Ein Schwamm für Wasserstoff

Wenn die Autoindustrie Kritikern die umweltfreundliche Zukunft der von ihr produzierten Blechlawine ausmalt, dann taucht unvermeidlich auch das Stichwort Wasserstoff auf. Da fahren künftige Autos eben entweder mit Brennstoffzellen, die Strom für leise Elektromotoren erzeugen, oder die Autos fahren nicht ganz so leise mit einem modifizierten Otto-Motor, indem fast genauso sauber Wasserstoff und Luft-Sauerstoff zu reinstem Wasser verbrannt wird. Idealerweise würde der Wasserstoff ressourcenschonend und klimaneutral mit Hilfe von Sonnenenergie produziert. Bislang ist allerdings nicht nur offen, wie derartige Wasserstoffmengen mit regenerativen Energiequellen erzeugt werden sollen, ungelöst ist auch die preiswerte Speicherung und der Transport zum Kunden. Immerhin benötigt Wasserstoff als leichtestes Gas den 300fachen Atmosphärendruck und entsprechend tiefe Temperaturen - minus 253°C -, um sich als Flüssigkeit Platz sparend in einen Behälter zu fügen. Diese Druckbehälter wiegen derzeit 7- bis 20-mal mehr als der gespeicherte Wasserstoff. Zumindest für die Speicherung gibt es seit längerem allerdings eine recht elegante Idee, ohne teure und schwere Druckbehälter auszukommen: so genannte Metallhydride. Diese Materialien nehmen den Wasserstoff auf, halten ihn innerhalb ihrer atomaren Struktur fest und geben ihn bei Temperaturerhöhung wieder ab. Der Haken dabei: Das Betanken eines Autos dauert länger als eine Stunde, und das Gas wird auch viel zu langsam wieder freigesetzt. Nun ist Wissenschaftlern des Forschungszentrums Karlsruhe ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu besseren Wasserstoffspeichern gelungen: Mit maßgeschneiderten Nanopartikeln konnten sie die Ladezeit auf wenige Minuten verringern. Mit maßgeschneiderten Katalysatoren aus so genannten Titan-Nano-Clustern gelang es Forschern am Institut für Nanotechnologie, die Be- und Entladezeiten des derzeit leistungsfähigsten Wasserstoffspeicher-Materials deutlich zu verkürzen. Während man bisher mit über einer Stunde rechnen musste, bis das Speichermaterial Natriumalanat (ein Metallhydrid des Aluminiums mit der chemischen Formel NaAlH) zu 80 Prozent wieder aufgeladen war, ist es mit einem speziellen Typ von Titan-Nanopartikeln möglich, das Gleiche in der Rekordzeit von 7 bis 8 Minuten zu schaffen. »Damit kommen Betankungszeiten in Reichweite, wie sie der zukünftige Nutzer eines Wasserstoffautos vom Betanken seines bisherigen Fahrzeugs gewohnt ist«, erklärt Projektleiter Dr. Maximilian Fichtner. Profitieren könnten auch Nutzer stromhungriger Mobilgeräte, die derzeit noch mit teuren Akkus hantieren, etwa bei Camcordern oder Notebook-Computern. Für die gibt es inzwischen zwar bereits erste Brennstoffzellen, doch auch hier ist der Wasserstoffspeicher das Problem. Bei den Titan-Nano-Clustern handelt es sich um winzige Nanopartikel, die bereits in Gramm-Mengen im Labor hergestellt werden können. Der Metallkern der Partikel besteht aus nur 13 Atomen - einem Zentralatom und einer Schale aus weiteren 12 Atomen. Stabilisiert werden die Partikel durch eine Hülle aus Lösungsmittelmolekülen, die den Metallkern umschließt. Damit die Cluster den gewünschten Effekt im Wasserstoffspeicher erzielen, wird eine geringe Menge davon mit dem Speichermaterial Natriumalanat vermischt und das Gemenge unter Luftausschluss sehr fein gemahlen. Dadurch entsteht eine innige Mischung der beiden Komponenten, ein so genanntes Nanokomposit. Dieses ist das eigentliche Speichermaterial. Die Ergebnisse der Karlsruher Forscher werden in der Juni-Ausgabe der Zeitschrift »Nanotech...