Online-Jahresbericht 2012

Wissenschaftliche Höhepunkte

• Batteriespeicher für die Energiewende

• Neuer Ansatz für Dekontaminationsmittel

• Perfusionsmessung für optimierte Strahlentherapie

• Elektronen in Quantenpunkten

---

Batteriespeicher für die Energiewende

Die Bundesregierung hat das Ziel, die Stromversorgung in Deutschland im Jahr 2050 zu 80 Prozent aus erneuerbaren Energien abzudecken. Spätestens dann sind neue und preiswerte Lösungen gefragt, um große Mengen an Energie zu speichern – für Zeiten, wenn keine Sonne scheint und der Wind nicht weht. Im Januar dieses Jahres gab es viele trübe und windstille Tage; um die dadurch fehlende Leistung der derzeit vorhandenen Solaranlagen und Windräder in dieser Zeit auszugleichen, wäre die 142-fache Speicherkapazität der Talsperre Goldisthal in Thüringen, dem größten deutschen Wasserkraftwerk, nötig gewesen, so Dr. Tom Weier vom Institut für Fluiddynamik. Der Speicherbedarf wird in Zukunft noch weiter wachsen, soll der Anteil regenerativer Energiequellen zunehmen. Tom Weier und seine Kollegen arbeiten an einer Batterie, die Strom mithilfe flüssiger Metalle speichert. Das Prinzip ist schon lange bekannt; Prof. Donald Sadoway vom Massachusetts Institute of Technology entwickelte es für große stationäre Speicher weiter. Doch es gibt ein Problem: Der starke Strom, der beim Laden und Entladen entsteht, kann eine große, praxistaugliche Batterie zerstören. Weier und sein Team haben eine patentierte Lösung gefunden, um das zu verhindern.

Der Aufbau einer Flüssigmetall-Batterie ist einfach: Die bei mehreren hundert Grad Celsius geschmolzenen Metalle ordnen sich aufgrund ihrer unterschiedlichen Dichten selbstständig in Schichten zu einem funktionsfähigen Speicher an. Als Elektroden eignen sich ein leichtes und ein schweres Metall, wie Natrium und Wismut, getrennt durch eine als Elektrolyt dienende Salzschmelze, z.B. Natriumchlorid. Durch den Stromfluss beim Laden und Entladen entstehen aber magnetische Kräfte – in der Fachsprache zum Beispiel als Tayler-Instabilität bekannt –, die die Flüssigkeiten in Bewegung setzen; berühren sich dann die Elektroden, kommt es zu einem Kurzschluss und zum Versagen der Batterie. Durch eine einfache Konstruktion bekommen die Forscher die Magnetkräfte in den Griff: Sie führen den Strom durch einen zusätzlichen Leiter durch die Mitte der Batterie hindurch; mögliche Strömungen werden dadurch vermieden. Außerdem wiesen die Forscher in einer Kooperation mit dem Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam im vergangenen Jahr die Tayler-Instabilität erstmals im Labor nach.

Momentan bauen die Wissenschaftler einen kleinen Prototyp. In der Praxis sollen die Flüssigmetall-Batterien ein Volumen von mehreren Kubikmetern haben, bei preiswerten Ausgangsstoffen und leichter Herstellung. Sie könnten z.B. 200 Haushalte pro Tag mit Strom versorgen und einen Beitrag leisten, um Angebot und Nachfrage bei der Energieversorgung der Zukunft auszugleichen.  

• Publikationen:
  • Martin Seilmayer, Frank Stefani u.a.: “Evidence for transient Tayler instability in a liquid metal experiment”, Physical Review Letters 108 (2012), S. 244501 (DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.244501)
  • Frank Stefani u.a.: “How to circumvent the size limitation of liquid metal batteries due to the Tayler instability”, Energy Conversion and Management 52 (2011), 2982-2986 (DOI: 10.1016/j.enconman.2011.03.003)
• Kontakt: Dr. Tom Weier / Institut für Fluiddynamik

---

Neuer Ansatz für Dekontaminationsmittel

Citronensäure ist nicht nur in der Pflanzenwelt weit verbreitet, sondern kommt auch in allen Organismen vor. Denn das Citrat-Molekül ist ein zentrales Zwischenprodukt im Stoffwechsel („Citronensäurezyklus“). Untersuchungen in der Abteilung Biogeochemie am HZDR konnten zeigen, dass Citrat auch bei der Bindung von radioaktiven Metallen eine wichtige Rolle spielt. In menschlichem Urin bilden Metalle wie Curium bei einem schwach sauren pH-Wert stabile Komplexe mit Citrat. Diese Beobachtung bietet einen ersten Ansatz, um zukünftig neue, selektive und verträgliche Dekontaminationsmittel zu entwickeln.

