R&D 100 Awards würdigen Innovationen des Berkeley Lab

May 20, 2024

Vier innovative Technologien des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des US-Energieministeriums (DOE) wurden mit einem 2023 R&D 100 Award ausgezeichnet. Der vom R&D Magazine verliehene und von einer unabhängigen Jury ausgewählte Preis würdigt die 100 innovativsten und bahnbrechendsten Technologieprodukte des Jahres aus Industrie, Wissenschaft und staatlich geförderter Forschung. Zum ersten Mal verlieh das R&D Magazine in diesem Jahr Professional Awards an Einzelpersonen und Teams. In dieser neuen Kategorie erhielt Ashok Gadgil die Auszeichnung „R&D Leader of the Year 2023“ und das Team „Energy Management System“ erhielt die Auszeichnung „R&D Team of the Year 2023“.

Die Gewinnertechnologien des Berkeley Lab verbessern Forschungsinstrumente, erzeugen grünen Wasserstoff, stellen Softwaretools für die Materialentdeckung bereit und ermitteln die Zukunft von Ladestationen für Elektrofahrzeuge. Die Gewinnerteams werden am 16. November 2023 beim R&D 100-Galabankett in San Diego gefeiert.

Nachfolgend finden Sie Beschreibungen der Technologien:

Der Aufbau der nächsten Generation von Quantentechnologien beginnt mit dem Verständnis, wie neuartige Materialien im Nanomaßstab funktionieren. Während Forscher mithilfe von Elektronenspektroskopie- und Mikroskopiegeräten die Struktur und Zusammensetzung dieser Materialien „sehen“ können, wird ihre Auflösung durch ein Phänomen namens „Energieausbreitung“ des untersuchenden Elektronenstrahls beeinträchtigt. Forscher des Berkeley Lab haben den Cryo-FE erfunden, einen neuartigen Elektronenemitter, der diesen Effekt um das Zehn- bis Zwanzigfache reduziert. Das Gerät besteht aus einer supraleitenden Nanospitze, die resonante Quantenzustände, die sich an der Spitze bilden, und die Kryotemperaturen nutzt, um einen Elektronenstrahl mit einer beispiellos engen Energieverteilung zu erzeugen. Die Emission des Cryo-FE kann mit einem angelegten elektrischen Feld abgestimmt werden, um einen extrem monochromatischen, hellen und kohärenten Elektronenstrahl zu erzielen, der die besten derzeit verfügbaren Technologien übertrifft. Dieser Fortschritt kann neue Entdeckungen in der Materialwissenschaft und neuartige hochauflösende Werkzeuge für Spektroskopie und Mikroskopie ermöglichen.

Die Entwicklung wurde von Alexander Stibor und Cameron Johnson durchgeführt.

Wasserstoff als neuer Kraftstoff ist entscheidend für die Dekarbonisierung unserer Wirtschaft und die Reduzierung unserer Umweltbelastung. Bei vielen Prozessen zur Herstellung von Wasserstoff entsteht jedoch auch Kohlendioxid (CO2), ein bekanntes Treibhausgas. Ein Team von Forschern des Berkeley Lab hat einen Prozess namens Methanpyrolyse verbessert, um Wasserstoff und Kohlenstoff ohne CO2-Emissionen herzustellen. Die Forscher entwickelten einen ternären Flüssigmetallkatalysator für die Methanpyrolyse. Ihr neuer „Multikatalysator“ könnte gleichzeitig mit hoher Effizienz, Selektivität und Haltbarkeit für die Methanpyrolyse bei milden Temperaturen (450–800 °C) arbeiten. Am wichtigsten ist, dass dieser neue Katalysator leicht aus unedlen Metallelementen hergestellt werden kann, was ihn sowohl skalierbar als auch kostengünstig für den industriellen Einsatz macht. Die Technologie wurde in den USA zum Patent angemeldet (Homogeneous Ternary Liquid Metal System for Clean Hydrogen Production – Intellectual Property Office) und das grundlegende wissenschaftliche Verständnis wurde in der Zeitschrift Science akzeptiert.

Zum von Ji Su geleiteten Entwicklungsteam gehören Luning Chen, Shuchen Zhang, Zhigang Song, Gabor A Somorjai, Miquel Salmeron, David Prendergast, Chaochao Dun, Jeff Urban, Jinghua Guo, Xinxin Peng, Yu-Chun Chuang, Chung-Kai Chang und Jeng -Lung Chen

Von der Mikroelektronik bis zur Umweltverschmutzung ermöglicht die Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) Forschern die Charakterisierung von Strukturen im atomaren Maßstab. Die neue Generation von 4-dimensionalen STEM-Detektoren (4D-STEM) erzeugt Datensätze aus Millionen von Bildern, die mit Informationen über Materialeigenschaften wie lokale Struktur, Phase, Orientierung und Verformung gefüllt sind. Dies ist eine Fülle an Informationen, aber auch eine Herausforderung bei der Analyse. Wissenschaftler des Berkeley Lab haben ein Softwaretool entwickelt, das mehrere Analysetools mit Deep-Learning-Algorithmen kombiniert, um diese Fülle an Informationen nutzbar zu machen. Das Open-Source-Softwaretool py4DSTEM ermöglicht dem Benutzer die Wahl zwischen verschiedenen Charakterisierungsmodi und bietet Wege für eine effektive Analyse. Mit diesem neuen Tool können Forscher ihre Forschung zu Materialien für die nächste Technologiegeneration beschleunigen.

Zum Entwicklungsteam unter der Leitung von Colin Ophus gehören Benjamin Savitzky, Steven Zeltmann, Alexander Rakowski, Stephanie Ribet und Georgios Varnavides.

