arbeitsgruppe Nanostrukturtechnik und Dr. Hartmut Wiggers vom Institut für Verbrennung und Gasdynamik. Sie haben erstmals effizientes Nano-Silizium für thermoelektrische Anwendungen aus der Gasphase synthetisiert. Eine Sensation in Forscherkreisen, denn die Thermoelektrik benötigt dringend neue Werkstoffe, verwendet man doch bisher fast immer das seltene Tellur oder das umweltschädliche Blei. Nano-Silizium bietet da eine auch im großen Maßstab verfügbare, kostengünstige und ungiftige Alternative. Für den daraus entstandenen Thermogenerator hat das Team bereits den InnoMateria Award 2012 erhalten.Dieses ist nur ein Beispiel für die erfolgreiche Zusammenarbeit unserer Wissenschaftler innerhalb der NanoEnergie-Forschung. Weitere Projekte und konkrete Beispiele unserer Arbeit stellen wir Ihnen in diesem UNIKATE-Heft vor - darunter auch die Erkenntnisse unseres Projekts NanoGEM , das sich mit der Sicherheit im Umgang mit Nanotechnologie beschäftigt.Wir danken all den Autorinnen und Autoren von CENIDE und NETZ, die sich die Zeit genommen haben, ihren speziellen Zweig der NanoEnergie-Forschung in einem ausführlichen Beitrag vorzustellen. Ganz besonders danken möchten wir auch den Autoren der angrenzenden Wissenschaften, die uns einen Blick auf die Nanotechnologie aus ihrer Sicht ermöglichen sowie den Partnern aus Industrie und Wirtschaft, die unsere Darstellung der Forschung um ihre wertvolle Perspektive ergänzen.Eine unterhaltsame Lektüre wünschen IhnenDr. Marion Franke Prof. Dr. Christof SchulzGeschäftsführerin NETZFederführende Autorin Wissenschaftlicher Direktor NETZmehr

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Unikate 43: NanoEnergie

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