Das Prinzip Selbstorganisation

26.06.2015

Die Erfindung einer neuartigen Solarzelle machte aus Rita Tóth eine der 100 führenden Denkerinnen und Denker in der US-Zeitschrift "Foreign Policy". Die physikalische Chemikerin hielt dies zuerst für einen Scherz. Von Florian Fisch

(Aus "Horizonte" Nr. 105, Juni 2015)

Für die Nutzung der Kraft von "Mottenaugen" wurden die physikalische Chemikerin Rita Tóth von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt in Dübendorf bei Zürich (Empa) und vier weitere Wissenschaftler von  "Foreign Policy", einer US-Zeitschrift für Aussen- und Sicherheitspolitik, in die Liste der "100 Leading Global Thinkers" aufgenommen – in der Sparte Innovation. Ihre Leistung ist auch der internationalen Presse, darunter "The Economist" und "Le Monde", nicht entgangen.

Das Auswahlkomitee war beeindruckt vom neuen Solarzellentyp, den Tóth und
ihren Kollegen der Empa und der Universität Basel entwickelten. Dieser wandelt
Sonnenlicht direkt in hochkonzentrierte chemische Energie in Form von Wasserstoffgas um – eine Art Solartreibstoff. Damit könnte man Sonnenenergie nicht nur einfangen, sondern die Überschüsse auch speichern.

Wasserstoff von der Sonne

"Als wir den Brief von 'Foreign Policy' erhielten, dachten wir zuerst, es sei ein
Scherz", erinnert sich Tóth. Es war kein Scherz, und das Wissenschaftlerteam folgte
der Einladung zum exklusiven politischen Forum in einem luxuriösen Hotel
in Washington. Das bescheidene Auftreten von Tóth passt nicht zu jemandem, der im
gleichen Atemzug mit Bundeskanzlerin Angela Merkel genannt wird – interessanterweise ebenfalls eine ehemalige physikalische Chemikerin. Tóth ist klein, hat feine Züge und eine sanfte Stimme. Sie spricht über ihre Arbeit, als wäre nichts dabei.

Das Kernstück der Solarzelle ist eine daumennagelgrosse Glasscheibe mit einer
speziell beschichteten Oberfläche. Um deren Effizienz zu testen, wird die Scheibe in
ein grösseres, mit einer Salzlösung gefülltes Gefäss getaucht und von einer Sonnenlicht-Lampe angestrahlt.

Was auf der Glasscheibe wie abgeschliffen aussieht, ist in Wahrheit eine dünne
Schicht aus gerostetem Eisen und Wolfram. Negativ geladene Elektronen werden
durch Photonen des Sonnenlichts herausgeschlagen und hinterlassen positiv
geladene "Löcher". Die Kunst besteht nun darin, das Potenzial der Trennung auszunutzen, bevor die Elektronen wieder in die "Löcher" fallen. Beide müssen nämlich bis zur Oberfläche gelangen, um dort mit der Salzlösung zu interagieren, wobei Sauerstoff- und Wasserstoffgas entstehen. Mit den Gasen könnten Autos angetrieben oder Strom produziert werden.

"Die Neuheit unseres Ansatzes liegt in der Struktur der Beschichtung und somit
in unserer Verwaltung des Lichts", erklärt Tóth. Das Licht wird von weniger als einen
Tausendstel Millimeter breiten Kuppen aus gerostetem Wolfram eingefangen. Florent Boudoire, Doktorand in derselben Gruppe wie Tóth, hat herausgefunden, dass Mottenaugen nach dem gleichen Schema funktionieren. Damit können die Nachtfalter nach Sonnenuntergang besser sehen und gleichzeitig für Jäger weniger sichtbar sein – eine schöne Geschichte für Journalisten. "Wir können die Grösse der Kuppen ganz einfach anpassen und so die Streuung und das Einfangen von Licht regulieren»" sagt Tóth. Eine zusätzliche dünne Schicht aus gerostetem Eisen auf den Ausstülpungen steigert die Effizienz weiter.

Moleküle als Pfadfinder

Die Beherrschung der Bauweise, wie die der beschichteten Kuppen, ist Tóths Fachgebiet: "Mich interessiert die Selbstorganisation von Materialien." Damit arbeite
sie nach dem Bottom-Up-Ansatz, der im Gegensatz zum Top-Down-Ansatz, typisch
für die Herstellung von Computerchips, weniger komplex und teuer ist. "Beim Bottom-Up-Ansatz mischen wir einfach Dinge zusammen, und alles geschieht spontan", erklärt sie in ihrer bescheidenen Art.

Bei ihrem Schwerpunktthema kommt die ungarische Forscherin in Fahrt: "Die
Selbstorganisation ist allgegenwärtig und reicht von Vogelschwärmen und den Streifen von Zebras über menschliches Sozialverhalten bis hin zur Entstehung von
Galaxien. Selbstorganisation hat grosses Potenzial für Technologie und Wirtschaft."

Mit dem Prinzip brachte Tóth Moleküle dazu, beinahe magisch ihren Weg selbst
durch ein Labyrinth zu finden. Die Chemikerin hat mit kleinen Kanälen den Strassenverlauf der Budapester Innenstadt im Kreditkartenformat nachgebaut. Eine Spezialmischung aus basischen und sauren Chemikalien in den Kanälen erzeugt einen Fluss, der automatisch einen Farbstoff in den Kanal zieht und damit den kürzesten Weg zwischen Uni und Pizzaladen sichtbar macht. Der entsprechende Bericht wurde 2014 zum meistgelesenen Artikel in der namhaften Fachzeitschrift "Langmuir".

Sesshaft in der Mitte

Selbstorganisation ist auch ein passendes Motto für Tóths Wissenschaftskarriere. Um
in der Nähe ihrer Familie zu sein, entscheidet sie sich für ein Studium an der Universität Debrecen im Osten Ungarns. Zur ihrer Masterarbeit sagt die physikalische Chemikerin: "Eigentlich hat mich die Wahl meines Supervisors zum Thema geführt."

Als die Zeit kommt, das Vereinigte Königreich zu verlassen, lockt einerseits
die Brandeis-Universität mit einer Stelle in Amerika, andererseits die Schweiz, wo ihr
britischer Lebensgefährte eine Anstellung in der Pharmaindustrie gefunden hat. Die
Wahl liegt auf der Hand: "Die Schweiz liegt ziemlich genau zwischen unseren
Familien."


Der Biologe Florian Fisch ist Wissenschaftsredaktor des SNF.