Wenn man über Elektrofahrzeuge spricht, denken die meisten Menschen zuerst an futuristische Designs. Doch der Erfolg der Elektroautos beruht auf einer Innovation, die weit weniger Schlagzeilen macht und eher hinter den Kulissen stattfindet: dem jahrelangen, inkrementellen Fortschritt in der Batterietechnologie.
Moderne Lithium-Ionen-Batterien – dieselbe Technologie, die auch in Smartphones und Solaranlagen zum Einsatz kommt – haben den Weg in eine nachhaltigere Zukunft der Energieversorgung gewiesen. Die heutigen Fahrzeuge mit Lithium-Ionen-Antrieb überzeugen durch eine hohe Reichweite und bessere Ladezeiten, und das zu erschwinglichen Preisen.
Aber was wäre, wenn die nächste Generation von Batterien nicht nur ein Schritt nach vorne wäre, sondern gleich ein ganzer Sprung? Wenn sich die Batterieleistung über Nacht verdoppeln oder vervierfachen ließe – und damit die Ladekapazität erhöht, die Lebensdauer der Batterie verlängert, der Energieverlust durch Wärme verringert und die Kosten drastisch gesenkt werden könnten? Dann wären die Folgen allein schon für den Transport bahnbrechend.
Mercedes will erreichen, dass Plug-in-Hybrid- oder reine Elektrofahrzeuge in 10 Jahren mehr als die Hälfte seiner Autoverkäufe ausmachen
IBM möchte seinen ersten Quantencomputer mit mehr als 1.000 Qubits in 3 Jahren vorstellen
Die Ingenieure der Daimler AG, der Muttergesellschaft von Mercedes-Benz, gehen davon aus, dass der nächste große Schritt in Richtung von Batterietechnologien mit einer höheren Energiedichte gehen könnte – möglicherweise Lithium-Schwefel-Batterien (Li-S). Die Entwicklung und Perfektionierung dieser hypothetischen Batterien könnte „ein Milliardengeschäft freisetzen“, sagt Benjamin Boeser, Director of Innovation Management, Silicon Valley bei Mercedes-Benz R&D North America. Aber der Weg vom Entwurf hin zu einer kommerziell nutzbaren Li-S-Batterie ist im Grunde ein gigantisches chemisches Experiment – eine Forschungsinitiative, die Jahre an Zeit, Geld und technischem Know-how verschlingen könnte.
Im Idealfall ist es sinnvoller, diese Mengen an molekularen Eigenschaften und Verhaltensweisen am Computer zu simulieren und vielversprechende Optionen genauer zu untersuchen und zu analysieren, bevor man mit der Herstellung von Prototypen beginnt. Aber genau da liegt der Haken. Selbst bei einfachen Molekülen wie Koffein – einem beliebten Energielieferanten für den Menschen, der lediglich aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff besteht – kann die Anzahl der Quantenzustände im Molekül, also der Elektronen, die innerhalb des Systems der vier Grundelemente in Wechselwirkung zueinander stehen, enorm sein.
Schon die Simulation eines einzigen Koffeinmoleküls kann den Speicher und die Rechenleistung eines jeden klassischen Computers überfordern – selbst der leistungsfähigsten, raumfüllenden Supercomputer von heute. Je größer und komplexer ein Molekül und seine Umgebung sind, desto schwieriger wird dieser Prozess.
Hier kommt der Quantencomputer ins Spiel – eine neue Technologie, deren Entwicklung bei IBM derzeit stark vorangetrieben wird. Beim Quantencomputing werden einige sehr abstrakte physikalische Theorien in eine völlig neue Art von Rechenleistung extrahiert, die scheinbar speziell dafür entwickelt wurde, um Probleme von einst unlösbarer Komplexität zu bewältigen. Anstelle von magnetischen „Bits“, die Nullen und Einsen repräsentieren, stützt sich das Quantencomputing auf „Qubits“, die dank einiger sehr merkwürdiger quantenmechanischer Phänomene mehr Informationen darstellen können als ein klassisches Bit. Mit jedem zusätzlichen Qubit verdoppelt sich die Leistung eines Quantencomputers – ein exponentieller Anstieg seiner Fähigkeit, Algorithmen von einst unlösbarer Komplexität auszuführen.
Die dem Quantencomputing zugrundeliegende Physik ist zwar schwindelerregend, aber der zentrale Vorteil liegt auf der Hand: das bahnbrechende Potenzial, die riesigen Rechenvolumen, die für eine genaue Simulation der Bausteine der Natur erforderlich sind, schnell durchzuführen.
Ein Hauptziel der Molekularsimulation ist es, den „Grundzustand“ einer Verbindung zu finden – also ihre stabilste Konfiguration. Qubits selbst funktionieren nach den Gesetzen der Quantenmechanik, genau wie die Moleküle, die die Forscher simulieren müssen. Obwohl die Qubits noch in den Kinderschuhen stecken, sollte sich ihre Stabilität mit der Zeit deutlich verbessern. Man hofft, dass Quantencomputer in diesem Fall den Simulationsprozess erheblich beschleunigen können – ganz zu schweigen von Dutzenden anderer datenintensiver Aufgaben, die in allen Branchen Anwendung finden. Die Zusammenarbeit mit Mercedes-Benz im Bereich der praktischen Batterieforschung ist nur ein Aspekt der Grundlagenarbeit, die das Quantencomputing schließlich zu einem kommerziellen Erfolg machen wird.
„Das Feld entwickelt sich in einem gesunden Tempo“, sagt Herr Boeser von Mercedes-Benz. „Aber jeder, der sich mit der Technologie und der Forschung beschäftigt, weiß, dass sie noch in den Kinderschuhen steckt und wir noch viel Arbeit vor uns haben.“ Mercedes-Benz treibt den Wandel zur emissionsfreien Mobilität voran. Nachhaltigkeit ist eines der Schlüsselelemente der Unternehmensstrategie von Mercedes-Benz und gleichzeitig ein Maßstab für den Unternehmenserfolg.
Und die Ziele sind ganz klar definiert: Mercedes-Benz Cars möchte in den nächsten 20 Jahren eine kohlenstoffneutrale Neuwagenflotte haben und plant, bis 2030 mehr als 50 % seiner Autoverkäufe auf Plug-in-Hybrid- oder reine Elektrofahrzeuge zu konzentrieren.
„Ein Jahrzehnt klingt zwar weit weg, aber tatsächlich liegt ein Jahrzehnt für viele Unternehmen durchaus im normalen Planungs- und Investitionshorizont“, sagt Dario Gil, Director of IBM Research. Schauen Sie die Straße hinunter, und es könnte sein, dass ein mit Lithium-Schwefel betriebenes Auto gleich um die Ecke biegt.
Mercedes-Benz ist einer der größten Hersteller von Premiumfahrzeugen und der weltweit größte Hersteller von Nutzfahrzeugen mit einer globalen Reichweite. Das Unternehmen bietet Finanzierung, Leasing, Flottenmanagement, Versicherungen und innovative Mobility Services an.
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Hergestellt in den Vereinigten Staaten von Amerika, März 2020.
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