Einsicht durch Scharfblick

Ein Bikini-Mädchen am Strand, Wanderer vor einem berauschenden Bergpanorama, eine Clique von Freunden, die lachend vor einem Ferienhotel posieren – Urlaubsfotos wie viele andere. Nur die Menschen und Motive auf den Bildern sind unterschiedlich. Solche Bilder versteht man auf den ersten Blick. Auch Fotos in der Zeitung oder auf einem Werbeplakat geben keine Rätsel auf. Details, die nicht auf Anhieb klar werden, sind meist mit wenigen Worten erklärt. Das menschliche Auge kann gut zwischen Schnappschüssen und inszenierten oder symbolischen Bildern unterscheiden. Und das Gehirn erfasst blitzschnell Personen, Dinge und Zusammenhänge. Anders ist das bei Bildern, die keine alltäglichen Motive zeigen, zum Beispiel bei der Röntgenaufnahme eines Kniegelenks: Während man als Patient darauf zwar die Umrisse des Knies erkennt, mehr aber nicht aus dem Bild erschließen kann, sieht der Facharzt sofort, ob das Gelenk gesund oder geschädigt ist. Der Blick des Arztes ist geschult. Er hat Hunderte von Röntgenbildern gesehen und ist deshalb in der Lage, Feinheiten der Aufnahme richtig zu interpretieren – etwa eine leichte Schwärzung als versteckten Entzündungsherd.

Batterie als offenes Buch

Ähnlich subtile Informationen können mikroskopische Aufnahmen von Lithium-Ionen-Akkus liefern. Aus den Details der inneren Struktur einer Batterie lesen Materialforscher heraus, wie leistungsfähig und robust der Akku ist, ob er fehlerfrei produziert wurde und ob er Verschleißerscheinungen aufweist. Mit dem nötigen Hintergrundwissen werden die Bilder aus dem Herzen der Batterie zu einem offenen Buch, das etliche Eigenschaften des Energiespeichers preisgibt.

Röntgenfotos vom menschlichen Körper und mikroskopische Aufnahmen von Akkus sind wissenschaftliche Bilder – Experten sprechen auch von „Scientific Images”. Das Anfertigen solcher Bilder, um komplexe Strukturen und Verhältnisse optisch darzustellen, ist gängige Praxis in Medizin und Mathematik, sowie in Ingenieur- und Naturwissenschaften. Die Bilder offenbaren Dinge, die der visuellen Wahrnehmung sonst nicht zugänglich sind – etwa weil sie zu versteckt oder zu klein sind, um sie mit bloßem Auge zu erkennen. Kameras allein helfen da nicht weiter.

Wissenschaftler nutzen unterschiedliche Methoden und Detektoren, um Daten zu sammeln, aus denen sich dann am Computer aussagekräftige Bilder berechnen und generieren lassen. Je nach Anwendung und Fragestellung verwenden sie Schall- oder Radiowellen, Infrarotstrahlung, die Streuung von Ionen in einem Rasterelektronenmikroskop oder elektrische Ströme in einem Rastertunnelmikroskop. Visualisierungen komplizierter Vorgänge sind auch bei der Simulation von Fahrzeug-Crashs und Verbrennungsprozessen in Kraftwerken oder Fahrzeugmotoren unverzichtbar.

Licht und Elektronen

Wie sich wissenschaftliche Bilder für Laien verständlich und damit nutzbar machen lassen, erforschen zurzeit Wissenschaftler an den beiden Hochschulen für Angewandte Wissenschaften in Aalen und Schwäbisch Gmünd. Im Fokus stehen dabei vor allem Aufnahmen des Innenlebens von Lithium-Ionen-Akkus. Die Forschungsgruppe Werkstofftechnik um Gerhard Schneider an der Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) in Aalen untersucht seit 2008, ob und wie sich chemische und physikalische Eigenschaften von handelsüblichen Lithium-Ionen-Akkus auf mikroskopischen Bildern ablesen lassen. Carmen Hafner und Timo Bernthaler verwenden dazu unter anderem eine innovative Mikroskopietechnik: die korrelative Mikroskopie. Diese Visualisierungsmethode kombiniert ein optisches Mikroskop mit einem Rasterelektronenmikroskop. Dadurch gelingt es, rasch und zielgenau hochaufgelöste Aufnahmen von unterschiedlichen inneren Bereichen eines Akkus zu erstellen (siehe Kasten rechts „Die doppelte Lupe”).

