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Lippenbekenntnisse: Aktuell zum Welt-Klimagipfel in Glasgow

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Zunächst der von mir in meiner freien Moderation versprochene Link:
Geht Ihnen, verehrte Facebook-Freunde, das nicht auch auf die Nerven, was wieder einmal – wie immer auf den Weltklima-Konferenzen – an Grenzwerten beschlossen wird, um die Anhäufung von CO2 in unserer Atmosphäre zu begrenzen. Dabei ist das nicht das einzige Treibhausgas, welches als Missetäter ausgemacht worden ist. Das sind alles Beschlüsse, die allein schon deswegen wenig Bedeutung besitzen, weil keinerlei Sanktionen für die Nichteinhaltung vorgesehen sind – mit Ausnahme von Deutschland und einigen europäischen Ländern als Musterschüler.
Eine Frage besteht, wie soll die Weltgemeinschaft mit Ländern umgehen, die wieder einmal und verstärkt auf die Atommeiler setzen. Es fair, wenn die Kernenergie mit Null CO2-Aausstoß berechnet wird und es diesen Ländern einfach macht, alle Grenzwerte einzuhalten. Hinzu kommt, dass China, um seine Kohlekraftwerke abzuschalten, 15 Jahre mehr Zeit gewährt wird? Und auch sonst werden bestimmten Ländern im Zustand der wirtschaftlichen Entwicklung Vorteile eingeräumt, die ihnen erhebliche Wettbewerbsvorteil eröffnen.
Können wir dieses Ungleichgewicht akzeptieren, oder ruiniert das auf lange Sicht die einheimische Industrie, deren Abwanderung offenbar nicht aufzuhalten ist. Die Mär von der Erschaffung von vielen neuen Arbeitsplätzen durch revolutionierende klimaschonende Alternativen ist bereits im Vorfeld gescheitert, wenn man die ursprüngliche Pioniersituation in der Fotovoltaik und der Ausnutzung der Windenergie betrachtet. Im Gegenteil, bereits jetzt gehen sukzessive hunderttausende von Arbeitsplätzen im Umbau der Automobil-Industrie auf angeblich klimaschonende schwergewichtige batteriegetriebene Elektroautos verloren. Warum wird dieser Typ Tesla mit Null bewertet, obwohl sein Energiebedarf wegen seines hohen Gewichts – ob Strom oder Sprit – viel höher als eine wesentlich ökologischere Alternative, Typ serielles Hybrid ist, der auch noch viel weniger Feinstaub durch die geringere Reifen-Reibung erzeugt. Ich hoffe, dass sich die in der Entwicklung befindliche Ampel-Koalition die Gelegenheit wahrnimmt, den Bürger objektiv aus zu klären. Während die vergangene GROKO an Milliarden Euro teuren alten Beschlüssen herumgedoktert hat, die eindeutig nur populistisch dem Klima dienen, weil die einfachsten physikalischen Gesetze, die jeder Pennäler beherrschen sollte, vernachlässigt wurden. Aber die Hoffnung stirbt zuletzt.
Mein letzter Facebook Kommentar bietet die Möglichkeit, Alternativen zu prüfen. Die Reaktion meiner fast 85 000 Abonnenten war umwerfend. Offenbar haben sich viele Bürger meinen Vorschlägen angeschlossen. Alle Achtung, diese schriftliche Bürgerkommentar-Sparte, die Facebook eingerichtet hat, mausert sich immer mehr zu einem informativen Diskussionsforum. Selten habe ich so viele – über 375 – so intelligente und zielführende Zuschriften bekommen. Das gibt zur Hoffnung Anlass. Da können sich die Politiker eine Scheibe abschneiden.
Leider hat die Politik noch nicht darauf reagiert, deswegen bitte ich Sie, lieber Facebook-Freund, dieses den Politikern, die Sie persönlich kennen, darauf aufmerksam zu machen und ihnen den unten stehenden Link zukommen zu lassen. Ich bin bereit, jedem Rede und Antwort zu stehen.
Nicht jeder Politiker oder Bürger ist Abonnent bei Facebook, deshalb hier mein Kommentar von meiner Homepage:
Vielleicht lohnt es sich auch, dass sie sich diesen Text selbst noch einmal konzentriert durchlesen, denn den deutschen Bürgern werden von der Politik selten Alternativen vorgestellt. Hier finden Sie solche, die garantiert nicht im Wunschdenken verharren, sondern mit Gewissheit Probleme unserer Zeit aufgreifen – nicht nur die des Klimas, sondern auch die der fairen Entwicklungshilfe in Augenhöhe.
Folge 233 Der Vernunft eine Chance

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Energieoptimierung der Mobilität

Erde, Klima, Umweltschutz, Physik, Chemie, Technik

Nach einem längeren Gespräch mit Hajo Neubert, einem Vorstandsmitglied der ‚Technischen-Literarischen Gesellschaft (TLI), habe ich die wichtigsten meiner Ideen zu dem obigen Thema zusammengefasst. Es ist selten, dass über den Energiebedarf eines Autos generell nachgedacht wurde, ist aber ein sehr bedeutender Umweltfaktor, über den selten nachgedacht wird.

