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TU Dresden siebt mit Metallschaum schweren Wasserstoff

Das erste Plasma in Wendelstein 7-X. Es bestand aus Helium, dauerte eine Zehntel Sekunde und erreichte eine Temperatur von rund einer Million Grad Celsius (Eingefärbtes Schwarz-Weiß-Foto). Abb.: IPP

Auch dafür wird Deuterium gebraucht: Gezündetes Plasma im Fusions-Versuchsreaktor Wendelstein 7-X in Greifswald. Hier werden normaler Wasserstoff und Deuterium auf mehrere Millionen Kelvin erhitzt, um die Fusion zu Helium zu starten. (Eingefärbtes Schwarz-Weiß-Foto). Abb.: IPP

Durch Quanteneffekte öffnen sich die Poren nur für den Fusions-Brennstoff Deuterium

Dresden/Stuttgart, 16. April 2022. Der Dresdner Chemiker Prof. Stefan Kaskel und seine Kollegen haben ein Metallschaum-Sieb entwickelt, das schweren Wasserstoff – sogenanntes Deuterium – viel einfacher als mit bisherigen Verfahren gewinnen kann. Das hat die TU Dresden mitgeteilt. Dieser Stoff wird unter anderem für Fusionsreaktoren, die Medizinherstellung und organische Bildschirme gebraucht.

Ein Extra-Neutron macht den Unterschied

Ein „Deuterium“-Atom hat wie ein normales Wasserstoff-Atom nur ein Proton im Kern und ein Elektron im „Orbit“, hat aber ein zusätzliches Neutron im Kern. Mit dem „Tritium“ noch eine weitere Unterart des Elements Wasserstoff, es hat nicht nur ein, sondern sogar zwei Neutronen im Atomkern. Anders als Deuterium ist Tritium allerdings radioaktiv. Schon für die Entwicklung der ersten Atomreaktoren (und Atombomben) war Deuterium sehr beliebt, weil es als sogenannter „Moderator“ schnelle Neutronen ausbremsen und damit für eine kontrollierte Kettenreaktion sorgen kann.

Teurer als Gold

Deuterium aus Wasser zu gewinnen, ist bisher allerdings sehr aufwendig. Laut TU ist es nur mit einem Anteil von 0,15 Promille in den natürlichen Wasservorkommen unserer Erde enthalten. Um es zu sammeln, wird „zunächst das schwere Wasser mittels chemischer und physikalischer Verfahren isoliert und anschließend Deuterium-Gas erzeugt. Diese Prozesse sind so aufwendig und energieintensiv, dass ein Gramm Deuterium teurer als Gold ist, obwohl sein natürliches Vorkommen um ein Vielfaches höher ist.“

Auch für Medizin und Bildschirm-Produktion gefragt

Längst ist Deuterium aber nicht nur beim Militär gefragt: Viele deuteriumvermischte Arzneien lassen sich beispielsweise in niedrigeren Dosierungen mit geringeren Nebenwirkungen einsetzen. Elektronikkonzerne wie LG verwenden den schweren Wasserstoff neuerdings, um Einbrenneffekte in Oled-Bildschirmen zu mindern. Und für künftige Fusionskraftwerke wird Deuterium voraussichtlich in großen Mengen gebraucht.

Nur Deuterium kann die Poren des metallorganischen Gerüsts „DUT-8“ öffnen, während Wasserstoff das Gerüst geschlossen lässt. Grafik: Dr. Volodymyr Bon für die TUD

Nur Deuterium kann die Poren des metallorganischen Gerüsts „DUT-8“ öffnen, während Wasserstoff das Gerüst geschlossen lässt. Grafik: Dr. Volodymyr Bon für die TUD

Funktioniert leider nur, wenn’s richtig kalt ist

Um die Deuterium-Gewinnung anzukurbeln, haben die Forschungsgruppen von Prof. Stefan Kaskel und Prof. Thomas Heine von der TU Dresden sowie von Dr. Michael Hirscher vom Max-Planck-Institut (MPI) für Intelligente Systeme in Stuttgart nun ein neues Trennverfahren entwickeln. Dabei lotsen sie Wasserstoff durch den in Dresden entwickelten Nanotech-Metallschaum DUT-8, der seine Porengröße dynamisch anpassen kann. „Nur Deuterium kann die Poren öffnen, während Wasserstoff das Gerüst geschlossen lässt“, erklärt Stefan Kaskel. „Diese hochselektive Erkennung führt zu einer hohen Trennschärfe bei gleichzeitig hoher Deuterium-Aufnahme.“

Prof. Stefan Kaskel. Foto: Fraunhofer IWS

Prof. Stefan Kaskel. Foto: Fraunhofer IWS

Allerdings funktioniert der Prozess nur bei sehr tiefen Temperaturen. Bei extremer Kälte gelang es den Wissenschaftlern dann tatsächlich, „experimentell Wasserstoffisotopengemische zu trennen, wobei das Material als eine Art flexibles und daher äußerst effizientes ,Quantensieb’ fungiert“, berichtet MPI-IS-Forscher Dr. Michael Hirscher.

Durch weitere Forschungen wird nun zu klären, wie industrietauglich dieses Trennverfahren mit metallorganischen Strukturen ist und ob es auch bei höheren Temperaturen noch funktioniert.

Autor: hw

Quellen: TUD, Heise, Oiger-Archiv

Wissenschaftliche Publikation:

Linda Bondorf, Jhonatan Luiz Fiorio, Volodymyr Bon, Linda Zhang, Mariia Maliuta, Sebastian Ehrling, Irena Senkovska, Jack D. Evans, Jan-Ole Joswig, Stefan Kaskel, Thomas Heine, Michael Hirscher: „Isotopenselektive Porenöffnung in einem flexiblen metallorganischen Gerüst. Wissenschaftliche Fortschritte“, in: „Science Advances“ . DOI: 10.1126/sciadv.abn7035