Forschungskooperationen

»RICIMER«Roman Inspired Cement Innovation by Multi-analytical Enhanced Research

Im Projekt sollen in Anlehnung an römische Betone neue Zementzumahlstoffe auf Basis von Vulkanaschen-ähnlichen Schmelzprodukten gefunden werden, um neue Wege zur Reduzierung von CO2-Emissionen in der Zementindustrie aufzuzeigen. Römische Betone erfüllen alle Kriterien, die man sich von einem modernen nachhaltigen Baustoff wünscht: Diese Art von Beton ist zementfrei, daher CO2-arm, wurde aus lokal verfügbaren Ressourcen wie Vulkanaschen hergestellt und besitzt zudem selbstheilende Eigenschaften, was dem römischen Beton Erdbeben-resiliente Eigenschaften verleiht und ihn dadurch äußerst dauerhaft macht. Die Betonkuppel des römischen Pantheons zum Beispiel existiert seit ca. 2000 Jahren und hat insgesamt sieben Erdbeben überstanden ohne einen Riss zu bekommen. Man vermutet, dass Calcium-Aluminat-Silikat-Hydrate, sog. CASH-Phasen, welche eine spezifische Doppelschichtstruktur besitzen, für die besonderen selbstheilenden Eigenschaften des römischen Betons verantwortlich sind. Die Rezeptur für römische Betone ging jedoch im Laufe der Zeit leider verloren und konnte bis heute aufgrund der Komplexität der in römischen Betonen gefundenen Mineralphasen nicht wieder rekonstruiert werden. Um das Rätsel der antiken zementfreien Formulierungen zu lösen, sollen die in römischen Betonen gefundenen Mineralphasen durch unterschiedliche Synthesewege hergestellt, deren Defektstrukturen analysiert und die Phasenumwandlungen in unterschiedlichen chemischen Umgebungen in-situ durch Synchroton-Strahlung und NMR-Spektroskopie analysiert werden. Basierend auf diesen Ergebnissen wird das IBP neue Zementformulierungen auf Basis von Schmelzprodukten von Müllverbrennungsaschen erstellen und mittels betontechnologischer Tests hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und Dauerhaftigkeit untersuchen.

Das Projekt wird unterstützt durch das Deutsche-Elektron-Synchroton (DESY) in Hamburg und Prof. Gilberto Artioli von der Universität Padua, welcher für das Projekt freundlicherweise original römische Beton-Proben aus unterschiedlichen Lokalitäten zur Verfügung stellt.

Beteiligte Institute:

Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP, Valley

Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart

Laufzeit: 2022-2026

»MaxwellSuits« Ultra-lightweight Exosuits powered by Maxwell-stress-driven Soft Actuators

Exosuits sind kleidungsähnliche Robotergeräte, die vollständig weich oder flexibel sind. Dank der vollständigen Anpassungsfähigkeit und geringem Gewicht besitzen sie das Potenzial, die tragbare Motorunterstützung für Prävention, Rehabilitation und Leistungssteigerung zu revolutionieren. Aktuell werden sie diesem Potenzial jedoch nicht gerecht, da es an einer wirklich weichen und dennoch leistungsstarken Aktuatortechnologie sowie an einem systematischen Rahmen für deren Entwicklung und Prüfung mangelt. In MaxwellSuits werden vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (Abteilung Robotische Materialien) elektrostatisch angetriebene künstliche Muskeln mit hoher Leistung entwickelt, die zehnmal stärker und fünfmal leichter sind als es dem aktuellen Stand der Technik entspricht. Zur verbesserten Exosuit-Steuerung und Anpassungsfähigkeit werden zusätzlich Aktoren mit adaptiver On-Demand-Versteifung auf der Grundlage von elektrostatischer Schichtverklemmung sowie neue integrierte Sensoransätze, die die Self-Sensing-Funktion der Aktoren mit externer Sensorik ergänzen, untersucht. Um dem Anspruch der Gestaltung benutzerspezifischer und biomechanisch optimierter Exosuits zu entsprechen, wird das Fraunhofer IPA ein Framework entwickeln, das virtuelle und physische Werkzeuge kombiniert. Diese Bemühungen werden die Ausarbeitung eines neuen In-Silico-Exosuit-Testbeds zum Ziel haben, das sowohl die biomechanischen Details des Körpers des Benutzers als auch seine mechanischen Wechselwirkungen mit dem Exosuit genau darstellt. Erstmalig soll unsere Arbeit den Weg für In-Silico-Tests und die Personalisierung von Exosuits ebnen. Die Kombination neuer grundlegender Erkenntnisse zur wesentlichen Überschreitung der derzeitigen Grenzen der Technologie zur Entwicklung künstlicher Muskeln- mit den methodischen Innovationen für biomechanisches Design und Optimierung wird genutzt, um zwei anpassungsfähige, ultraleichte Exosuit-Demonstratoren zur präventiven Rumpfunterstützung und Knöchelmotorunterstützung zu realisieren.

