Forscher positioniert eine Probe am Messplatz.

Ein kombiniertes Tomografiesystem für die Materialforschung

Verbundforschung gefördert durch das BMBF
Neurotom – ein kombiniertes Röntgen- und Neutronentomografiesystem

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines kombinierten Tomografiesystems an der Radiografieanlage ANTARES am FRM II. Neutronen- und Röntgentomografie können hiermit gleichzeitig an einer Probe durchgeführt werden. Innerhalb dieses Projekts soll in einem ersten Schritt ein solches System an der Neutronenquelle FRM II aufgebaut werden. In einem zweiten Schritt wollen die Forscher die besonderen Eigenschaften dieses neuen Systems insbesondere für Batterien und Brennstoffzellen nutzen.

Wesentliches Ziel des Projekts ist auch die Entwicklung von neuartigen Auswertealgorithmen, mit denen sich die komplementären Informationen aus Röntgentomografie und Neutronentomografie vereinen lassen. Erst durch die Kombination von Messplatz und Rekonstruktionsalgorithmen entsteht das eigentliche NeuRoTom-Experiment.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert das Projekt seit 2013 im Rahmen seiner Verbundforschung. Im aktuellen Förderzeitraum 2013 bis 2016 beläuft sich die Fördersumme für die TU München und die Universität Freiburg auf rund 1,2 Millionen Euro.

Fördersumme: 1 212 780 €

Förderzeitraum: 1.07.2013 bis 30.06.2016

Förderkennzeichen: 05K13WO2, 05K13VF1

Beteiligte Institutionen: TU München, Universität Freiburg

Im Projekt NeuRoTom wollen Wissenschaftler der TU München sowie der Universität Freiburg zukünftig Bildgebungsverfahren der Neutronen- und Röntgentomografie kombinieren, um die Prozesse in Brennstoffzellen und Batterien zu untersuchen.

„Brennstoffzellen werden als eine der großen Hoffnungen gehandelt, in Zukunft effektiv chemische Energie in elektrische Energie umwandeln zu können“, sagt Franz Pfeiffer von der TU München. Außerdem sind Brennstoffzellen eine saubere Technologie: Indem sie Sauerstoff mit einem Brennstoff, meist Wasserstoff, kombinieren, wandeln sie chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Als Abfallprodukt wird dabei lediglich Wasser erzeugt. In der Raumfahrt werden Brennstoffzellen bereits seit Jahrzehnten verwendet. Aber auch die Automobilindustrie forscht aktiv daran, von Brennstoffzellen angetriebene Fahrzeuge zu entwickeln, deren Treibstoff nicht Benzin, sondern Wasserstoff ist. Einige Modelle sind bereits im Verkauf und auch Busse mit Wasserstoffantrieb werden erprobt.

In der Ansicht befindet sich das sogenannte Atom-Ei im Vordergrund, eine eiförmige Kuppel, in dem die inzwischen stillgelegte Forschungs-Neutronenquelle I betrieben wurde. Im Hintergrund befindet sich das Gebäude, das den Forschungsreaktor FRM II beherbergt, an dem mithilfe von Neutronen verschiedene Materialien wie etwa Brennstoffzellen untersucht werden können.
Forschungsreaktor FRM II in Garching bei München

Die gängigste Brennstoffzelle in diesem Anwendungsbereich ist die sogenannte Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle, die aus zwei durch eine Membran getrennten Elektroden besteht. Wasserstoffmoleküle werden an der Anode in ihre Bestandteile zerlegt, also in zwei Elektronen und zwei Protonen. Während die Elektronen über den Stromkreis zur Kathode gelangen und dabei elektrische Arbeit verrichten, passieren die Protonen die Polymermembran und gelangen so zur Kathode. Dort reagieren die Protonen und Elektronen mit dem zugeführten Sauerstoff, sodass Wasser entsteht.

Bisher wird die Effizienz von Brennstoffzellen durch mehrere Faktoren eingeschränkt. So beeinflusst das bei der chemischen Reaktion entstehende Wasser die Energieumwandlungsprozesse in der Brennstoffzelle genauso wie noch unzureichend verstandene Korrosionseffekte, die langfristig das Material schädigen und die Effizienz reduzieren. „Dafür braucht man Einblicke in die Brennstoffzelle während des Betriebs“, erklärt Pfeiffer. „Aber das ist nicht so einfach.“ Das Gleiche gilt für neuartige Batterien, die in Zukunft beispielsweise in Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen könnten. Denn in eigentlich vielversprechenden Kandidaten, wie Lithium-Luft- oder Lithium-Schwefel-Akkumulatoren, treten derzeit noch starke Korrosionseffekte auf. Auch hier sind Einblicke in das Innere nötig, um sie langlebiger und damit praktisch einsetzbar zu machen.

