Energiespeicher unter Druck

Ein immens hoher Druck, wie er beispielsweise im Innern der Erde herrscht, könnte der Schlüssel zur Entwicklung völlig neuer Treibstoffe und Batterien sein: Bei extremen Bedingungen wird die mechanische Energie des Zusammenpressens in chemische Energie umgewandelt und damit gespeichert, haben US-Forscher jetzt an einem konkreten Beispiel gezeigt. Auf diese Weise sei eine sehr hohe Energiedichte im komprimierten Material erreichbar, die nur noch von der in Atomkernen vorherrschenden übertroffen wird. Allerdings stehe die Entwicklung noch ganz am Anfang - bislang habe man das Prinzip lediglich bei sehr kleinen Proben im Labor beobachten können, gibt Studienleiter Choong-Shik Yoo von der Washington State University in Pullman zu bedenken.
Für ihre Arbeit nahmen sich die Wissenschaftler die Substanz Xenondifluorid vor, eine der wenigen chemischen Verbindungen des Edelgases Xenon, die einigermaßen stabil ist. Dazu packten sie die weißen bis farblos-transparenten Kristalle, in denen jeweils ein Xenon- mit zwei Fluoratomen verbunden ist, in eine sogenannte Diamantstempelzelle. Dabei handelt es sich um eine Art Druckkammer im Kleinformat, in der mit vergleichsweise geringem Kraftaufwand Drücke erzeugt werden können, die bis zu einer Million Mal so hoch sind wie der normale Atmosphärendruck. Sie hat zudem den Vorteil, dass die beiden druckausübenden Stempel - wie der Name schon sagt - aus Diamant bestehen und damit lichtdurchlässig sind. Auf diese Weise lässt sich die komprimierte Probe untersuchen, ohne dass der Druck entfernt werden muss.

Im Fall des Xenondifluorids konnten die Wissenschaftler so eine erstaunliche Verwandlung beobachten: Aus dem weißen Kristall, der keinen Strom leiten konnte, wurde bei einem Druck von um die 50 Gigapascal - etwa dem 500.000-Fachen des Atmosphärendrucks - ein rötliches Material, das sich ähnlich verhielt wie der Halbleiter Graphit. Wie diese Kohlenstoffvariante war auch das zusammengepresste Xenonfluorid aus Schichten aufgebaut, in denen jedes Xenonatom nicht mehr mit zwei, sondern jetzt mit vier Fluoratomen gekoppelt war. Erhöhten die Forscher den Druck noch stärker, so dass er über 70 Gigapascal lag, trat eine weitere Verwandlung ein: Das rötliche Material wurde schwarz und hatte metallische Eigenschaften. Zudem war jetzt jedes Xenonatom von acht Fluoratomen umgeben.

Vor allem diese Umbauten auf atomarer Ebene machen das Material so interessant als Energiespeicher, schreiben die Forscher. Durch den starken Druck müssen die Atome in der Verbindung enger zusammenrücken und sich dabei so neuorientieren, dass die Abstoßungskräfte zwischen den einzelnen Teilchen, die eine derartige Nähe sonst verhindern, möglichst gering werden. Neben einer möglichen Rolle als neuer Treibstoff beziehungsweise neues Batteriematerial könnten sich solcherart komprimierte Materialien unter anderem auch als effiziente Oxidationsmittel erweisen, mit deren Hilfe sich chemische oder biologische Verunreinigungen beseitigen lassen.
Choong-Shik Yoo (Washington State University, Pullman) et al.: Nature Chemistry, Online-Veröffentlichung, doi: 10.1038/nchem.724

ddp/wissenschaft.de ? Ilka Lehnen-Beyel


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