Beteiligte Institute:

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart

Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Stuttgart

Laufzeit: 2023-2027

»SAPs4Tissue« Selbst-assemblierende biologisch aktive Peptidnanofibrillen für das biomimetische Design funktionaler Zellnischen humaner Gewebemodelle

Ziel des Projektes ist es, grundlegende EZM Charakteristika in neuartigen Trägerstrukturen für die Zellkultur zu integrieren. Der Fokus liegt dabei auf der Erforschung von definierten peptidischen Grundbausteinen, sogenannten selbstassemblierenden Peptidnanofibrillen (SAPs), welche essentielle biophysikochemische Aspekte (biologisch, chemisch, mechanisch, morphologisch) und damit die Komplexität der EZM in vitro abbilden können.

Beteiligte Institute:

Fraunhofer-Institut für Silicatforschung, Projektgruppe Translationszentrum Regenerative Therapien TLZ-RT, Würzburg

Fraunhofer-Institut für Kognitive Systeme IKS, München

Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz

Laufzeit: 2023-2026

»MaRS« Critical materials lean Magnets by Recycling and Substitution

Permanentmagnete (PMs) sind im Alltag unverzichtbar. In der Regel werden zwei Arten von Magneten in industriellem Maßstab verwendet: preiswerte, aber leistungsschwache Ferritmagnete und teure, aber leistungsstarke Magnete auf Seltenerdbasis. Da die Seltenen Erden (REE) in Bezug auf die Versorgung und den Abbau als sehr kritisch eingestuft werden, ist man ständig auf der Suche nach Ersatzmaterialien. Das Ziel des MaRS-Projekts ist es, die derzeitige Materiallücke zwischen leistungsstarken und -schwachen PMs mit weniger kritischen Elementen und nachhaltigeren grünen Magneten zu schließen. Zu diesem Zweck werden zwei parallele Strategien verfolgt, um die Widerstandsfähigkeit und Nachhaltigkeit von PMs zu erhöhen:

• Nachhaltige Synthese von alternativen REE-freien PMs ohne kritische Elemente auf der Grundlage der Fe-P-, Fe-N- und L10-Systeme (Mn-Al, Fe-Ni) durch Substitution der derzeit verwendeten REE-basierten Magneten;
• Recycling von Hochleistungs-PMs zur effizienten Nutzung der kritischen Materialien, die bereits in Europa verwendet werden.

Es werden verschiedene nachhaltige Synthesetechniken für die Stabilisierung von Phasen und die Herstellung von polykristallinen PMs in Masse untersucht. Dazu gehören schnelle Abschreckungs-techniken, Nanopulver-Synthese, kontrollierte Nitrierung und pyrometallurgische Prozesse. Für den Recyclingpfad werden nachhaltige metallurgische Prozesse getestet, um kontaminierte Magnete durch plasmaunterstützte Schmelz- und Reinigungsschritte aufzubereiten. Alle Experimente werden begleitet von einer eingehenden Materialcharakterisierung auf verschiedenen Längenskalen und Technologien.