Akkus speichern elektrische Energie, indem sie diese in chemische Energie verwandeln – und bei Bedarf wieder zurück in elektrische. Sie sollen künftig die Motoren von Elektroautos mit Strom versorgen und als Pufferspeicher für überschüssigen Netzstrom dienen. Unabhängig davon, ob sich die Lithium-Ionen-Technologie oder eine andere letztlich als die beste Akku-Variante erweisen wird – die Batterien müssen eine möglichst große Energiedichte und einen hohen Wirkungsgrad besitzen, und die Zellen müssen leicht, langlebig und preisgünstig herzustellen sein.

Die Spitzencluster-Initiative „Industrialisierung der Elektromobilität” unterstützt die Forschung dazu. Denn die Weiterentwicklung der Akku-Technologie soll nicht den Forschern und Ingenieuren in Ostasien überlassen werden. Die Forschungsarbeiten an der HTW tragen maßgeblich zum Erfolg der Initiative bei. „Weil Akkus sonst mit physikalischen Messmethoden charakterisiert werden, wirkt unsere Methode auf viele Physiker fremd, und der Zuspruch ist bei ihnen weniger enthusiastisch als erhofft”, sagt Carmen Hafner, die in ihrer Diplomarbeit über dieses Thema geschrieben hat. Doch immerhin zeigen etliche Industrieunternehmen bereits großes Interesse. Hafner ist überzeugt, dass es ihr und ihren Mitstreitern gelingen wird, auch die Skeptiker unter den Werkstoffwissenschaftlern von den Vorteilen der bildlichen Materialanalyse zu überzeugen. Ästhetik spielt bei dem Verfahren eine große Rolle. „Wir machen Bilder, die schön sind – und gleichzeitig einen tiefen Einblick ins Innenleben der Akkus geben”, sagt Carmen Hafner. „Das schönste Bild ist das, auf dem am meisten zu sehen ist.” Das Objekt der Untersuchung muss mit einem aufwendigen Verfahren für die Mikroskopie vorbereitet werden: Die Forscher müssen die Akkus zunächst präzise aufschneiden, staubfrei halten und den Elektrolyt vollständig entfernen.

Regeln machen attraktiv

Während des Sommersemesters 2010 beschäftigte sich eine gemeinsame Arbeitsgruppe der Hochschule für Gestaltung in Schwäbisch Gmünd und der Aalener Hochschule für Technik mit den Akku-Bildern. Sie analysierte die Schwachpunkte und erarbeitete Vorschläge, wie sich die Bilder leichter verständlich, attraktiver und damit nützlicher für die Batterieforscher machen lassen. Ziel ist, die Bilder für die Sehgewohnheiten der Forscher maßzuschneidern. Gleichzeitig hilft das Projekt den Gmünder Nachwuchsdesignern, Darstellungsmethoden angemessen einzusetzen und sinnvolle Regeln dafür zu formulieren. Ein Bild lässt sich besser verstehen, wenn man sich ihm von zwei Seiten nähert. Die eine Seite umfasst das Motiv und seinen Kontext, die Absicht des Forschers und die Machart des Bildes. Die Bildwissenschaft nennt das „Repräsentationstheorie”. Zur anderen Seite gehören die gestalterischen Bildkonventionen, die festlegen, wie ein Bild aufgebaut sein sollte, damit es beim Betrachter die erhoffte Wirkung erzielt. Die Studenten haben sich mit diversen Akku-Bildern beschäftigt und sie so bearbeitet, dass sie die Gesetze der Wahrnehmung befolgen. Das Gesetz der Prägnanz etwa besagt, dass sich einfache, klar umgrenzte Formen gut erkennen lassen. Und das Gesetz der Ähnlichkeit erklärt, dass ähnliches Aussehen vom Betrachter mit einer ähnlichen Funktion verknüpft wird. Die Sehgewohnheiten verlangen, das Wesentliche von Randerscheinungen zu unterscheiden, außerdem müssen Kontrast, Proportion und Rhythmus stimmen.

Bei wissenschaftlichen Bildern wie den Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM) sind für Laien Motiv und Machart meist unbekannt. Der Zugang zum Bild gelingt bestenfalls über seine Ästhetik. Die ungewöhnlich gute Tiefenschärfe bei Aufnahmen mit dem REM entsteht, weil der Elektronenstrahl das Objekt zunächst Stück für Stück abtastet und die Software die Daten erst danach zu einem Bild zusammensetzt.

Dieses Verfahren kann keine Farben erkennen, wohl aber die chemische Zusammensetzung des Materials. Werden solche Bilder am Computer eingefärbt, können sie sehr ästhetisch wirken. Das zeigen die Abbildungen in diesem Beitrag. Für eine Beurteilung der Bilder ist es wichtig, die technische Seite – die „ Repräsentationsmechanismen” – zu kennen. Und man sollte wissen, was physikalisch und chemisch im Material zu erwarten ist – etwa, wie die molekularen Bestandteile des Lithium-Metalloxids in der Batterie wandern.