Im Rahmen des Projekts NeuRoTom wollen Franz Pfeiffer und Burkhard Schillinger von der TU München sowie Roland Zengerle und Simon Thiele von der Universität Freiburg daher ein Messsystem entwickeln, das während des Betriebs in Brennstoffzellen und Batterien blicken kann, ohne diese dabei zu stören oder gar zu zerstören. Dafür wollen die Forscher an einem einzigen Messplatz die Vorteile zweier Bildgebungsverfahren vereinen und einen kombinierten Röntgen- und Neutronentomografen aufbauen.

Die Aufnahme zeigt im Inneren die faserige Struktur des Membranstapels einer Brennstoffzelle. Die Oberfläche hingegen ist glatter. Diese Darstellung wurde mithilfe der Röntgenmikrotomographie erstellt, die im Gegensatz zur Neutronentomographie eine größere räumliche Auflösung ermöglicht.
Röntgenmikrotomografie einer Brennstoffzelle

Das Verfahren der Röntgenmikrotomografie wird heutzutage vor allem im medizinischen Bereich eingesetzt, findet aber auch Anwendung in der Materialforschung. Eine Probe wird dabei aus verschiedenen Winkeln mit Röntgenstrahlung durchleuchtet. Nachdem die Röntgenstrahlen das zu untersuchende Objekt durchdrungen haben, werden sie auf einen Detektor gelenkt und aus den aufgezeichneten Daten ein Abbild der Probe berechnet. „Je dichter das Material ist, desto mehr Kontrast gibt es, da die Röntgenstrahlung stärker abgeschwächt wird“, erklärt Pfeiffer. Mithilfe spezieller Algorithmen können die Forscher später aus den Einzelaufnahmen bei verschiedenen Winkeln die gesamte Probe rekonstruieren. Ein Vorteil der Röntgenmikrotomografie ist ihre hohe Auflösung. „Man bekommt relativ leicht eine Auflösung von einem Mikrometer, also einem millionstel Meter“, bestätigt Pfeiffer.

Der Nachteil dieser Methode: Je leichter ein chemisches Element ist, desto weniger schwächt es die Röntgenstrahlung ab. Und wollen Wissenschaftler etwa den Wassertransport innerhalb einer Brennstoffzelle beobachten, brauchen sie Informationen über genau diese leichten Elemente. Hier kommt die Neutronentomografie ins Spiel, die am Instrument ANTARES an der Neutronenquelle FRM II in Garching bei München durchgeführt werden kann. Freie Neutronen aus einem Forschungsreaktor treffen hierbei gebündelt auf die Proben, durchdringen diese und werden anschließend von einer speziellen Kamera aufgenommen.

Während die elektromagnetischen Wellen der Röntgenstrahlung vor allem mit den Elektronen in der Hülle von Atomen in Wechselwirkung treten, passieren die elektrisch neutralen Neutronen diese ungehindert. Stattdessen prallen sie an Wasserstoffkernen ab und werden dadurch gestreut. Neutronen eignen sich somit besonders für die Aufnahme von Materialien, die Wasserstoff enthalten. Wie stark Neutronen mit anderen chemischen Elementen wechselwirken, hängt stark vom Aufbau ihrer Atomkerne ab: Die meisten Metalle durchdringen sie ungehindert. Die Neutronentomografie ergänzt die gängigen Bildgebungsverfahren damit zwar sehr gut, doch ihre Auflösung ist mit vierzig bis fünfzig Mikrometern relativ grob – immerhin um eine Größenordnung schlechter als im Fall der Röntgenmikrotomografie.

In der Aufnahme ist der zeitliche Verlauf der Wasserverteilung innerhalb einer solchen Brennstoffzelle zu sehen, der mithilfe von Neutronen zerstörungsfrei sichtbar gemacht werden kann. Die Aufnahme ist zweigeteilt; in der oberen Aufnahme befindet sich das Wasser vornehmlich im unteren Teil der Brennstoffzelle, während in der unteren Aufnahme das Wasser gleichmäßiger verteilt ist.
Neutronenbild einer Brennstoffzelle

Die Wissenschaftler des NeuRoTom-Projekts wollen daher am Instrument ANTARES ein kombiniertes Tomografiesystem aufbauen, mit der eine Probe gleichzeitig von Neutronen und Röntgenstrahlen durchleuchtet wird. Anschließend sollen beide Datensätze gemeinsam ausgewertet und so die Prozesse innerhalb der Probe rekonstruiert werden. Während die Neutronenquelle FRM II von der TU München betrieben wird, bringt das Institut für Mikrosystemtechnik an der Universität Freiburg viel Erfahrung im Bereich der Brennstoffzellenentwicklung mit. Für das Projekt entwickeln Zengerle und seine Kollegen spezielle Brennstoffzellen. „Die Fenstermaterialien, also die Hüllen einer solchen Brennstoffzelle, dürfen nicht zu dick sein, damit beide Strahlen durchkommen“, erläutert Thiele.

Derzeit befinden sich der Röntgenmikrotomografie noch im Labor der TU München und soll im nächsten Schritt in ANTARES integriert werden. „Allerdings haben wir bereits erfolgreich mehrere Neutronen- und Röntgenexperimente getrennt durchgeführt“, so Pfeiffer.