Beteiligte Institute:

Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS, Hanau

Max-Planck-Institut für Eisenforschung, Düsseldorf

Laufzeit: 2024-2026

»SMARTIES« SMART Integrated Electronic Sensors for quantifying atmospheric transport and mixing

Die individuelle und relative Bewegung von Teilchen ist grundlegend für das Verständnis von Transportprozessen in komplexen Strömungen. Für atmosphärische Strömungen ist der großräumige Transport gut verstanden und wird durch Messstationen und Satellitenbeobachtungen überwacht. Das Wissen über kleinere Skalen, d.h. auf Skalen von 100 m bis 50 km, und die damit verbundenen Konzentrationsschwankungen, ist derzeit begrenzt. Die Projekt zielt darauf ab, ein System intelligenter atmosphärischer Tracer, die sogenannten SMARTIES, zu entwickeln, um Informationen über den atmosphärischen Transport für die Validierung von Modellen und numerischen Simulationen zu bekommen, aber auch für den schnellen Einsatz vor Ort in Fällen, in denen sofortige und detaillierte Kenntnisse über Ausbreitung und Transport benötigt werden, um unmittelbare Risiken für die Bevölkerung und die Biosphäre im Allgemeinen feststellen zu können. SMARTIES sind kleine und sehr leichte Messinstrumente, die aus Umweltsensoren und einer drahtlosen Kommunikations- und Lokalisierungseinheit bestehen, die in ein Flugmodell mit geeigneten aerodynamischen Eigenschaften integriert sind, um einen nahezu neutralen Auftrieb in der Atmosphäre für einige Stunden aufrechtzuerhalten. Während des Fluges übertragen sie Sensordaten an ein Netz von Basisstationen zur Echtzeit-Ortung und Datenanalyse mit wesentlich höherer zeitlicher und räumlicher Auflösung im Vergleich zum Stand der Technik. Ein erster Datensatz wird während einer Messkampagne mit 100 SMARTIES generiert. Auf kommerzieller Ebene kann ein riesiger Markt für das Internet der Dinge von den Errungenschaften des Projekts profitieren, die eine Kommunikation mit geringem Stromverbrauch und großer Reichweite mit präziser Lokalisierung von kleinen Sensoren erfordern.

Beteiligte Institute:

Fraunhofer-Einrichtung für Integrierte Schaltungen IIS, Ilmenau

Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen

Laufzeit: 2024-2026

»CONDOR« Superconducting spintronic devices for cryogenic electronics

Die kryogene Elektronik, die bei niedrigen Temperaturen arbeitet, hat in den letzten Jahren aufgrund ihrer potenziellen Bedeutung für verschiedene Bereiche wie Quantencomputer und Weltraum-forschung stark an Bedeutung gewonnen. Im Projekt soll ein neuartiger supraleitender Transistor entwickelt werden, der in kryogenen Logik- und Speicherelementen eingesetzt werden kann. Das Projekt CONDOR soll erstens den Ursprung der Unterdrückung der Supraleitung in Nanodrähten durch die Anwendung elektrischer Felder entschlüsseln. Zweitens sollen supraleitende Feldeffekttransistoren sowohl in lateraler als auch in vertikaler Geometrie entwickelt werden, die bei CMOS-kompatiblen Spannungen arbeiten. Drittens sollen die kryogenen Transistoren sowohl als logische Elemente als auch als Schalter für den Zugriff auf magnetische Speicherelemente eingesetzt werden, um kryogene, nichtflüchtige Speicher mit geringem Energieaufwand zu ermöglichen. Die Speicherelemente werden aus magnetischen Tunnelverbindungen gebildet, die für den Betrieb bei niedrigen Temperaturen entwickelt werden. Diese neuartigen kryogenen Logik- und Speicherkomponenten werden kryogene elektronische Chips ermöglichen, die auf neuartigen supraleitenden Materialien und Phänomenen basieren. Im Projekt kommen Fachwissen über spintronische und supraleitende Materialien und Bauelemente des MPI und Know-how in den Bereichen Logik, Speicher und Integrationskompetenz im 300-mm-Wafer-Maßstab am FhI zum Einsatz. Das MSP und das IPMS haben bereits erfolgreich im Projekt RASCAL zusammengearbeitet, um neuartige spintronische Speicherbausteine zu entwickeln, die bei Raumtemperatur arbeiten. Diese Ergebnisse bilden einen wichtigen Bestandteil vom Projekt CONDOR. Zusammengefasst besteht das Projektziel darin, neuartige elektronische Logik- und Speicherkomponenten zu entwickeln, die bei kryogenen Temperaturen funktionsfähig sind. Die Bauelemente werden eine supraleitende Elektronik mit niedriger Energie für eigenständige supraleitende Rechensysteme ermöglichen sowie zur Unterstützung und Verbesserung neu entstehender Quantencomputersysteme dienen.
 

