Team: Mottale-Sarab, Taban | Buchheister, Paul | Klingenhof, Malte

Das Forschungsprojekt konzentriert sich auf die Materialwissenschaft und Katalyse von nanostrukturierten Materialien für saubere Energiespeicherungs- und -umwandlungstechnologien (Wasserstoffbrennstoffzelle, hohe Energiedichtebatterien, (photo)elektrochemische Umwandlung von Solarenergie/-strom in Brennstoffe und Chemikalien). Die Forschung trägt zum fundamentalen Verständnis dieser Technologien und deren Geräte bei und wird dabei helfen, die Grundlage für saubere Energietechnologien in der Zukunft Realität werden. Es steuert zu einer großflächigen Einführung in die elektrische Mobilität und die Speicherung sowie Umwandlung von überschüssiger Elektrizität bei, zwei der Schlüsseltechnologien heutzutage. Im Rahmen dieser Forschung wurden Iridium-freie Katalysatoren für alkalische membranbasierte Elektrolysezellen mit PEM-Effizienz (>2 A/cm² bei 1.8 V) entwickelt. Die Elektrolysezellen sind Iridium-frei dank hochaktiven Nickel-Eisen-Katalysatoren und erstmalig in ausschließlich skalierbaren Prozessen hergestellt. Das Ergebnis sind Catalyst coated membranes, die in der Verarbeitung in der PEM-Elektrolyse und Brennstoffzelle weit verbreitet sind. Somit können PEM-Hersteller die AEM-Technologie, insbesondere die preiswerten und hochaktiven Katalysatoren einfach in ihre Prozesse adaptieren.

Team: Alvarez Ferrero, Guillermo | Mazzio, Katherine

Eine wachsende Weltbevölkerung, die einen höheren Energiebedarf hat, in Verbindung mit einer fortschrittlicheren und technologischen Wirtschaft, hat den weltweiten Energieverbrauch deutlich erhöht. Die kontinuierliche Zunahme des Verbrauchs fossiler Brennstoffe hat wiederum die Entwicklung sauberer, effizienter und nachhaltiger Energieumwandlungs- und -speicherungstechnologien erforderlich gemacht. Die Einführung erneuerbarer Energien hat sich beschleunigt, und wiederaufladbare Batterien spielen eine wesentliche Rolle bei der Überwindung von Schwankungen in der Stromerzeugung. Natrium-Ionen-Batterien haben sich als überzeugendes Gegenstück zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien herauskristallisiert, da sie sehr attraktive Eigenschaften aufweisen, wie z. B. ein größeres natürliches Natriumvorkommen, eine ethischere Materialbeschaffung durch den Verzicht auf Schwermetalle und potenziell niedrige Kosten. Zu diesem Zweck haben wir vor kurzem den ersten Konzeptnachweis für eine Kointerkalationsbatterie entwickelt, die aus zwei Elektroden besteht, welche einer Kointerkalationsreaktion folgen, die einen schnellen und effizienten elektrochemischen Prozess ermöglicht.

Team: Breitenstein-Attach, Alexander Jassin | Steitz, Marvin | Hao, Yimeng

Jährlich leiden 1,35 Mio. Neugeborene an einem angeborenen Herzfehler (CHD), von denen 400.000 einen Herzklappenersatz benötigen. Alle derzeit erhältlichen Herzklappenprothesen werden speziell für Erwachsene hergestellt und können sich nicht an das Wachstum der Kinder anpassen, was zu fünf Reoperationen führt, bis das Kind ausgewachsen ist. Der Forschungsgruppe GrOwnValve der Charité - Universitätsmedizin Berlin und des Deutschen Herzzentrums Berlin ist es gelungen, einen Transkatheter-Herzklappenersatz (TVR) zu entwickeln, der wachstumsfähig ist, da er aus körpereigenem, lebendem Gewebe hergestellt wird. Diese Prothese kann bei Erwachsenen minimalinvasiv implantiert werden, wobei ein nicht resorbierbarer und langlebiger Stent verwendet wird, der auf dem Markt erhältlich ist. Für den Einsatz bei Kindern im Wachstum muss sich der Stent jedoch im Laufe der Zeit auflösen, damit er das somatische Wachstum nicht hemmt. Dieser Stent kann als das fehlende Teil für eine pädiatrische TVR angesehen werden.

