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Lichtchemie Niemand holt mehr Strom aus der Sonne

Der Ulmer Physiker Matthias May erforscht fotoelektrische Verfahren für die Energiewende. Mit der Kraft der Sonne gewinnt er Wasserstoff und hält bereits mehrere Weltrekorde. In Zukunft will er damit Autos antreiben.
aus manager magazin 12/2021
Foto: Daniel Waschnig Photography / imago images/Westend61

Das Institut, an dem Matthias May (37) experimentiert, ragt auf einem Bergrücken als Quader aus Glas und Beton in den Himmel über Ulm. Durch die bodentiefen Fenster schweift der Blick über ein schwäbisches Waldidyll. Hier, sagt der Physiker, der in diesem Jahr mit dem Curious-Mind-Award in der Kategorie "Mobilität und Energie" ausgezeichnet wurde, biete die Natur alles, was er als Inspiration für seine Forschung brauche.

Da ist zunächst mal jede Menge Luft, Atmosphäre, die May vor schädlichen Klimagasen schützen will. Da ist Wasserstoff, ein flüchtiges Gas, das aus Wasser gewonnen werden kann, um Maschinen und Autos anzutreiben. Und da ist die Sonne, deren Kraft May viel effizienter nutzen will als bislang möglich.

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May und sein Team entwickeln neue Techniken der Energieumwandlung, etwa für Elektroantriebe. In der Autoindustrie setzen die meisten Konzerne aktuell auf Batterien für ihre E-Modelle. Die Brennstoffzellen – lange als Alternative gepriesen – gelten als zu ineffizient. Der Wasserstoff, den sie benötigen, wird bisher aus Methan und ähnlichen Kohlenwasserstoffverbindungen gewonnen. Das verbraucht mehr Strom, als die Zelle später erzeugen kann – und setzt CO₂ frei. May ist jedoch überzeugt: "Wasserstoff ist der ideale Energiespeicher, der zeitgemäße Ersatz für alle fossilen Energieträger wie Erdöl, Benzin, Diesel oder Kerosin."

Für eine effizientere Gewinnung nutzt May eine raffinierte Technologie, die Wassermoleküle mithilfe von Sonnenlicht aufspaltet. Die Oberflächen der speziellen Solarzell-Elektroden, die für diesen "fotoelektrischen Effekt" nötig sind, werden von seinem Team mit hochauflösenden Elektronenmikroskopen immer genauer untersucht. So erhöhen sie Stromausbeute und Haltbarkeit der eingesetzten Materialien. Das Bundesforschungsministerium fördert dieses Projekt, die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) zahlt Mays Stelle als Nachwuchsgruppenleiter im Rahmen ihres Emmy-Noether-Programms.

"Die Strukturen, die wir hier optimieren, sind kleiner als ein Nanometer", erläutert May, also winziger als ein Traubenzuckermolekül. Ohne eine solche Feinarbeit würden die Elektroden sofort korrodieren; bei ersten Versuchen waren sie nach zwei Sekunden durchgeschmort.

Die Jury

In der Kategorie "Mobilität und Energie" wählen vier "Generalisten" und drei Spezialisten

Belén Garijo
Vorsitzende der Geschäftsleitung und CEO der Merck KGaA

Rafael Laguna de la Vera
Direktor der Bundesagentur für Sprunginnovationen (Sprind)

Martin Noé
Chefredakteur manager magazin

Otmar Wiestler
Präsident der Helmholtz-Gemeinschaft

Albert Biermann
Präsident und Leiter F+E, Hyundai Motor

Anke Kaysser-Pyzalla
Vorstandsvorsitzende des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Michael Steiner
Vorstand für F+E bei der Porsche AG

Inzwischen hat May zwei Effizienzweltrekorde aufgestellt. Zuletzt gewann ein Prototyp Wasserstoff mit dem Energiegehalt von 19 Prozent des einfallenden Sonnenlichts, eine Steigerung gegenüber seinem vorherigen Rekord um mehr als ein Drittel. "Die fotoelektrische Gewinnung ist der beste Weg zur Gewinnung von Wasserstoff", sagt May. Gleichwohl ist das Verfahren noch im Versuchsstadium, die Apparatur nur so groß wie eine Zigarettenschachtel. Ein Einsatz als massentaugliche Technik dürfte noch etliche Jahre dauern.

Der Physiker, der in Stuttgart und Grenoble studiert, in Berlin promoviert, in Ilmenau und am California Institute of Technology geforscht hat, will den Klimawandel noch über einen anderen Weg bekämpfen: Inspiriert von den Wäldern rings um sein Labor, wo die Bäume mittels Fotosynthese Kohlendioxid aus der Luft filtern, will er mit neuen fotochemischen Verfahren Ähnliches erreichen. So könnte sich der Klimawandel irgendwann sogar zurückdrehen lassen.

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