Beteiligte Institute:

Fraunhofer-Einrichtung für Photonische Mikrosysteme IPMS, Dresden

Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik, Halle

Laufzeit: 2024-2026

»OptoQuant« CMOS-integrated, micro-optoelectronic room-tem perature quantum-sensing for high-sensitivity magnetic field imaging

In den letzten Jahrzehnten hat sich das Verständnis und die Kontrolle einzelner Spin-Fehlstellen in Materialien extrem verbessert. Diese Spins sind von Natur aus von ihrer atomaren Umgebung isoliert, weisen eine hohe Kohärenz auf und bewahren starke Quanteneffekte bei Raumtemperatur. Der am besten untersuchte Spindefekt ist das Stickstoff-Vakanzzentrum (NV) in Diamant, das so abgestimmt ist, dass es mit sichtbarem Licht gemessen und mit Mikrowellen gesteuert werden kann. Aber auch andere Spindefekte zeigen in letzter Zeit spannende Fortschritte, wie Silizium-Leerstellen in Diamant, doppelte Leerstellen in Siliziumkarbid und spinreiche Polaronen in OLED-Materialien. Die hohe Kohärenz des NV-Zentrums macht es zu einem äußerst empfindlichen Sensor, insbesondere zu einem Sensor eines Magnetfeldes, das seine Energieaufspaltung durch den Zeeman-Effekt beeinflusst. Ein einzelnes NV-Zentrum kann ein magnetisches Gleichfeld mit einer Empfindlichkeit von mehreren Mikro-Tesla pro Integrationssekunde messen, Wechselstrom-/Signaltechniken (AC) verbessern seine Leistung erheblich. Außerdem ist die NV ein Defekt in atomarer Größe, der eine hochauflösende magnetische Bildgebung ermöglicht. Bisher wird die NV hauptsächlich in Laboren und in speziellen Systemen mit externen Lichtquellen, Lichtdetektion und Mikrowellensteuerung eingesetzt. Um diese Technologie einer breiteren Anwendung zuzuführen, ist die Integration des Defekts und seiner Auslesung in miniaturisierte, kompakte Geräte unumgänglich. Diese Miniaturisierung ermöglicht auch die Implementierung eines Mehrkanalgeräts, das in Zukunft in der Lage sein wird, 2D- oder sogar 3D-Magnetfeldabbildungen auf der Grundlage von Quantensensorik zu erstellen. Anwendungen wie Materialforschung, die Erkundung lokaler Erdmagnetfeldverformungen zur Erzerkennung oder geo-/astrophysikalische Forschung, räumliche Überwachung von Energieinfrastrukturen oder biologische und medizinische Überwachung wären damit möglich. OptoQuant zielt auf die Untersuchung und Entwicklung von Quantendefektmaterial (MPG-CPFS), seine mehrkanalige Integration in anwendungsspezifische integrierte Silizium-CMOS-Schaltungen, einschließlich Anregungs-OLED-Lichtquelle und Mikrowellengenerator, eingebettete Photodetektoren und Auslesen (FhG-IPMS), sowie die Verifizierung in einer Materialforschungsanwendung.

Beteiligte Institute:

Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS, Dresden

Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe, Dresden

Laufzeit: 2024-2027

»iFRS« Interferometrie-basierte feldaufgelöste Spektroskopie

Die Weiterentwicklung der modernen Medizin erfordert immer präzisere und schnellere Diagnostikmethoden zur Früherkennung des Eintretens von Krankheiten, sowie zur Überwachung und Steuerung von Therapien. Bedingt durch die molekulare Komplexität biologischer Proben bleiben jedoch quantitative, multivariate und schnelle molekulare Untersuchungen eine Herausforderung, insbesondere was markerfreie Ansätze betrifft. 

Ziel dieses Projektes ist es, neuartige photonische Messtechniken basierend auf Interferometrie und nichtlinearer Optik zu entwickeln, die eine schwingungsspektroskopische Abdeckung des gesamten physiologisch relevanten Konzentrationsbereichs von Molekülen in biologischen Flüssigkeiten und Gasen gewährleisten. Insbesondere soll die Machbarkeit des quantitativen Nachweises von Änderungen der molekularen Zusammensetzung flüssiger Biopsien für Konzentrationen im sub-ng/ml, sowie gasförmiger Proben im sub-ppb Bereich demonstriert werden. 

