Das Verhalten von Gasblasen während der Elektrolyse war bisher schwer fassbar. Ein Forschungsteam der Frankfurt University of Applied Sciences (Frankfurt UAS) und der University of Huddersfield hat dafür nun einen neuartigen Ansatz entwickelt.
Ein zentraler methodischer Impuls für diesen Ansatz kam von der Master-Absolventin Roxana Tennert. Sie forschte im Studium an einer Analyse der Blasenbildung und kam auf die Idee, aus den im Experiment gewonnenen Bilddaten die sogenannte Informationsentropie zu berechnen. Informationsentropie ist keine Entropie im thermodynamischen Sinne, sondern ein Maß dafür, wie chaotisch eine Struktur ist. „Die Idee war, die scheinbar chaotischen Blasenmuster nicht nur zu beobachten, sondern mathematisch greifbar zu machen“, so Tennert. Enno Wagner, Professor für Mechatronische Konstruktion und Technische Mechanik am Fachbereich Informatik und Ingenieurwissenschaften, leitet das Projekt.
Hohe Leistung – chaotische Blasen, viele Verluste
Die Studie zeigt: Je höher die elektrische Leistung in der Elektrolyse ist, desto komplexer und unruhiger wird die Blasenentwicklung. Der Zusammenhang ist sogar exponentiell. Diese zunehmende Unordnung lässt sich mithilfe des neuen Verfahrens messen. Für ihre Untersuchungen nutzten die Forschenden eine Elektrolysezelle mit optischem Zugang. Die entstehenden Wasserstoffblasen wurden mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgenommen und anschließend mithilfe einer Pixelanalyse ausgewertet. Grundlage ist die sogenannte Shannon-Entropie, ein Maß für den Informationsgehalt eines Bildes.
Die Erkenntnisse in Bezug auf die Elektrolyse:
• Bei der Dissipation, also der Zerstreuung, von Energie wird nicht nur Wärme, sondern auch strukturelle Information freigesetzt.
• Die Blasenbildung ist ein zentraler Faktor für Effizienzverluste in der Elektrolyse.
• Große Blasen sind nicht nur hinderlich – unter ihnen kann ein dünner Flüssigkeitsfilm entstehen, der den Stofftransport verbessert.
• Ein mikroskopisch kleiner Bereich an der Kontaktlinie zwischen Gas, Flüssigkeit und Elektrode spielt mit einer hohen Informationsdichte eine entscheidende Rolle für die Effizienz.
Perspektivisch wollen die Forschenden Wege finden, die Blasenbildung zu steuern – wenn es geordneter blubbert, arbeitet der Elektrolyseur effizienter, so der Plan. Die Kombination aus experimenteller Forschung, innovativer Bildanalyse und mathematischer Modellierung soll dabei helfen. Als Nächstes wollen die Forschenden die gewonnenen Bilddaten mithilfe künstlicher Intelligenz automatisiert auswerten und simulieren.
Erkenntnisse auch außerhalb der Wasserstoffbranche nützlich
Die Erkenntnisse aus dem Projekt stellen verbreitete Annahmen teilweise infrage und bieten neue Ansatzpunkte für die Weiterentwicklung von Elektroden und Strukturen – und auch für die Informationstheorie.
„Dass sich daraus eine so klare Verbindung zu physikalischen Größen ergibt, war eine sehr spannende Entwicklung“, sagt Tennert. Ihr Ansatz ermöglichte es erstmals, die visuelle Komplexität der Blasen-(Mikrozustände) mit klassischen physikalischen Größen der Thermodynamik (Makrozustände) direkt zu vergleichen. Das daraus entstandene Verfahren wurde inzwischen wissenschaftlich veröffentlicht und ist für den UMSICHT-Wissenschaftspreis nominiert. Die Forschenden werden die Ergebnisse im September auf der Konferenz Thermodynamics 2026 am Imperial College in London einem internationalen Fachpublikum vorstellen und diskutieren.
