Neue Materialien

Der atomgenaue Einblick, den PETRA IV eröffnet, kann neue, ressourcenschonende Produkte ermöglichen. Es entstehen funktionale Batteriematerialien für die Elektromobilität, Leichtbaukomponenten für den Fahrzeugbau oder organische Solarzellen aus Zellulose.

Mit Reibungsexperimenten an PETRA IV können Forschende analysieren, wie sich Feinstaubpartikel beim Kontakt eines Autoreifens mit dem Straßenbelag aus dem Reifen lösen und in der Umwelt verteilen. Innovative Materialien könnten zukünftig Nanopartikel aus diesem Abrieb reduzieren und so das Gefährdungspotenzial durch Feinstaub verringern.

Feinster Abrieb, der eingeatmet als Feinstaub in den Körper gelangt, schadet der Gesundheit. Doch Abrieb führt noch zu weiteren Schäden: In der Industrie verschleißen Maschinen durch den Abrieb, das führt zu hohen Wartungskosten. Für Mensch und Umwelt entwickeln Forschende weltweit daher Hightech-Materialien, die besser vor Verschleiß geschützt sind. Um diese detailliert zu untersuchen, liefert PETRA IV scharfe Bilder vom Reibungsprozess.

Durch den hohen Bildkontrast wird der Abrieb während seiner Entstehung sichtbar. Das ist mit herkömmlicher Bildgebung nicht möglich.

Links im Bildmittelgrund dieser Illustration ist ein fahrendes Auto zu sehen. Zur Bildmitte hin ist die Kontaktstelle des Auto-Vorderreifens mit dem Asphalt dargestellt. Von diesem Punkt ausgehend sind spitzkantige Körner mit zunehmender Größe schwallartig zur rechten Bildhälfte hin angeordnet. Sie stehen für Feinstaubpartikel, die beim Abrieb des Autoreifens bei Kontakt mit der Straße entstehen. Dieser Schwall Feinstaubpartikel mündet in einem kreisrunden Bildausschnitt in der rechten Bildhälfte. Dieser Bildausschnitt erinnert an den Blick durch ein Röntgenmikroskop. Darin zu sehen ist menschliches Lungengewebe, in dem sich Feinstaubpartikel abgelagert haben. Der kreisrunde Bildausschnitt überlappt die schematische Illustration eines menschlichen Körpers im Bildvordergrund rechts. So wird der Blick in die durch Feinstaub belastete Lunge vorstellbar. — Mobilität der Zukunft: Etwa mit maßgeschneiderten Materialien für weniger Feinstaub. Diese lassen sich an PETRA IV analysieren und entwickeln. Bild: DESY, Lucid Berlin

Bildgebende Verfahren an PETRA IV erlauben es, die Funktionsweise von Batterien während des Lade- und Entladevorgangs zu untersuchen – von der Millimeter- bis hin zur Nanoebene.

Die geplanten, hochstandardisierten Hochdurchsatz-Beamlines liefern effiziente Beiträge, damit neue, nachhaltige Batterietypen entwickelt und auf den Markt gebracht werden können. Viele verschiedene Varianten von Batterien können gleichzeitig untersucht werden.

Ultrastarkes Röntgenlicht bei hohen Energien

Das Röntgenlicht dringt tief in die Materialien ein und erfasst sie in 3D. Im Zeitverlauf sind Nanostrukturen sichtbar – bei gleichzeitig sehr hoher räumlicher Auflösung.
Der ultrastarke Lichtstrahl erlaubt die Kombination verschiedener Messtechniken, um Zusammenhänge zwischen der Struktur und den elektronischen Eigenschaften eines Materials zu entschlüsseln.
Erst PETRA IV wird die notwendige hohe Intensität bei hohen Röntgenenergien bereitstellen. So lässt sich etwa der Zustand von leichten Elementen, wie Lithium im Inneren von Batterien, vermessen.

Nachhaltiges Material als Alternative im Fahrzeugbau

In Zukunft wird PETRA IV die Herstellung neuer Werkstoffe entscheidend voranbringen. Insbesondere für die Serienproduktion 3D-gefertigter Bauteile erwarten Expertinnen und Experten große Fortschritte. Diese additiven Produktionsverfahren werden immer wichtiger für den Flugzeug- und Automobilbau, da sie besonders leichte Materialien mit komplexen Strukturen ermöglichen. Durch den meist geringen Materialeinsatz sind sie besonders effizient und in der Herstellung energiesparend.

Papierschichten als Solarzelle

Nicht nur im Fahrzeugbau – solche maßgeschneiderten Materialien können auch wichtige Bausteine der Energiewende oder im Umweltschutz sein. Erkenntnisse aus der Forschung mit Röntgenlicht helfen, biologisch abbaubare Ersatzstoffe zu entwickeln – zum Beispiel künstliche, hochfeste Zellulosefasern.