Die Erreichung dieser Ziele erfordert eine substanzielle Weiterentwicklung von Femtosekunden-Schlüsseltechnologien, die nur durch die Kombination der Kompetenzen der zwei Projektpartner realistisch ist. Die notwendigen technologischen Entwicklungen versprechen, sich auf die vordersten Fronten der Grundlagenforschung (kohärente IR-Spektroskopie an den durch die Quanten-Natur des Lichts gesetzten Empfindlichkeitsgrenzen) und der Hochtechnologie (IR-Spektrometer einer neuen Generation sowie Präzisionsmedizin) auszuwirken.

Beteiligte Institute:

Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM, Kaiserslautern

Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching

Laufzeit: 2025-2028

»NEONHET« Neuartige Elektrosynthese für den sicheren und nachhaltigen Zugang zu technisch relevanten Stickstoffheterozyklen

Im Rahmen des Projekts NEONHET sollen innovative, nachhaltige Methoden zur Herstellung von N-Heterozyklen erforscht werden, einer wichtigen Klasse chemischer Verbindungen. Diese Stoffe finden Anwendung in der Pharmaindustrie sowie im Pflanzenschutz und sind in der Synthese zahlreicher Wirkstoffe unverzichtbar.

Der Ansatz basiert auf der Nutzung von elektrischem Strom als Reagenz. Dadurch können stabile Stickstoffverbindungen, wie Hydrazone und Nitroaromaten, direkt aktiviert und in gewünschte N-Heterozyklen überführt werden. Gleichzeitig wird der Einsatz und die Isolierung toxischer Zwischenprodukte vermieden, was die Prozesse sicherer und umweltfreundlicher macht.

Dieser technologische Ansatz eröffnet neue Synthesewege, durch die nicht nur etablierte Wirkstoffe umweltfreundlicher und ressourcenschonender herstellbar sind, sondern auch neuartige und innovative Wirkstoffe mit vielfältigen Eigenschaften zugänglich werden. Das Projekt trägt damit zur Entwicklung moderner, umweltverträglicher Verfahren in der chemischen Industrie bei.

Beteiligte Institute:

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB-BIOCAT, Straubing

Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion, Mülheim a.d.R 

Laufzeit: 2025-2028

»TritiumStopp« Permeationsdichte Schichtsysteme als Tritium-Barrieren in Fusionsanwendungen

Das Vorhaben adressiert eine spezielle Problematik – die Tritium-Permeation in Wand- und Rohrmaterialien von Kernfusionskraftwerken. Tritium ist eine sehr wertvolle Ressource und dessen übermäßiger Verlust wäre, zusätzlich zu den damit einhergehenden Umweltauswirkungen, eine ernsthafte Hürde bei der sich abzeichnenden Realisierung von Fusionskraftwerkkonzepten. Dünne Barriereschichten haben das Potenzial, die Tritium-Permeation auf vernachlässigbar kleine Werte abzusenken. Hierzu liegen aktuell jedoch nur vage und schlecht vergleichbare Daten verschiedener Schichten vor. Neben der Frage der Langzeit-Barrierewirkung ist vor allem ungeklärt, inwieweit die Barrierewirkung unter den Stress-Bedingungen eines Fusionskraftwerksbetriebs anhält. Neben der mechanischen Einwirkung und der thermischen Wechselbeanspruchung ist vor allem die Wirkung der Neutronenstrahlung auf die Schädigung und damit Barrierewirkung ungeklärt. 

In diesem Vorhaben soll durch systematische Untersuchungen mit unterschiedlichen Dünnschichtvarianten den wichtigsten Fragen der Permeations-Barrierewirkung unter verschiedenen Einflussfaktoren nachgegangen werden. Die Versuche erfolgen an verschiedenen Permeations-Messplätzen, begleitet von einer umfassenden Materialdiagnostik. Es werden die Schichtvarianten Metallnitride, Oxide und diamantartiger Kohlenstoff untersucht. Da bereits die Ausgangsstruktur der Schichten entscheidend ist, werden zum einen verschiedene Abscheideverfahren eingesetzt sowie eine Variation der Beschichtungsparameter durchgeführt. Im Ergebnis sollen zum einen grundlegende materialwissenschaftliche Erkenntnisse zu Ursache-Wirkungs-Mechanismen bei der Tritium-Permeation mit Dünnschichten vorliegen. Darüber hinaus ist es das Ziel des Vorhabens, Konzepte für eine Umsetzung auf die realen Kraftwerkskomponenten aufzuzeigen.

