Forschung zum Thema Nachhaltigkeit

Seit 2011 gibt es in der Fakultät für Physik den Studiengang Energy-Science. Den entscheidenden Anstoß für das Konzept gab die Beobachtung, dass die Erkenntnisse von vielen Professor*innen zur nachhaltigen Energieversorgung beitragen können. Besonders offensichtlich ist das bei Prof. Martina Schmid. Sie hat den Wirkungsgrad von Solarzellen optimiert. Prof. Michael Schreckenberg – bekannt als Stauforscher – trägt durch seine Forschung dazu bei, dass weniger Fahrzeuge sinnlos auf den Straßen stehen und Schadstoffe ausstoßen. Prof. Rossitza Pentcheva und Prof. Björn Sothmann beschäftigen sich mit der Umwandlung von Wärme in elektrischen Strom. Mit der Entwicklung von energieoptimierten Permanentmagneten für Elektromotoren und effizienteren magnetokalorische Materialien für innovative Kühltechnologien tragen Prof. Michael Farle und Prof. Heiko Wende dazu bei, weniger Energie zu verbrauchen. Prof. Axel Lorke forscht an Trägermaterialien für elektrochemische Anwendungen, z.B. Katalysatoren und Mikrobrennstoffzellen. Energieeffiziente IT-Systeme sind das Ziel von Prof. Claus Schneider.

Dünnschichtsolarzellen

Forschungsschwerpunkt der Arbeitsgruppe Schmid sind Dünnschichtsolarzellen auf Basis von Chalkopyriten. Ziel ist eine möglichst ressourceneffiziente Sonnenumwandlung des Sonnenspektrums. In diesem Hinblick werden einerseits ultradünne Solarzellen mit integrierten Nanostrukturen untersucht. Andererseits werden mikrometergroße Solarzellen für Lichtkonzentration entwickelt. Für die Herstellung dieser Solarzellen wurde im Berichtszeitraum eine Baseline aufgebaut. Zudem stehen Messaufbauten zur optoelektronischen Charakterisierung bereit. Eine Erweiterung der Infrastruktur in Richtung Weiterentwicklung der Themen ist in Planung.

Physik von Transport und Verkehr

Die Arbeitsgruppe Schreckenberg „Physik von Transport und Verkehr“ beschäftigt sich mit vielfältigen Themen rund um das Forschungsfeld Mobilität.

Im Rahmen des SFB 876 wird in Kooperation mit Elektroingenieuren der Innenstadtverkehr am Beispiel der Stadt Düsseldorf analysiert. Das Ziel ist hierbei, Staus zu reduzieren und die Fahrzeiten zu verkürzen, ohne die Kapazität der Straßen zu erweitern. Geplant ist, Simulationsmodelle um das Verhalten automatisierter Fahrzeuge zu erweitern, um Hybridverkehr simulieren, analysieren, und optimieren zu können.

Das vom BMWi geförderte Projekt MEC-View erschließt das hochautomatisierte Fahren in komplexen urbanen Verkehrsszenarien, wie z.B. dem automatisierten Auffahren auf eine vorfahrtberechtigte Straße. Ziele sind eine höhere Sicherheit und Effizienz des Verkehrs im urbanen Raum. In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern entwickelt die Arbeitsgruppe hierzu theoretische Verkehrsmodelle auf Basis von realen Verkehrsdaten.

Thermoelektrisches Energy Harvesting auf der Nanoskala

Die gegenwärtige Energiekrise erfordert die Erschließung neuer Energiequellen. Eine mögliche solche Quelle stellt Energy Harvesting mittels Thermoelektrik dar, bei der Wärmeenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Thermoelektrische Effekte sind besonders stark in nanoskaligen Systemen ausgeprägt, in denen quantenmechanische Effekte eine wichtige Rolle spielen. In Zusammenarbeit mit Peter Samuelsson von der Universität Lund haben Mitglieder der Forschungsgruppe Sothmann allgemeine Schranken für die Leistung und Effizienz von Wärmekraftmaschinen, deren Funktionieren auf quantenmechanischer Phasenkohärenz beruht, hergeleitet. Thermoelektrische Effekte sind aber nicht nur wegen potentieller Anwendungen interessant, sie können auch dazu dienen exotische Quantenzustände zu charakterisieren. So konnte in Zusammenarbeit mit Pablo Burset von der Aalto-Universität in Helsinki gezeigt werden, dass ein endlicher Seebeckeffekt ein untrügliches Zeichen für supraleitende Korrelationen ist, die nichtlokal in der Zeit sind.

Nanoskalige Oxide für die Energiekonversion

Mit ihren vielfältigen physikalischen Eigenschaften eignen sich die Übergangsmetalloxide für zahlreiche Anwendungen in Elektronik, Spintronik und Energiekonversion. Dabei ist von großem praktischen Interesse, dass sie umweltfreundlich, stabil und kostengünstig ist. Seit zehn Jahren stehen insbesondere die Grenzflächen von Übergangsmetalloxiden im wissenschaftlichen Fokus, da an ihnen neuartige Phänomene auftreten, die nicht im Volumen vorhanden sind und damit Möglichkeiten zur gezielten Optimierung der Funktionalität eröffnen. Die Arbeitsgruppe Pentcheva befasst sich mit dem Verständnis und der Vorhersage des komplexen Verhaltens solcher Systeme mittels großskaliger quantenmechanischer Computersimulationen, die auf der Dichtefunktionaltheorie basieren.