Ziel: bessere Produktion

Entscheidend ist, dass sich sichtbar machen lässt, was in den verschiedenen Bereichen eines Akkus geschieht. Davon erhoffen sich die Projektpartner aus Forschung und Industrie bessere Produktionsprozesse und -verfahren, um die Akkus leistungsfähiger und wirtschaftlicher machen. Die Ausgangsfrage von Carmen Hafners Diplomarbeit war, wie sich die ständige Beanspruchung, der „ Stress”, nach vielen Tausend Belade- und Entlade-Vorgängen auf Lithium-Ionen-Akkus auswirkt. Wie verändern sich Metalloxid, Separator und Stromleitungen, und was führt zum Ausfall des Akkus? Das Resultat: Die Alterungsprozesse zeigen sich an mehreren Stellen und sind je nach Herstellungsweise des Akkus verschieden. Der Separator löst sich in Schichten auf, er zerfällt oder es entstehen Verwachsungen. Die Dauerbelastung zeigt sich vor allem im Lithium-Metalloxid des Kathodenmaterials: Es birst wie ein ausgetrocknetes Flussbett.

Und die Bilder machen noch mehr sichtbar: Die Kapazität eines Akkus ist an der Menge des Kathoden- und Anodenmaterials ablesbar. Ist viel Metalloxid vorhanden, heißt das: Der Akku hat eine große Kapazität, kann also viel Energie speichern. Ein großer Querschnitt der Stromleiter aus Aluminium und Kupfer ist ein klarer Hinweis darauf, dass die Leistung des Akkus sehr schnell abgerufen werden kann. Solche Power-Zellen kommen zum Beispiel in Akku-Schraubern oder Bohrmaschinen zum Einsatz. In einem Handy steckt dagegen eine Energiezelle, die ihre Leistung über möglichst lange Zeit gleichmäßig abgibt.

Plastische Landschaften

Auch die Korngröße des Materials haben die Aalener Forscher untersucht – mit dem Ergebnis, dass sich keine Beziehung etwa zur Energiedichte ableiten lässt. Das REM zeigt die Materialzusammensetzung sehr detailliert. Über den Rückstreudetektor des Elektronenmikroskops, der die am Material gestreuten Partikel auffängt, lassen sich die Werkstoffe als plastische Landschaft erkennen und darstellen. Ein und dasselbe Material erscheint in verschiedenen Akkus ganz unterschiedlich. Doch das lässt bisher noch keine Rückschlüsse auf Leistungsfähigkeit oder Lebensdauer der Energiespeicher zu. Diesem Zusammenhang wollen Carmen Hafner und Timo Bernthaler nun im Rahmen eines Folgeprojekts auf die Spur kommen.

Die Forschung anhand von mikroskopischen Bildern steht erst am Anfang und wirft viele neue Fragen auf. So nehmen die Forscher Aspekte der Präparations- und Messmethodik sowie der Darstellungstechnik weiter ins Visier – zum Beispiel: Wie lassen sich Akku-Querschnitte möglichst schnell herstellen? Könnten Verfahren der Augmented Reality – die Kombination von echten Bilddaten und künstlich generierten illustrativen Elementen – den Zustand von Akkus deutlicher darstellen, indem sie etwa die lokale Konzentration von Ionen im Material hervorheben? Die Erkenntnisse der Materialforscher könnten die Entwicklung neuer Einsatzmöglichkeiten von Lithium-Ionen-Akkus beflügeln. Denkbar ist zum Beispiel, Akkus mit höchster Leistungsdichte auf die Größe eines Staubkörnchens zu schrumpfen, um damit winzige Sensoren für die Mikrotechnik mit Strom zu versorgen. Auch die Fertigung von Akkus könnte profitieren: Fehler im Herstellungsprozess werden sich künftig, so hoffen die Forscher aus Aalen und Schwäbisch Gmünd, direkt erkennen – und ausmerzen – lassen. ■

Ulrich Schendzielorz lehrt an der Hochschule für Gestaltung in Schwäbisch Gmünd Bildtheorie. Er hat die mikroskopischen Darstellungen aus Aalen 2009 bei einer Preisverleihung gesehen und kommentiert. Später entstand eine gemeinsame Arbeitsgruppe der Hochschulen in Aalen und Gmünd.

von Ulrich Schendzielorz