Beteiligte Institute:

Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, Dresden 

Max-Planck-Institut für Plasmaphysik IPP, Garching 

Laufzeit: 2025-2028

»SYNTHIA« Synthetische Zellen zur Herstellung günstiger und zugänglicher Zelltherapien

Das SYNTHIA-Projekt vereint die Stärken des Max-Planck-Instituts für medizinische Forschung (MPI-MR) und des Fraunhofer Instituts für Zelltherapie und Immunologie (Fh-IZI), um eine wichtige Herausforderung in der Immuntherapie zu meistern: die Entwicklung skalierbarer, sofort einsetzbarer Zelltherapien.

Zellbasierte Immuntherapien haben die Krebsbehandlung revolutioniert und finden zunehmend Anwendung bei anderen schweren Erkrankungen, etwa Autoimmunerkrankungen. Ein zentrales Ziel des Projekts ist es, den Zugang zu diesen Therapien für Patienten zu erweitern. Im Gegensatz zu CAR-T-Zelltherapien, die zeitaufwendig und kostspielig für jeden Patienten individuell hergestellt werden, sollen die neuen Therapien im Voraus hergestellt, gelagert und bedarfsgerecht an Patienten gegeben werden. Dies bietet zahlreiche Vorteile: erhöhte Verfügbarkeit, schnellere Lieferung und niedrigere Kosten.

Natürliche Killerzellen (NK-Zellen) sind dabei ein vielversprechender Immunzell-Typ. Sie können aus dem Blut gesunder Spender isoliert und an Krebspatienten verabreicht werden, und sind in der Lage sind, Tumorzellen zu erkennen und abzutöten. Ein wesentliches Hindernis bei der klinischen Anwendung von NK-Zellen ist deren effiziente Vermehrung und Aktivierung.

Hier setzt das SYNTHIA-Projekt an: Durch die Entwicklung synthetischer Hilfszellen, die NK-Zellen aktivieren, soll deren Expansion und Funktion verbessert werden. Mit diesen synthetischen Zellen können NK-Zelltherapieprodukte in spezialisierten Herstellungsstätten in großen Mengen produziert und für Patienten aufbereitet werden. Alternativ können sie auch direkt im Körper der Patienten eingesetzt werden, um die körpereigenen NK-Zellen zu stimulieren und deren Aktivität gegen Tumorzellen zu steigern. Das Projekt zielt darauf ab, solche funktionalen synthetischen Hilfszellen zu entwickeln und Herstellungsverfahren zu etablieren, um diese für die klinische Anwendung nutzbar zu machen.

Durch die enge und interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen den beiden Instituten wollen wir einen bedeutenden Beitrag zur Verbesserung der Patientenversorgung mit Zelltherapien leisten.

Beteiligte Institute:

Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI - Leipzig

Max-Planck-Institut für medizinische Forschung MPI, Heidelberg

Laufzeit: 2026–2029

»GENIUS« „Anoden-freie“ Natrium-Ionen-Batterie für hohe Energiedichten

Das Projekt GENIUS hat zum Ziel, eine neue Generation von Natrium-Ionen-Batterien (SIB) mit einem „anodenfreien“ Zellaufbau sowie funktionalen und innovativen Beschichtungskonzepten auf Basis von 2D-Polymermembranen (2DPM) zu entwickeln. Hierfür arbeiten das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) und das Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik (MSP) eng zusammen.

GENIUS adressiert den wachsenden Bedarf an wettbewerbsfähigen Energiespeicherlösungen angesichts kritischer Rohstoffengpässe für Lithium-Ionen-Batterien (LIB), insbesondere Lithium, Kobalt und Nickel. Durch die Implementierung einer „anodenfreien“ Konfiguration, d.h. anodenseitigem Stromableiter ohne Beschichtung, setzt sich GENIUS zum Ziel, die Energiedichte von SIB über die konventionelle Lithium-Eisen-Phosphat (LFP)-Batterien hinaus zu erhöhen. Dieser innovative Ansatz kombiniert die direkte Abscheidung metallischen Natriums auf dem anodenseitigem Stromableiter mit innovativen 2DPM-Beschichtungstechniken, um eine effiziente Natrium-Abscheidung und -Auflösung sicherzustellen und die Bildung von Dendriten zu minimieren.