Im Fall eines nuklearen Unfalls oder eines Störfall-Szenarios in einem Endlager treten radioaktive Stoffe in die Umgebung aus. Um bei einer solchen Havarie angemessen zu reagieren, ist es wichtig zu wissen, wie sich die radioaktiven Elemente in der Umwelt und - wenn sie über die Nahrungskette aufgenommen werden - im Körper verhalten. Welche Verbindungen gehen sie ein? Wie breiten sie sich aus? Was passiert im Stoffwechsel? HZDR-Forscherin Anne Heller und ihre Kollegen haben unter diesem Aspekt das radioaktive Schwermetall Curium unter die Lupe genommen sowie das chemisch verwandte, aber nicht radioaktive Metall Europium. Wie die Wissenschaftler herausfanden, werden in menschlichem Urin bei saurem pH-Wert beide Elemente als dreiwertige Ionen durch Citrat gebunden. In umfangreichen Versuchsreihen wurden Konzentrationen und pH-Werte variiert und die Eigenschaften sowie Strukturen der entstandenen Citrat-Komplexe bestimmt. Quantenchemische Berechnungen stützen die experimentellen Befunde, nach denen verschiedene stabile Komplexe mit unterschiedlicher Struktur gebildet werden. Das macht Citrat möglicherweise zu einem guten Ausgangspunkt für die Entwicklung eines zukünftigen Entgiftungsmittels, das dreiwertige radioaktive Metalle im Körper unschädlich machen könnte. Derzeit gebräuchliche Mittel haben mehrere Nachteile: Sie basieren auf körperfremden Substanzen, müssen zeitnah und über lange Zeiträume wiederholt angewendet werden und binden auch andere, essentielle Metallionen im Körper. Um diesen Ansatz weiter zu verfolgen, untersuchen die HZDR-Wissenschaftler nun, wie sich die dreiwertigen Metalle Curium und Europium in Blut und anderen Körperflüssigkeiten verhalten.

• Publikationen:
  • Anne Heller u.a., „Curium(III) citrate speciation in biological systems: a europium(III) assisted spectroscopic and quantum chemical study”, Dalton Trans. 41, S. 13969-13983 (2012; DOI: 10.1039/C2DT31480K)
  • Anne Heller u.a., „Chemical speciation of trivalent actinides and lanthanides in biological fluids: The dominant in vitro binding form of curium(III) and europium(III) in human urine”, Chem. Res. Toxicol. 24, S. 193-203 (2011; DOI: 10.1021/tx100273g)
• Kontakt: Dr. Anne Heller / Institut für Ressourcenökologie

---

Perfusionsmessung für optimierte Strahlentherapie

An einer verbesserten Charakterisierung von Tumoren arbeiten Forscher des PET-Zentrums, das gemeinsam vom HZDR und der TU Dresden betrieben wird. Die Wissenschaftler um Jörg van den Hoff wollen nicht nur Tumorgewebe im Körper aufspüren und exakt lokalisieren, sondern auch dessen Durchblutung, die sogenannte Perfusion, erfassen. Eine neue Messtechnik soll mehr Informationen über den möglichen Erfolg einer Krebsbehandlung liefern und so die individuelle Therapieplanung unterstützen.

Das am HZDR installierte PET-MRT-Gerät erlaubt schon heute sehr detaillierte Einblicke ins Körperinnere. Die Anlage kombiniert zwei Diagnosemethoden: Während das PET-System Tumorgewebe anhand seines erhöhten Stoffwechsels entlarvt, liefert das MRT-System Aufnahmen vom Hirn oder den inneren Organen mit großer räumlicher Auflösung und hohem Kontrast. Bereits die simultane Untersuchung bringt Bilder hervor, aus denen die Ärzte Position und Funktion von Tumorgewebe gut erkennen können. Die HZDR-Forscher wollen mit dem Gerät künftig auch messen, wie das Tumorgewebe mit Blut versorgt wird, um so einen weiteren wichtigen Parameter der medizinischen Diagnostik zu gewinnen.

