Am 8. November 2026, hier an der RWTH Aachen, reicht der Blick von magnetischen Nanopartikeln bis zu den Eisschilden der Antarktis: Der Helmholtz-Promotionspreis würdigt herausragende Forschungsleistungen von Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftlern. Ausgezeichnet wurden elf Arbeiten, die ziemlich unterschiedliche Fragen stellen – und trotzdem oft an sehr konkreten Problemen landen: Wie lässt sich eine Batterie sicherer machen? Wie erkennt man Gasblasen im Elektrolyseur? Oder wie liest man aus geologischen Spuren das Klima vergangener Jahrtausende?

Timur Bikulov vom Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen entwickelte die theoretische Beschreibung nichtlinearer magnetischer Frequenzmischungseffekte weiter. Daraus entstand eine neue Messmethode zur präzisen Charakterisierung magnetischer Nanopartikel. Sie untersucht die nichtlineare Reaktion an einem besonders aussagekräftigen Messpunkt und erreicht dadurch eine höhere Auflösung als etablierte Verfahren. Ein kompaktes Laborgerät kann unter anderem die Verteilung magnetischer Kerngrößen und das Relaxationsprofil bestimmen. Das hilft bei der Qualitätssicherung und der Weiterentwicklung biomedizinischer Nanopartikel-Technologien.

Was an Lithium-Grenzflächen passiert

Katrin Geng vom Karlsruher Institut für Technologie und dem Helmholtz-Institut Ulm beschäftigte sich mit der Grenzfläche zwischen Lithium und festen Polymerelektrolyten in Lithium-Metall-Batterien. Sie entwickelte und validierte ein Verfahren, mit dem sich der Ladungstransferwiderstand bestimmen lässt, und analysierte, wie er die reversible Abscheidung und Auflösung von Lithium beeinflusst. Außerdem klärte sie, wie die mechanischen Eigenschaften des Polymerelektrolyten Form und Struktur der Lithiumabscheidung verändern.

Das klingt nach einem Detail, ist für die Batterie aber ein ziemlicher Knackpunkt. Lithium-Metall-Batterien gelten als mögliche Schlüsseltechnologie für Hochleistungsbatterien, weil sie eine höhere Energiedichte als heutige Lithium-Ionen-Batterien erreichen könnten. Vollständig ausgereift ist die Technologie noch nicht; eingesetzt wird sie bislang nur in wenigen Pilotprojekten.

Eine Studie von Wissenschaftlern des MEET Münster vom 27.05.2020 nahm deshalb die Grenzfläche zwischen Lithium-Metall-Anoden und polymeren Elektrolyten genauer unter die Lupe. Im Mittelpunkt standen Benetzungsphänomene an unebenen Lithium-Elektrodenoberflächen und deren Folgen für die elektrochemische Leistung. Lithium-Metall-Anoden besitzen mikroskopische Defektstellen, die bei Herstellung und Bearbeitung sowie beim Abscheiden und Auflösen von Lithium entstehen können. Werden diese Stellen gut vom Elektrolyten benetzt, bildet sich eine homogene Grenzfläche mit großer aktiver Oberfläche. Überspannungen lassen sich dadurch reduzieren – also jene Spannungen, die den Elektrolyten zersetzen oder eine unkontrollierte Lithium-Keimbildung auslösen können.

Hier könnte Ihr Advertorial stehen
Ein Advertorial bietet Unternehmen die Möglichkeit, ihre Botschaft direkt im redaktionellen Umfeld zu platzieren

Flüssige Elektrolyte erreichen solche Defektstellen nahezu vollständig. Polymere Festkörperelektrolyte müssen dagegen eine gleichmäßige Schnittstelle zwischen zwei festen Materialien bilden. Entscheidend ist dabei der viskoelastische Anteil: Je verformbarer der Elektrolyt, desto besser kann er Unebenheiten und Defektstellen ausfüllen. Für ihre Untersuchungen erzeugten die Forscher künstliche Defektstellen und ahmten damit raue Lithium-Oberflächen nach. Sie veränderten die Krümmung der Oberflächenkanten und prüften, wie sich das auf Benetzung und Lithium-Abscheidung auswirkt.

Die Oberflächenkrümmung beeinflusst die Lithium-Keimbildung, die elektrochemischen Eigenschaften, die Impedanz der Zellen, die Lithium-Abscheidung und die Bildung von Oberflächenschichten an der Lithium-Polymer-Grenzfläche. Eine inhomogene Abscheidung kann die Sicherheit der Batterie beeinträchtigen. Leistung und Sicherheit hängen also an einer Oberfläche, die man mit bloßem Auge nicht einmal sehen würde. Weitere Untersuchungen zu Oberflächenkrümmungen und ihren Auswirkungen auf die Lithium-Abscheidung unter unterschiedlichen Bedingungen sind nötig.

An der Studie beteiligt waren Mengyi Zhang, Jens Becking, Marian Cristian Stan, Peter Bieker, Martin Kolek, Martin Winter und Arthur Lenoch vom Institut für Physikalische Chemie. Veröffentlicht wurden die Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“; der Artikel ist im Open Access auf Englisch und später auch auf Deutsch verfügbar. Gengs Ergebnisse liefern Grundlagen für sicherere und leistungsfähigere Lithium-Metall-Batterien.

