Oft wird übersehen, dass die Metrologie – die Wissenschaft des Messens – zahllose Aspekte des täglichen Lebens unterstützt, von der genauen Bestimmung der Uhrzeit bis zur Gewährleistung der Sicherheit der digitalen Kommunikation.

von Tom Cassauwers

Da Europa seine Bemühungen um den Übergang zu einer umweltfreundlicheren Wirtschaft verstärkt, rückt Wasserstoff als saubere Energielösung in den Mittelpunkt, insbesondere für die Dekarbonisierung von Sektoren wie Verkehr und Schwerindustrie. Damit Wasserstoff zu einer zuverlässigen, großtechnischen Energiequelle werden kann, ist jedoch etwas täuschend Einfaches erforderlich: die Fähigkeit, den Wasserstoff auf seinem Weg durch die Lieferkette genau zu messen.

„Die Entscheidung darüber, wie der Wasserstofffluss am besten gemessen werden kann, ist von entscheidender Bedeutung“, so Annarita Baldan, leitende Wissenschaftlerin des nationalen niederländischen Metrologieinstituts VSL und Vorsitzende des Europäischen Metrologienetzes für Energiegase.

„Wir müssen lernen, wie man die Qualität und Quantität von Wasserstoff genau misst, wie man Lecks erkennt und wie man sicherstellt, dass alles sicher ist.“

Baldan ist eng in ein Forschungsprojekt eingebunden, das im Rahmen der Europäischen Partnerschaft für Metrologie mit dem Namen Met4H2 – kurz für Metrology for the Hydrogen Supply Chain – finanziert wird und an dem nationale Metrologieinstitute, Forschungsorganisationen und die Industrie beteiligt sind.

Ziel dieser europäischen Initiative, die im September 2025 abgeschlossen sein wird, ist die Entwicklung und Verfeinerung der Messstandards, die für die sichere Entwicklung und Integration von Wasserstofftechnologien in bestehende Energiesysteme unerlässlich sind.

 

Dies ist ein notwendiger Schritt, wenn Europa sein Ziel erreichen will, den Marktanteil von Wasserstoff von 2 % im Jahr 2020 auf 14 % im Jahr 2050 zu erhöhen.

Konsistenz zählt

Dies ist einer der vielen wichtigen Beiträge, die die Metrologie, ein relativ wenig bekanntes Wissenschaftsgebiet, zu unserem täglichen Leben leistet. Sie ist für praktisch alles zuständig: Sie sorgt dafür, dass wir genau sehen können, wie viel Wasserstoff durch eine Pipeline fließt, und stellt sicher, dass die Uhrzeit auf unseren Telefonen korrekt angezeigt wird.

„Wenn Sie auf Ihre Uhr schauen, zeigt sie weitgehend die gleiche Zeit an wie die Uhren der Menschen um Sie herum“, sagte Baldan.

„Wenn Sie Wasser aus dem Wasserhahn trinken, wissen Sie in den meisten europäischen Ländern, dass es sauber ist. Das liegt an der Metrologie. Sie wird als selbstverständlich angesehen, aber hinter den Kulissen sorgen wir dafür, dass all diese Dinge möglich sind.“

Die Bedeutung dieses Bereichs wird jedes Jahr am 20. Mai, dem Weltmetrologietag, gefeiert. In diesem Jahr jährt sich auch die Unterzeichnung der Meterkonvention zum 150.Jahrestag der Unterzeichnung der Meterkonvention. Dieser 1875 in Paris, Frankreich, unterzeichnete internationale Vertrag legte den Grundstein für ein globales Messsystem und sorgte dafür, dass Messungen wie Länge, Masse und Zeit weltweit einheitlich waren.

Quantensicherheit

Die Metrologie ist ein äußerst vielfältiges Gebiet. Die Metrologieinstitute in den einzelnen Ländern stellen zum Beispiel sicher, dass der Kraftstoff, der an einer Tankstelle in ein Auto getankt wird, der Menge entspricht, die auf der Tankuhr steht. Sie befassen sich aber auch mit Hightech-Themen, wie z. B. der Frage, wie man die Quantenkommunikation sicher machen kann.

Quantencomputer sind Hochgeschwindigkeitsrechner, die nach den Prinzipien der Quantenphysik arbeiten. Es wird befürchtet, dass die möglichen Geschwindigkeiten, mit denen diese Computer arbeiten, die derzeitigen Sicherheitsmaßnahmen für die digitale Kommunikation obsolet machen könnten. Aus diesem Grund arbeiten Kryptographen an der Entwicklung von quantensicheren Sicherheitssystemen.

„Wir arbeiten an einem Konzept, das sich Quantenschlüsselverteilung nennt“, sagt Ivo Pietro Degiovanni, Forschungsdirektor am italienischen nationalen Metrologieinstitut (INRiM) und Vorsitzender des Europäischen Metrologienetzes für Quantentechnologien. „Dies wird uns eine sichere Kommunikation ermöglichen, selbst wenn Quantencomputer Realität werden.“

Diese neue Art der Nachrichtenverschlüsselung hat jedoch einen Schwachpunkt: Es muss eine Transformation zwischen der Quanten- und der physikalischen Welt stattfinden.

Doch an diesem Punkt könnte es zu einem „Informationsleck“ kommen, so Degiovanni. „Ein Hacker könnte dann Ihre Nachricht beobachten und abfangen.

Dank einer von der EU kofinanzierten Initiative namens MeTISQ, die von 2019 bis 2024 im Rahmen des Europäischen Metrologieprogramms für Innovation und Forschung (EMPIR) läuft, konnten Metrologieexperten aus ganz Europa Methoden entwickeln, um diese Art von Informationslecks aufzuspüren und zu unterbinden. Ein Pluspunkt für die Metrologie!

Förderung der Nachhaltigkeit

Die Metrologin Annette Röttger vom Deutschen Nationalen Institut für Metrologie hat sich mit der Frage beschäftigt, wie die Metrologie zur Batterietechnologie und insbesondere zum Recycling beitragen kann.

„Im Jahr 2030 werden 150 Millionen Lithium-Ionen-Batterien für die Wiederverwendung zur Verfügung stehen“, so Röttger. „Das ist eine enorme Zahl. Aber um sie gut zu recyceln, müssen wir auch wissen, wann und ob wir sie wiederverwenden können.“

Röttger war an einem EU-finanzierten Forschungsprojekt namens LiBforSecUse beteiligt, das von September 2018 bis August 2021 lief.

Diese von der EU im Rahmen von EMPIR kofinanzierte Initiative ermöglichte es den Forschern, Möglichkeiten zur genauen Messung der Impedanz – des Widerstands gegen den elektrischen Stromfluss in einer Batterie – zu untersuchen.

Lithium-Ionen-Batterien werden häufig in Elektrofahrzeugen verwendet. Mit zunehmendem Alter lässt ihre Leistung nach und sie müssen möglicherweise ersetzt werden. Sie könnten jedoch noch gut genug für andere Verwendungszwecke sein, z. B. als Energiespeicher. Die Überprüfung der Impedanz dieser gebrauchten Batterien ist daher wichtig, um über ihr Wiederverwendungspotenzial zu entscheiden.

„Man kann es damit vergleichen, wie Wasser durch ein Rohr fließt – es wird verlangsamt, wenn es Biegungen, Krümmungen oder Verstopfungen gibt“, sagt Röttger. „Wir haben uns angesehen, wie man die Impedanz am besten misst und definiert, wann eine Batterie noch wiederverwendet werden kann.

Europäische Normen

Ob es um die Messung des Wasserstoffflusses, der Unwägbarkeiten von Qubits oder des Leistungspotenzials gebrauchter Batterien geht, es ist nicht nur wichtig, dass die Messungen genau sind, sondern auch, dass überall auf dieselbe Weise gemessen wird.

Durch EURAMET und die Europäische Partnerschaft für das Messwesen ist Europa ein wichtiger Akteur bei der Normung und Koordinierung.

„Die Europäer müssen bei der Ausarbeitung dieser Messungen zusammenarbeiten. Die Metrologie ist die Grundlage für vieles, was wir produzieren und handeln“, sagte Röttger.

Die Unterstützung der EU für die Forschung in diesem Bereich ermöglicht es Metrologen in ganz Europa, gemeinsam an einem breiten Spektrum von Problemen zu arbeiten.

„Es ist wichtig, dass wir uns treffen und Ergebnisse vergleichen können“, sagte Baldan. „Wir müssen unsere Messstandards angleichen. Wir müssen in der Metrologie über nationale Belange hinausgehen“.

Degiovanni stimmte auch zu, dass die Zusammenarbeit im Bereich der Metrologie von grundlegender Bedeutung für die nachhaltige Wettbewerbsfähigkeit Europas ist. „Vor allem in neuen Bereichen wie der Quanteninformatik und den nachhaltigen Technologien müssen wir Behauptungen überprüfen und sicherstellen, dass alle auf der gleichen Seite stehen. Die Zusammenarbeit mit Kollegen wie dieser hat eine enorme Wirkung“.

 

Die Forschung in diesem Artikel wurde durch das Horizon-Programm der EU finanziert. Die Ansichten der Befragten spiegeln nicht unbedingt die der Europäischen Kommission wider.

Mehr Infos

Dieser Artikel wurde ursprünglich in Horizon, dem EU-Magazin für Forschung und Innovation, veröffentlicht .