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Forschende der Frankfurt UAS verfolgen innovative Ansätze in der Elektrolyseforschung und erlangen neue Erkenntnisse über die Entstehung von Information
Die Herstellung von grünem Wasserstoff gilt als zentraler Baustein der Energiewende. Ein Forschungsteam der Frankfurt University of Applied Sciences (Frankfurt UAS) und der University of Huddersfield hat nun einen neuartigen Ansatz entwickelt, um einen bislang schwer fassbaren Aspekt dieses Prozesses besser zu verstehen: das Verhalten von Gasblasen während der Elektrolyse. Unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Enno Wagner, Professor für Mechatronische Konstruktion und Technische Mechanik am Fachbereich Informatik und Ingenieurwissenschaften, wurde erstmals die sogenannte Informations-Entropie genutzt, um die Unordnung und Komplexität der Blasenbildung quantitativ zu erfassen.[1]
„Unser Ziel war es, die bislang schwer messbaren irreversiblen Effizienzverluste bei der Wasserstoffproduktion besser zu verstehen“, erklärt Wagner. „Mit der Informations-Entropie haben wir ein Werkzeug gefunden, das uns erlaubt, die chaotische Blasenbildung sichtbar zu machen und direkt mit physikalischen Verlusten zu verknüpfen.“ Die Studie zeigt: Je höher die elektrische Leistung in der Elektrolyse ist, desto komplexer und unruhiger wird die Blasenentwicklung – wobei es sogar einen exponentiellen Zusammenhang gibt. Diese zunehmende Unordnung lässt sich mithilfe von Bildanalysen messen und steht in engem Zusammenhang mit der Produktion von Entropie – hierbei wird zum einen Wärme, aber auch strukturelle Information freigesetzt. „Es scheint, als ob die Information bereits in der elektrischen Energie enthalten ist und erst bei der Blasenbildung entfaltet wird – wie die DNA in einem Pflanzenkeim. Hiermit könnte das grundlegende Verständnis von Information verändert werden – ein Gedanke, der in Zeiten von rasant wachsender KI eine signifikante Bedeutung hat.“
Innovative Bildanalyse – mit entscheidendem Impuls aus dem Team
Für ihre Untersuchungen nutzten die Forschenden eine speziell entwickelte 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. Ein zentraler methodischer Impuls für diesen Ansatz kam von der Master-Absolventin Roxana Tennert. In ihrem wissenschaftlichen Projekt, welches vor der Masterarbeit stattgefunden hat, wirkte sie intensiv an dem Forschungsprojekt zur Analyse der Gasblasenbildung mit und initiierte die Idee, die experimentellen Bilddaten systematisch zur Berechnung der Informations-Entropie zu nutzen.
„Die Idee war, die scheinbar chaotischen Blasenmuster nicht nur zu beobachten, sondern mathematisch greifbar zu machen“, so Tennert. „Dass sich daraus eine so klare Verbindung zu physikalischen Größen ergibt, war eine sehr spannende Entwicklung.“ 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.
Neue Erkenntnisse zur Rolle von Gasblasen
Neben der methodischen Innovation liefert die Studie auch wichtige inhaltliche Erkenntnisse:
• 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.
Diese Erkenntnisse stellen verbreitete Annahmen teilweise infrage und bieten neue Ansatzpunkte für die Weiterentwicklung von Elektroden und Strukturen – und auch für die Informationstheorie.
Perspektiven für eine effizientere Wasserstoffproduktion
Die Ergebnisse der Forschenden ermöglichen es, Elektrolyseprozesse künftig gezielter zu optimieren. Ziel ist es, die Blasenbildung so zu steuern, dass weniger Unordnung entsteht und damit die Umwandlung von Energie möglichst effizient erfolgt. Die Kombination aus experimenteller Forschung, innovativer Bildanalyse und mathematischer Modellierung eröffnet dabei neue Wege für die Entwicklung effizienterer Wasserstofftechnologien.
In einem nächsten Schritt sollen die gewonnenen Bilddaten mithilfe künstlicher Intelligenz automatisiert ausgewertet und simuliert werden.
Kontakt: Frankfurt University of Applied Sciences, Fachbereich 2: Informatik und Ingenieurwissenschaften, Prof. Dr.-Ing. Enno Wagner, Telefon: +49 69 1533-2737, E-Mail: enno.wagner@fra-uas.de
[1]: Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Heat and Mass Transfer“ veröffentlicht und sind online abrufbar: https://link.springer.com/article/10.1007/s00231-025-03630-z
Videoaufnahmen von der Blasenbildung finden Sie zudem unter https://nextcloud.frankfurt-university.de/s/MXT88nHLN8LeAai.
Kontakt: Frankfurt University of Applied Sciences, Fachbereich 2: Informatik und Ingenieurwissenschaften, Prof. Dr.-Ing. Enno Wagner, Telefon: +49 69 1533-2737, E-Mail: enno.wagner@fra-uas.de
https://link.springer.com/article/10.1007/s00231-025-03630-z
Prof. Dr.-Ing. Enno Wagner, Professor für Mechatronische Konstruktion und Technische Mechanik an der ...
Source: Friederike Mannig/Frankfurt UAS
Bildung von Gasblasen an künstlichen Keimstellen, gefilmt durch den optischen Zugang einer Elektroly ...
Source: Prof. Dr.-Ing. Enno Wagner
Criteria of this press release:
Journalists, all interested persons
Chemistry, Mechanical engineering
transregional, national
Research results
German
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