Dabei machen sie sich zunutze, dass man mit dem MRT-System fließendes Blut magnetisieren und damit gleichsam markieren kann. Das Blut strömt über die Arterien in das Gewebe, wobei die Magnetisierung abklingt. Diese Abschwächung lässt sich zeitlich und räumlich aufgelöst darstellen. Aus solchen Messungen können die Forscher beispielsweise ermitteln, welche Bereiche eines Tumors schlecht durchblutet werden. Die gleichzeitige Erfassung von lokaler Durchblutung und Stoffwechsel mit dem PET-MRT-Gerät verspricht eine neue Qualität in der bildgebenden Diagnostik und damit bessere Möglichkeiten, eine Therapie zielgerichteter zu planen und anzupassen.

• Publikation: J. Petr u.a., „Partial volume correction in arterial spin labeling using a Look-Locker sequence“, Magnetic Resonance in Medicine (2012; DOI: 10.1002/mrm.24601)
• Kontakt: Prof. Jörg van den Hoff / Institut für Radiopharmazeutische Krebsforschung

---

Elektronen in Quantenpunkten

Neue oder veränderte Materialien sind heute in vielen gesellschaftlichen Bereichen wichtig. Sie ermöglichen beispielsweise, Informationen schneller zu speichern und zu übertragen. Die Eigenschaften der Materialien, auf denen die Effekte beruhen, liegen aber häufig noch im Dunkeln. Quantenpunkte sind ein Beispiel dafür. Es handelt sich um Nanostrukturen aus halbleitenden Materialien; sie bilden eine Voraussetzung für neue Bauelemente in der Elektronik, Optoelektronik oder Quanteninformationsverarbeitung. Wie genau sich Elektronen, die für Materialeigenschaften verantwortlich sind, in diesen Strukturen verhalten, müssen Wissenschaftler erst noch herausfinden. Dr. Stephan Winnerl vom Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung gelang mit Dresdner Kollegen im vergangenen Jahr ein wichtiger Schritt auf diesem Weg.

Quantenpunkte sehen aus wie winzige Pyramiden. In einer einzelnen Nano-Pyramide befinden sich immer nur ein oder zwei Elektronen, die quasi die engen Wände um sich herum spüren und deshalb in ihrer Beweglichkeit stark eingeschränkt sind. Anders als in „normalen“ Festkörpern nehmen die Elektronen in einer Nano-Pyramide nur ganz bestimmte Energieniveaus ein. Ihre Lage hängt von der chemischen Zusammensetzung des Halbleiter-Materials, aber auch von der Größe der Nano-Pyramiden ab. Das Forscherteam um Stefan Winnerl beobachtete erstmals Übergänge im mittleren Infrarotbereich zwischen den Energieniveaus in einzelnen Quantenpunkten.

Die Wissenschaftler nutzten einen der Freie-Elektronen-Laser am HZDR und bestrahlten die Nanostrukturen mit Infrarotlicht. Die Elektronen nehmen dabei Energie auf und werden auf ein höheres Energieniveau gehoben; zurückgestreutes Licht macht den Energieübertrag messbar. „Die scharf begrenzten Energieniveaus in Quantenpunkten werden beispielsweise in sehr energieeffizienten Lasern genutzt“, sagt Stefan Winnerl. „Das Licht wird dadurch erzeugt, dass ein Elektron von einem energetisch höheren Niveau auf ein tieferes zurückfällt. Der Energieunterschied zwischen den beiden Niveaus bestimmt die Farbe des Lichts.“ Als nächstes wollen die Forscher das Verhalten von Elektronen in Quantenpunkten im mittleren Infrarotbereich bei tieferen Temperaturen durchleuchten und so noch genauere Einblicke in das gefangene Leben der Elektronen erhalten.

• Publikation: R. Jacob, S. Winnerl u.a.: „Intersublevel spectroscopy on single InAs-quantum dots by terahertz near-field microscopy“, in Nano Letters, Band 12 (2012), S. 4336 (DOI: 10.1021/nl302078w)
• Kontakt: Dr. Stephan Winnerl / Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung