von FRANK FRICK
Als „Wundermaterial“, für dessen Entdeckung Andre Geim und Konstantin Novoselov 2010 den Nobelpreis erhielten, stand Graphen schon häufig im Fokus von Medien und Öffentlichkeit. Es besteht aus einer einzigen ultradünnen Schicht von Kohlenstoff-Atomen, die ein wabenförmiges Muster von Sechsecken bilden (siehe bild der wissenschaft 12/2019, „Dünn, durchsichtig, fest, formbar, leitfähig – wundersam“). Die Europäische Union (EU) förderte die Initiative „Flaggschiff Graphen“ in den letzten zehn Jahren mit insgesamt einer Milliarde Euro.
Zum Flaggschiff gehören elf „Speerspitzen-Projekte“ – industriegeführte Projekte, die Graphen-basierte Technologien weiter in Richtung Marktreife bringen sollen. So hat ein Konsortium aus griechischen und italienischen Universitäten sowie jungen Unternehmen Solarmodule entwickelt, die Graphen enthalten. Diese Solarmodule haben bei Freilufttests in Heraklion auf Kreta nach Angaben des Konsortiums „in den ersten neun Betriebsmonaten eine bemerkenswerte Leistung und Stabilität erreicht.“ Andere Speerspitzen-Projekte arbeiten beispielsweise an Filtersystemen für Passagierflugzeuge, Sensoren für selbstfahrende Autos oder optischen Sendeempfängern für die Datenübertragung. Doch trotz aller Vorschusslorbeeren und Forschungsaktivitäten wartet Graphen noch auf den großen Durchbruch.
Unverzichtbar für die Verkehrswende
Derweil kennen oft nur Fachleute die enorme industrielle Bedeutung von Graphit und Carbon Black – zwei weitere Formen des Kohlenstoffs. „Graphit ist einer der Schlüsselrohstoffe für die Verkehrswende“, urteilte etwa die Deutsche Rohstoffagentur Ende 2021. Denn das Material ist in Lithium-Ionen-Batterien der Bestandteil mit dem größten Volumen. Diese Batterien fahren als Energiespeicher in jedem Elektroauto mit. Und über Carbon Black, dessen deutsche Bezeichnung „Industrieruß“ zunächst an Dreck und Schornsteine denken lässt, schrieb das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) im Frühling 2022: „Carbon Black ist ein Hightech-Produkt, das beispielweise in der Farbindustrie, im Leichtbau und in der Polymer- oder Elektronikindustrie eingesetzt wird.“ Das Material verstärkt den Gummi von Autoreifen, Schläuchen und Förderbändern. Und es schwärzt Druckfarben, Tusche und Kunststoffe.
Carbon Black, von dem mehr als 100 unterschiedliche Sorten bekannt sind, besteht aus überwiegend kugelförmigen Teilchen, deren Größe und Eigenschaften vom Herstellungsverfahren abhängen. Meistens sind die Teilchen kleiner als 300 Nanometer. Die Kohlenstoff-Atome darin sind weitgehend ungeordnet. Dagegen besitzt Graphit eine geordnete dreidimensionale Struktur. Durch schwache Bindungskräfte werden die Schichten zusammengehalten, die jede für sich wie Graphen aufgebaut sind. Diese Struktur ist wesentlich dafür, dass Graphit der Hauptbestandteil in mehr als 95 Prozent aller Anoden in Lithium-Ionen-Akkus ist. Denn Graphit lagert die Lithium-Ionen beim Laden zwischen seine Schichten ein und zwingt die Ionen dabei, bestimmte Plätze einzunehmen. Dadurch beeinflussen zahlreiche Lade- und Entladevorgänge die Leistungsfähigkeit des Akkus vergleichsweise wenig.