Während die Dekarbonisierung des Transportsektors voranschreitet, fragen sich Regierungsbehörden, Verkehrsplaner, private Praktiker für saubere Energie und Fahrer von Elektrofahrzeugen mittlerer und schwerer Nutzlast (MHD), welche Art von Infrastruktur benötigt wird und wo sie benötigt wird. Wissenschaftler des Berkeley Lab haben ein Tool entwickelt, das bei der Beantwortung dieser und verwandter Fragen hilft: Medium- und Heavy-Duty Electric Vehicle Infrastructure – Load Operation and Deployment (HEVI-LOAD). HEVI-LOAD ist ein Softwaretool, das hilft, den Bedarf von MHD-Elektrofahrzeugen vorherzusagen. Zu seinen Prognosen gehören Anforderungen an das Stromnetz und die Ladeinfrastruktur wie Art, Anzahl und Standort von Ladestationen für den Bundesstaat Kalifornien und darüber hinaus. Die Daten werden in einer Dashboard-Anwendung visualisiert und präsentiert, die es dem Benutzer ermöglicht, große und kleine Ergebnisse bis auf Kreisebene anzuzeigen. Das Tool wurde von der California Energy Commission und dem Analyseprogramm des Vehicle Technology Office des US-Energieministeriums unterstützt.

Zum von Bin Wang geleiteten Entwicklungsteam gehören Wanshi Hong, Cong Zhang, Fan Tong und Douglas Black.

Neben der Anerkennung der 100 innovativsten und bahnbrechendsten Technologien des Jahres verlieh das R&D Magazine dieses Jahr auch die R&D 100 Professional Awards. Mit dieser Auszeichnung werden außergewöhnliche Führungskräfte und Teams für ihre Leistungen in Forschung und Entwicklung geehrt. Ein Team und ein Wissenschaftler des Berkeley Lab wurden dieses Jahr mit dieser Auszeichnung ausgezeichnet.

Ashok Gadgil erhält die Auszeichnung „R&D Leader of the Year“ für sein mehr als 30-jähriges Engagement bei der Entwicklung technologischer Innovationen für sauberes Trinkwasser, saubere Luft, nachhaltige Energie und eine Verringerung der Kindersterblichkeit. Seine Arbeit hat im Laufe der Jahre der Gesundheit und Würde ressourcenarmer Gemeinschaften geholfen. Neben seiner innovativen Arbeit hat er unermüdlich daran gearbeitet, seine Lösungen national und international umzusetzen. Im Laufe seiner Karriere hat er zahlreiche Studenten betreut, eine nationale Laborforschungsabteilung geleitet, eine binationale Forschungsorganisation für saubere Wasser-Energie-Technologie geleitet, ein universitäres Entwicklungs-Impact-Lab geleitet und Kurse an der UC Berkeley entwickelt und unterrichtet.

Das Energy Management Systems Team erhält von R&D World die Auszeichnung „R&D 100 Professional Team of the Year“ für seine kontinuierlichen internationalen Bemühungen, Geschäftspraktiken im Energiemanagement im kommerziellen, produzierenden und institutionellen Bereich voranzutreiben. Das Team hat gemeinsam auf den Stärken der anderen aufgebaut, um in ihren jeweiligen Bereichen tiefgreifende Auswirkungen zu erzielen. Durch die Nutzung ihrer vielfältigen akademischen und persönlichen Hintergründe hat das Team ein technisches Programm entwickelt, das Menschen erreicht, die in allen Wirtschaftszweigen arbeiten. Das Team hat internationale Standards veröffentlicht, Originalforschungen durchgeführt, technische Hilfe für Organisationen auf der ganzen Welt bereitgestellt, professionelle Zertifizierungsprogramme für Arbeitskräfte entwickelt und mit Organisationen des privaten und öffentlichen Sektors zusammengearbeitet, um die Einführung von Energiemanagement-Geschäftspraktiken zu beschleunigen. Die Ressourcen und Praktiken des Teams wurden von Zehntausenden von Organisationen weltweit übernommen, darunter große und kleine Hersteller, regionale Krankenhausgruppen, Regierungsbehörden, Schulen und Universitäten sowie Unternehmens- und Boutique-Hotelketten. Weitere Informationen zu den Geschäftspraktiken von Energiemanagementsystemen finden Sie unter 50001Ready.lbl.gov.

Zum Team gehören Amy Pevzner, Ana Comesaña, Arian Aghajanzadeh, Bunmi Adesola, Christopher Payne, Graziella Siciliano, Heidi Fuchs, Natalie Sherman, Nick Karki, Paul Sheaffer, Peter Therkelsen, Prakash Rao, Rory Schmick, Sergio Dias, Vestal Tutterow und Vi Rapp , William Miller.

Für Informationen zur Lizenzierung der oben genannten Technologien wenden Sie sich bitte an [email protected].

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Das Lawrence Berkeley National Laboratory und seine Wissenschaftler wurden 1931 mit der Überzeugung gegründet, dass die größten wissenschaftlichen Herausforderungen am besten von Teams bewältigt werden können, und wurden mit 14 Nobelpreisen ausgezeichnet. Heute entwickeln Forscher des Berkeley Lab nachhaltige Energie- und Umweltlösungen, schaffen nützliche neue Materialien, erweitern die Grenzen der Computertechnik und erforschen die Geheimnisse des Lebens, der Materie und des Universums. Wissenschaftler aus der ganzen Welt verlassen sich für ihre eigenen wissenschaftlichen Entdeckungen auf die Einrichtungen des Labors. Berkeley Lab ist ein nationales Multiprogrammlabor, das von der University of California für das Office of Science des US-Energieministeriums verwaltet wird.

Das Office of Science des DOE ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter energy.gov/science.