Zu den Hauptzielen von GENIUS gehören die Optimierung der strukturellen Integrität des anodenfreien Designs, die Stabilisierung von Hochvolt-Kathoden mit hohen Beschichtungsdicken und die Kompensation von Natriumverlusten während des Batteriebetriebs. Um diese Ziele zu erreichen, wird das Projekt kristalline 2DPM-Beschichtungen mit ionenselektiven Eigenschaften sowie Opfer-Salze zur Kompensation initialer Natriumverluste nutzen.

Für die Zusammenarbeit zwischen ISE und MSP nutzen die Arbeitsgruppen ihre jeweilige Expertise in der Grenzflächen-Synthese, Polymerchemie, elektrochemischen Charakterisierung und Entwicklung von Batteriezellen. Die erwarteten Ergebnisse umfassen die erfolgreiche Validierung anodenfreier SIB mit Energiedichten > 250 Wh/kg, wodurch diese Technologie als konkurrenzfähige Alternative zu bestehenden LIB-Systemen positioniert werden soll. GENIUS zielt nicht nur darauf ab, die Natrium-Ionen-Technologie voranzutreiben, sondern trägt auch zum übergeordneten Ziel nachhaltiger und effizienter Energiespeicherlösungen aus Europa bei.
 

Beteiligte Institute:

Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE - Freiburg

Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik MSP, Halle

Laufzeit: 2026-2030

»ELYDIA« – Plant-based Endolysins for infectious disease treatment 

Die weltweite Ausbreitung von Bakterien, die gegen viele oder sogar fast alle bekannten Antibiotika resistent sind, stellt eine zunehmende Bedrohung für die menschliche und tierische Gesundheit dar. Gleichzeitig kommen kaum noch neue klassische Antibiotika auf den Markt. Daher werden dringend alternative Ansätze benötigt, um bakterielle Infektionen wirksam zu bekämpfen.

Ein besonders vielversprechender Ansatz sind sogenannte Endolysine. Dabei handelt es sich um natürliche antibakterielle Enzyme, die ursprünglich von Bakteriophagen gebildet werden, also von Viren, die Bakterien infizieren. Endolysine können die schützende Zellwand von Bakterien gezielt zerstören und wirken dadurch sehr schnell und effektiv. Trotz dieses großen Potenzials werden Endolysine bislang kaum medizinisch genutzt. Gründe dafür sind ihre oft sehr spezifische Wirkung auf einzelne Bakterienstämme sowie ungelöste Fragen zur sicheren, nachhaltigen und kostengünstigen Herstellung großer Mengen dieser Wirkstoffe.

Das Projekt »ELYDIA« setzt genau hier an. Ziel ist es, neue Wege zur Entdeckung, Weiterentwicklung und industriellen Produktion von Endolysinen zu eröffnen. Ein zentraler Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass sich Endolysine besonders effizient in Pflanzen herstellen lassen. Werden die entsprechenden Gene in die Chloroplasten von Tabakpflanzen eingebracht, produzieren diese außergewöhnlich hohe Mengen stabiler Endolysine. Pflanzen werden dadurch zu einer nachhaltigen, leicht skalierbaren und kosteneffizienten Produktionsplattform.

Zusätzlich nutzt »ELYDIA« moderne Methoden der Datenanalyse und des maschinellen Lernens, um in großen genetischen Datensammlungen neue, bislang unbekannte Endolysine aufzuspüren. Ergänzend werden künstliche Varianten durch gezielte Neukombination von funktionellen Proteinbausteinen entwickelt. Vielversprechende Kandidaten werden rasch getestet, pflanzenbasiert produziert, aufgereinigt und anschließend auf ihre Wirksamkeit und Sicherheit in Zellkultur und Tiermodellen geprüft.
 

Beteiligte Institute:

Fraunhofer-Institut für Molekulare Biotechnologie und Angewandte Oekologie IME, Aachen

Fraunhofer Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, Stuttgart

Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie MPIMP, Potsdam

Laufzeit: 2026-2030

Mit dem Pakt für Forschung und Innovation verfolgen Bund und Länder sowie die Wissenschaftsorganisationen das Ziel, die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Forschung durch eine bessere Ausschöpfung der vorhandenen Potenziale zu steigern.

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