Für die Elektromobilität, die Stabilisierung von Stromnetzen und viele weitere Anwendungen der Elektrifizierung sind leistungsstarke Batterien unverzichtbar. Weit verbreitet sind heute Lithium-Ionen-Batterien, aber die Batterien der Zukunft müssen leistungsfähiger sein, langsamer altern und leichter werden. Wie eine der größten Fehlerquellen im Quantencomputing dafür sinnvoll genutzt werden kann, untersucht Marvin Gajewski. Er ist Doktorand am DLR-Institut für Technische Thermodynamik und Mitglied des BASIQ-Projekts. Im Interview spricht er über die aktuelle Publikation mit Alejandro Somoza, Michael Marthaler von HQS Quantum Simulations und BASIQ-Leiter Birger Horstmann. Darin zeigen die Forscher, wie sie Quantenrauschen gezielt für die Simulation von Batteriematerialien nutzen.
Wieso begeistert dich die Optimierung von Batterien?
Batterien sind der Schlüssel zur Energiewende und zur Elektromobilität. Ich will an etwas forschen, das einen konkreten gesellschaftlichen Nutzen hat. Und Praxisnähe ist für mich wichtig. Im Algorithmik-Team beschäftigen wir uns sehr stark mit der konkreten technischen Anwendung, dadurch bekommt man Einblicke in viele verschiedene Bereiche des Quantencomputings. Die DLR QCI bietet dafür ideale Voraussetzungen: Wir arbeiten eng mit Hardwareherstellern zusammen und können die Entwicklung der Technologie unmittelbar verfolgen. Besonders spannend finde ich auch die Zusammenarbeit mit Industriepartnern wie HQS. Ich lerne viel darüber, wie Forschung und Industrie zusammenarbeiten. Es ist ein Privileg, in diesem Umfeld zu promovieren.
BASIQ – Batteriematerial-Simulation mit Quantencomputern
BASIQ simuliert Batteriematerialien auf atomistischer Ebene und Batteriezellen auf Kontinuumsebene mit Quantencomputern der DLR Quantencomputing-Initiative und passt die Quantensimulation an spezifische Hardware an.
Welche Erkenntnisse habt ihr kürzlich in der Fachzeitschrift Nature publiziert?
In unserer Publikation untersuchen wir die Dynamik von Elektronen, also den Elektronentransfer. Dafür haben wir einen Algorithmus entwickelt, mit dem wir verfolgen können, wie sich Elektronen durch ein Material bewegen. Wir zeigen, dass dieser Ansatz auf realer Quantenhardware funktioniert. Die zentrale Idee unseres Papers besteht dann darin, das Rauschen auf dem Quantencomputer gezielt auszunutzen: Rauschen, also Rechenungenauigkeiten, gilt im Quantencomputing normalerweise als eine der größten Herausforderungen, weil es zu Fehlern führt. Die zentrale Idee unseres Papers besteht darin, das Rauschen gezielt auszunutzen und es als Ressource zu betrachten.
Ein idealer Quantencomputer ohne Rauschen wäre ein abgeschlossenes System, in dem beispielsweise Energie erhalten bleibt. Reale Batterien sind jedoch offene Systeme. Dort treten Wärmeverluste, Reibungseffekte und andere Wechselwirkungen mit der Umgebung auf. Durch das Rauschen wird auch ein Quantencomputer zu einem offenen System. Vereinfacht gesagt kann man das Rauschen mit Energieverlust der Batterie vergleichen. Mathematisch lassen sich beide Situationen mit demselben Formalismus beschreiben. Wir haben also einen Algorithmus entwickeln, der das Rauschen als Feature statt als Fehlerquelle nutzt und jetzt die Ergebnisse im Nature Journal veröffentlicht.
Was sind die größten Herausforderungen bei der Simulation von Batterien?
Simulation helfen, Experimente gezielter einzusetzen, denn experimentelle Daten allein sagen oft noch wenig aus. Häufig verstehen wir erst durch geeignete Modelle, welche physikalischen Prozesse hinter den gemessenen Werten stecken. Eine unserer größten Herausforderungen liegt an den Grenzschichten der Batterien, also beispielsweise an der Oberfläche zwischen Elektrodenmaterial und Elektrolyt. Prozesse an solchen Oberflächen sind mit klassischen Simulationsmethoden nur schwer aufzulösen. Gleichzeitig gibt es dort noch viele physikalische Vorgänge, die wir nicht vollständig verstehen. Genau an diesen Fragestellungen arbeitet unsere Gruppe. Unsere Erkenntnisse teilen wir mit der Industrie, wo Batterien entwickelt und produziert werden.
Welche Materialien sind derzeit besonders interessant?
Aktuell stehen Lithium-Ionen-Batterien weiterhin stark im Fokus. Dabei geht es oft darum, verschiedene Zusatzstoffe und Materialkombinationen zu optimieren. Gleichzeitig wird intensiv an völlig neuen Batteriekonzepten geforscht, beispielsweise auf Basis von Natrium oder Lithium-Metall-Systemen. Solche Alternativen können Vorteile hinsichtlich Verfügbarkeit, Lieferketten und Nachhaltigkeit bieten. In den letzten Jahren spielen zudem geopolitische Aspekte bei der Materialauswahl eine immer größere Rolle.
Was nimmst du aus deiner Arbeit in den Alltag mit?
Seit ich weiß, wie Batterien funktionieren, denke ich tatsächlich häufiger darüber nach, mein Handy rechtzeitig aufzuladen. Generell gilt: Für viele Akkus ist ein Ladezustand zwischen etwa 20 und 80 Prozent besonders schonend. Deshalb achte ich darauf, dass mein Akku nicht komplett leer wird. Das verlängert die Lebensdauer der Batterie.
