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Quantencomputer für Brennstoffzellen

Mehr Leistung

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) forscht an neuen Materialien für leistungsfähigere Batterien und Brennstoffzellen. Dafür nutzen die DLR-Wissenschaftler*innen nun einen Quantencomputer. Mit diesem simulieren sie elektrochemische Vorgänge im Innern der Energiespeicher. Damit lassen sich die eingesetzten Materialien so gestalten, dass Leistung und Energiedichte von Batterien und Brennstoffzellen deutlich steigen.

Das Besondere am Projekt QuESt (Quantencomputer Materialdesign für elektrochemische Energiespeicher und -wandler mit innovativen Simulationstechniken) ist der Einsatz eines Quantencomputers für eine sehr anwendungsnahe Aufgabe in der Materialforschung. QuESt kombiniert damit Grundlagenforschung mit angewandter Forschung auf dem Gebiet der Energiespeicher.

Elektromobilität benötigt vor allem kleine und leichte Energiespeicher mit hoher Kapazität und Leistung. Material und Struktur der Elektroden sind dabei ausschlaggebende Faktoren. Sie beeinflussen die Energiedichte und die elektrische Spannung. Mit optimierten Materialien lässt sich zudem Zersetzungsprozessen vorbeugen und so die Lebensdauer von Akkus und Brennstoffzellen erhöhen.

Fließt Strom durch eine Batterie oder Brennstoffzelle, wandern Ionen im Inneren von einer Elektrode zur anderen. An den Elektrodenoberflächen geben die Ionen ein Elektron an oder nehmen eines auf. “Diese Vorgänge lassen sich mit Hilfe der Quantenphysik exakt beschreiben. Die Elektronen ändern dabei ihren quantenmechanischen Zustand. Diese Energiezustände simulieren wir mit einem Quantencomputer. So können wir berechnen, wie viel Energie in den elektrochemischen Reaktionen steckt oder wie schnell diese ablaufen”, erläutert Dr. Birger Horstmann, Leiter der Gruppe Theorie elektrochemischer Systeme am DLR-Institut für Technische Thermodynamik.

In den Simulationen vergleichen die DLR-Wissenschaftler*innen das quantenchemische Zusammenspiel für verschiedene neuartige Materialien und Elektrodenstrukturen. Ihr Ziel ist, in Batterien möglichst hohe chemische Bindungsenergien der Elektronen zu erreichen. In Brennstoffzellen sollen Wasserstoff und Sauerstoff möglichst effizient miteinander reagieren. […]

“Mit einem Quantencomputer können wir die quantenchemischen Vorgänge an den Elektroden von Batterien und Brennstoffzellen ideal abbilden. Wir forschen daran, wie sich unser Quantencomputer hierfür am besten programmieren lässt”, erklärt Dr. Sabine Wölk vom DLR-Institut für Quantentechnologien.

Vollständige Quelle: DLR