Nanoskalige magnetische Systeme

Die Arbeitsgruppe von Prof. Farle beschäftigt sich mit den statischen und dynamischen Eigenschaften nanoskaliger magnetischer Systeme. Die Synthese und Charakterisierung neuer Materialien eröffnet dabei eine Vielzahl von Anwendungen wie energieoptimierte Permanentmagnete für Elektromotoren und magnetokalorische Materialien für innovative Kühltechnologien.

Ein weiterer Schwerpunkt der AG Farle liegt auf der Entwicklung von maßgeschneiderten Hybrid-Nanopartikeln für die medizinische Theranostik. Diese Kombination aus Therapie und Diagnostik eröffnet neue Therapieformen, zum Beispiel gegen Krebs. Die biokompatiblen Magnetit-Gold Nanopartikel erhöhen den Kontrast in der Magnetresonanztomographie dreifach im Vergleich zu kommerziellen Kontrastmitteln und eignen sich zum Transport von Arzneimitteln zum Krankheitsherd bei gleichzeitiger Visualisierung. Zusätzlich können Tumorzellen durch eine Wärmebehandlung, erzeugt durch magnetische Wechselfelder im 300-kHz Bereich, angegriffen werden.

Festkörperphysik in verschiedenen Dimensionen

Die Arbeitsgruppe Lorke beschäftigt sich mit Strukturen, die in einer oder mehreren Raumdimensionen eingeschränkt sind. Graphen ist ein Beispiel für ein solches System. Es besteht aus nur einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen, so dass sich die Elektronen darin nur in zwei Dimensionen bewegen können – in der dritten Dimension sind sie im quantenmechanischen Grundzustand „eingefroren“. Daraus ergeben sich viele ungewöhnliche Eigenschaften, die für die Grundlagenforschung ebenso interessant sind wie für die Anwendung. Senkrecht stehende Vielfach-Lagen aus Graphen – sogenannte „Kohlenstoff-Nanowände“– sind beispielsweise aufgrund ihrer hohen Oberfläche erfolgversprechende Trägermaterialien für elektrochemische Anwendungen, z.B. Katalysatoren und Mikro­brennstoffzellen. Dies wird im Rahmen eines dreijährigen Projekts, MoreInnomat, gefördert durch die Europäische Union, gemeinsam mit Wissenschaftler*innen aus der Chemie, dem Zentrum für Brennstoffzellen und industriellen Partnern untersucht.

Unterdrückung des Verwey-Übergangs in Magnetit-Nanopartikeln

Aktuell werden Nanopartikel aus Magnetit (einem bestimmten Eisenoxid) aufgrund ihrer spannenden Eigenschaften sowohl in der Grundlagenforschung aber auch im Hinblick auf neue technische Anwendungen sehr intensiv untersucht. Magnetit zeichnet sich durch einen Phasenübergang bei 123 K (-150°C) – den sogenannten Verwey-Übergang – aus, an dem sich physikalische Eigenschaften wie z.B. die elektrische Leitfähigkeit sprunghaft ändern.

Es ist schwierig, diesen Phasenübergang in einem Ensemble aus Nanopartikeln mittels Beugungsmethoden zu charakterisieren. In einer Zusammenarbeit von Dr. Carolin Schmitz-Antoniak (FZ Jülich) und Wissenschaftler*innen der theoretischen Physik an der Uppsala University (Schweden) gelang es nun Mitarbeiter*innen der Arbeitsgruppe von Prof. Wende, den Verwey-Übergang in Nanopartikeln mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY-II in Berlin detailliert zu analysieren.

Neuer Einblick in die Redox-Prozesse an Grenzflächen

Die Arbeitsgruppe von Prof. Schneider erforscht die Eigenschaften neuer Materialien für die Informations- und Energietechnologien. Ein methodischer Fokus liegt dabei auf der Spektroskopie und Spektromikroskopie mit Synchrotronstrahlung an den Quellen BESSY (Berlin), PETRA (Hamburg) und Elettra (Triest). Ein Forschungsschwerpunkt beschäftigt sich mit der Spinelektronik, d.h. spin-basierten Phänomenen. Hier spielen verdünnte magnetische Halbleiter eine zentrale Rolle, da sie die Eigenschaften von Halbleitern und Magneten in einem Material kombinieren. Mit Hilfe der Hartröntgen-Photoelektronenspektroskopie haben Mitglieder der Forschungsgruppe die volumenelektronische Struktur von GaMnAs und GaMnP im Detail untersucht, und erstmals die Beiträge der einzelnen chemischen Komponenten getrennt. Dies ist eine Grundlage, um die Ursache des Ferromagnetismus in diesen Materialien, die immer noch kontrovers diskutiert wird, zu bestimmen.