In diesem Rahmen wollen wir die aktuellen Fortschritte in den Materialwissenschaften nutzen und ein innovatives resorbierbares Stent-Material, Resoloy genannt, mit einer neu entwickelten Polymerbeschichtung kombinieren. Diese Beschichtung ermöglicht eine präzise Einstellung der Resorptionszeit bei gleichzeitiger Minimierung von Fremdkörperreaktionen. Die erfolgreiche Entwicklung eines resorbierbaren Stents für eine pädiatrische TVR könnte einen neuen Versorgungsstandard in der Kinderkardiologie setzen, der die Zahl der erforderlichen Eingriffe von fünf auf einen reduziert und damit die Belastung der Kinder, der Eltern, des Krankenhauses und schließlich des gesamten Gesundheitssystems senkt.

Team: Kaba, Onur | Czasny, Mathias | Koerber, Stephan

Der Gegenstand dieses Projektes ist die automatisierte Additive Fertigung von leichten und mechanisch festen Prothesenschäften.

Hierfür kommt ein, von der Arbeitsgruppe der Bewerber entwickeltes Endlosfaser-verstärktes Material zum Einsatz, welches mit Hilfe selbst entwickelter Additiver Fertigungstechnologien verarbeitet werden kann.

Endlosfaser-verstärkte Kunststoffe werden wegen ihrer hohen Festigkeiten und ihrer geringen Dichte in vielen Industrien eingesetzt. Ihre Verarbeitung bedeutet meist hoher personeller und technischer Aufwand.

Mit Hilfe des neuen Materials und der dazugehörigen Fertigungstechnologie ist eine automatisierte Additive Fertigung von Endlosfaser-verstärkten komplexen Strukturen möglich.

Diese Eigenschaften eignen sich besonders für die Herstellung von Prothesenschäften, da sie individuell gefertigt werden müssen und hohen mechanischen Lasten ausgesetzt sind.

Team: Balcarova, Barbora | Bojdys, Michael J. | Goshtasp Cheraghian

Die Batterietechnologie bildet das Fundament für die Elektromobilität und die mobile Kommunikation und hilft uns, Kohlenstoffemissionen zu reduzieren und in Kontakt zu bleiben. Die neue Generation stärker integrierter intelligenter Geräte erfordert Batterien, die länger halten, leistungsfähiger, kleiner, flexibler, haltbarer und nachhaltiger sind.

Auf der Grundlage unserer beiden Patente werden wir (1) Batterien in tragbarem, handlichem Format entwickeln, die mindestens 5- bis 10-mal leistungsfähiger sind als jedes andere kommerzielle Produkt, die (2) flexibel und dünn und (3) langlebig sind und gleichzeitig aus (4) nachhaltigeren Rohstoffen hergestellt werden. Unsere Batteriesysteme sind einzigartig, weil sie aus porösen halbleitenden Polymeren bestehen, die den Transport von Masse und Ladung ermöglichen und in unseren Labors entwickelt wurden. Im Gegensatz zu bestehenden Methoden der Batterieherstellung wachsen unsere Polymerkomposite während des Montageprozesses auf den Metallstromabnehmern.

Unsere Geräte haben herausragende Eigenschaften und werden aus den auf der Erde am häufigsten vorkommenden Elementen wie C, N, S, Si und nicht aus seltenen, giftigen Metallen hergestellt. Sie erreichen bei thermischer und mechanischer Belastung die theoretischen Grenzen für Li-S- und Li-Si-basierte Batterien und werden gleichzeitig auf umweltfreundlichere und nachhaltigere Weise hergestellt.

Team: Simon, Ulla | Chen, Huaiyou | Bekheet, Maged F.

Unter funktionalen und nachhaltigen Gesichtspunkten sind Materialien auf Pilzbasis eine vielversprechende neue Materialklasse für verschiedene Anwendungen. Hier stellen wir ein innovatives Herstellungsverfahren für die Produktion von biologisch abbaubaren papierähnlichen Folien und superleichten Schaumstoffen aus 100 % Pilzmyzel vor. Unser Herstellungsverfahren verwendet inaktives Pilzmyzel und erfordert keine Zugabe von organischen Lösungsmitteln, korrosiven Säuren/Basen oder chemischen Zusatzstoffen. Durch die Steuerung der Prozessbedingungen und weitere Funktionalisierung können verschiedene maßgeschneiderte und individuelle Produkteigenschaften erzielt werden. Unser Verfahren ebnet den Weg zu einer größeren Produktvielfalt an nachhaltigen Materialien auf Pilzbasis mit neuen Eigenschaften für verschiedene anspruchsvolle Anwendungen, wie z. B. Verpackungen für kundenspezifische Produkte, Lebensmittel, Adsorbenzien für die Wasserreinigung, Träger für Katalysatoren oder Energiespeicher und Schalldämpfer für die Innenraumgestaltung. Auf diese Weise kann die Substitution von erdölbasierten Produkten auf dem Weg zu einer nachhaltigeren Welt vorangetrieben werden.