BZ- & Akku-Materialforschung mittels Quantencomputer

In einem auf zwei Jahre angelegten Projekt namens QuESt nutzen das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik einen Quantencomputer, um an neuen Materialien für leistungsfähigere Batterien und Brennstoffzellen zu forschen.

Der Projektname QuESt steht für Quantencomputer Materialdesign für elektrochemische Energiespeicher und -wandler mit innovativen Simulationstechniken. Konkret soll der Quantencomputer dazu eingesetzt werden, elektrochemische Vorgänge im Innern der Energiespeicher zu simulieren. In den Simulationen vergleichen die Wissenschaftler das quantenchemische Zusammenspiel verschiedener neuartige Materialien und Elektrodenstrukturen. Ihr Ziel ist es, in Batterien möglichst hohe chemische Bindungsenergien der Elektronen zu erreichen. In Brennstoffzellen sollen Wasserstoff und Sauerstoff möglichst effizient miteinander reagieren.

Zum Hintergrund ein kleiner Chemie-Exkurs: 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. Durch das gezielte Design der Elektrodenmaterialien und -strukturen versprechen sich die Beteiligten, höhere Leistungen und Energiedichten zu erzielen.

Das baden-württembergische Wirtschaftsministerium fördert das im Januar 2021 gestartete Projekt über zwei Jahre mit 1,5 Millionen Euro. An QuESt sind neben dem DLR und dem Fraunhofer IWM auch die Bosch GmbH und Mercedes-Benz Research & Development North America als assoziierte Partner beteiligt. Zum Einsatz kommt bei dem Projekt der vom Land Baden-Württemberg finanzierte IBM-Quantencomputer der Fraunhofer-Gesellschaft. Das Besondere an QuESt sei der Einsatz eines Quantencomputers für eine sehr anwendungsnahe Aufgabe in der Materialforschung, äußert das DLR. Das Projekt kombiniere Grundlagenforschung mit angewandter Forschung auf dem Gebiet der Energiespeicher.
dlr.de