Teilchen, Turbinen und ein digitales Muskelmodell

Laurids Jeppe von DESY und der Universität Hamburg analysierte Daten des CMS-Experiments am CERN. Er bestimmte erstmals den Wirkungsquerschnitt der Top-Quark-Antiquark-Erzeugung bei 13,6 Teraelektronenvolt und war maßgeblich an der erstmaligen Beobachtung von Toponium beteiligt – einem kurzlebigen Top-Quark-Antiquark-System. Zusätzlich suchte er nach Higgs-ähnlichen Teilchen. Sie könnten Hinweise auf Physik jenseits des Standardmodells und auf Verbindungen zur Dunklen Materie liefern. Seine Arbeit ermöglicht präzise Tests des Standardmodells sowie Untersuchungen der starken Wechselwirkung bei schweren Quarks.

Maximilian Mennicken vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt und der Universität der Bundeswehr München entwickelte eine Methode, mit der sich Lufteinlauf und Schuberzeuger bei integrierten Flugzeugantrieben früh gemeinsam auslegen lassen. Dafür verknüpfte er etablierte Simulationsverfahren mit einem neuen Vorauslegungsansatz und berücksichtigte ungleichmäßige Anströmung ebenso wie aerodynamische und mechanische Belastungen. Das soll Antrieb und Fluggerät besser aufeinander abstimmen und robustere, effizientere Antriebssysteme ermöglichen.

Israel Ibukun Olaniyan vom Helmholtz-Zentrum Berlin und der Freien Universität Berlin fertigte Nanostrukturen aus bleifreiem, ferroelektrischem Bariumtitanat auf Silizium. Er wies erstmals wirbelartige Polarisationszustände mit bestimmtem Drehsinn nach und zeigte, dass sich diese Zustände durch elektrische Impulse reversibel umschalten lassen. Mehrere unterscheidbare Polarisationszustände erzeugte er für mögliche analoge Speicher. Zusätzlich untersuchte er den Einfluss von UV-Licht auf Polarisation und Kristallstruktur der dünnen Schichten. Daraus ergeben sich Grundlagen für kompakte und energiesparende Speicher, Schalter und Sensoren auf Siliziumbasis.

Pia Rautenstrauch vom Max Delbrück Center und der Humboldt-Universität zu Berlin entwickelte das Deep-Learning-Modell „liam“. Es integriert verschiedene molekulare Datenebenen aus Einzelzellanalysen und liefert auch bei schwankender Datenqualität und fehlenden Messungen robuste Ergebnisse. Rautenstrauch zeigte allerdings auch eine Schwachstelle in der Auswertung: Eine verbreitete Bewertungsmetrik kann selbst dann gute Ergebnisse anzeigen, wenn die Datenintegration gescheitert ist. Sie entwickelte Ansätze für aussagekräftigere Vergleiche und wirkte an einem „digitalen Zwilling“ der Muskelentwicklung mit, der bei der Erforschung angeborener Muskelerkrankungen helfen soll. Ihre Arbeit unterstützt die zuverlässige Auswertung von Einzelzelldaten und die Suche nach krankheitsrelevanten Veränderungen außerhalb proteincodierender Genabschnitte.

Wasserstoff, Tritium und ein Eisarchiv

Hannes Rox vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und der TU Dresden untersuchte erstmals gleichzeitig die Verteilung von Gasblasen auf Elektroden und elektrochemische Kenngrößen bei der Wasserelektrolyse. Er entwickelte einen membranfreien alkalischen Elektrolyseur ohne PFAS-Materialien. Eine gezielte Strömungsführung trennt darin Wasserstoff und Sauerstoff. Elektroden mit unterschiedlich benetzbaren Bereichen verhindern, dass Gasblasen den Katalysator blockieren. Dadurch sinkt die erforderliche Zellspannung – ein Schritt hin zu energieeffizienterer Wasserstoffproduktion und nachhaltigeren Elektrolysetechnologien.

Johanna Wydra vom Karlsruher Institut für Technologie bestimmte erstmals die Viskosität von molekularem Tritium im Temperaturbereich von 100 bis 300 Kelvin. Dafür entwickelte und validierte sie eine Messapparatur für radioaktives Tritium bei tiefen Temperaturen. Die Daten helfen bei der Modellierung und Überwachung von Tritiumkreisläufen in Fusionsanlagen und können systematische Unsicherheiten im KATRIN-Experiment zur Bestimmung der Neutrinomasse verringern. Die Messinfrastruktur lässt sich außerdem zur Untersuchung verschiedener Gase und Gasgemische in der Industrie einsetzen.

Tainã Marcos Lima Pinho vom Alfred-Wegener-Institut und der Universität Bremen rekonstruierte anhand geologischer Klimaindikatoren die Entwicklung des ostantarktischen Eisschilds während der vergangenen 75.000 Jahre. Dabei untersuchte er Wechselwirkungen mit dem Südlichen Ozean und dem