Jean Pütz

Lieber Hajo,

wir haben soeben telefoniert. Vernunftbegabte Bürger müssen zusammenhalten. Meinst Du, dass wir mein großes Ziel unter dem Aspekt der physikalischen Energieoptimierung der Mobilität über die TELI posten können. Genau dafür habe ich seinerzeit die Idee der seriellen Hybridisierung der PKWs durchdacht. Damit bin ich vor 15 Jahren zu Ford Köln gegangen und dort nach monatelangen Diskussion abgeblitzt worden. Ich hatte dort einen Stein im Brett, weil ich dort als Mitorganisator des sogenannten ‚Henry-Ford-Conservation-Price‘ engagiert war. Aber das hat nichts genutzt.

Später hat dann die Technologie-Schmiede in Österreich, angeblich ohne meine Initiative zu kennen, diese Idee als Prototypen realisiert und alle Vorhersagen bestätigt: Gegenüber dem Elektro-Auto Typ Tesla mindestens 250 kg Gewichtsersparnis, weil es kein automatisches Getriebe und eine 1/5 so große Batterie benötigt. Der Lademotor verbraucht nur 40 kW Leistung und ist damit auch wesentlich leichter als diejenigen in  üblichen Verbrennungs-PKWs. 2 x 60 kW Elektromotoren, die der Beschleunigung und Fortbewegung dienen, fallen bei der Gesamtbilanz kaum ins Gewicht. Aber sie sichern beim Bremsen und Bergabfahren die Rückgewinnung der kinetischen Energie, die beim Beschleunigen weitgehend der Batterie entzogen wurde. Der Lademotor läuft immer im optimierten Wirkungsgradbereich. Wegen des geringen Gewichts erreicht dieses sogenannte Hyperhybrid ein Minimum an Verlust an Reibungsenergie durch den Widerstand der Reifen und damit auch weniger Feinstaub- und Mikroplastik-Entstehung. Empirisch 100% nachgewiesen: Das Mittelklasseauto benötigt nur 2 Liter auf 100 km und mit seinem 30-Liter-Tank erzielt das Hyperhybrid eine Reichweite von 1.500 km – mit Zwischenladung der Batterie an öffentlichen Elektro-Tanksäulen sogar noch viel mehr, denn die geringe Batteriekapazität reicht auf Grund des minimalen Energie-Verbrauchs für 60 bis 80 km, ohne dass der Lademotor anspringen muss. Das sind alles Fakten, die nicht widerlegt werden können. Mit regenerativem Methanol betrieben (wofür allerdings noch weltweit eine technische Infrastruktur beschafft werden muss), fährt das Hyperhybrid sogar CO2-neutral.

Warum ist diese Idee in den Schubläden der Automobil-Konstrukteure verschwunden? Sie würde der Elektromobilität zum entscheidenden Durchbruch für jedermann verhelfen, denn laut der glaubwürdigen Bekundungen von OBRIST, dem Hersteller von drei Prototypen dieser Art, ist dieses Auto in der Fabrikation und in den Preisen für die Rohstoffe nicht teurer als heutige Verbrenner-Autos – ohne die bisherigen Milliarden staatlicher Subventionen für das tonnenschwere Elektroauto Typ Tesla und Nachbeuten der deutschen Industrie, die damit aber auf keinen grünen Zweig kommen trotz 9.000 € Verkaufsprämie. Selbst in China geraten sie ins Hintertreffen.  Nur einer ist damit bisher reich geworden: Elon Musk dank seiner genialen PR. Auch die Politik ist auf ihn weingefallen, ebenso wie die herkömmliche Automobilindustrie, die allerdings durch unsinnige EU-Begrenzungsauflagen der Minimierung des sogenannten Flottenverbrauchs erst zur Akzeptanz dieses Elektroautos veranlasst wurde. Entscheidend dabei war, dass der Typ Tesla mit Null-Sprit-Verbrauch klein gerechnet wurde, was den Durchschnittsverbrauch so reduzierte, dass sie weiter ihre leistungsstarken Luxuskarossen verkaufen können. So etwas wurde und wird dann als Zukunft der Elektromobilität leider auch von der Presse hochgejubelt – sehr oberflächlich gedacht, nur weil hinten kein Abgas rauskommt. Der ökologische Dreck wurde in die Länder der 3. Welt verlagert, die die Rohstoffe für die tonnenschweren Batterien liefern.

Hier meine versprochenen Links von Facebook. Interessant sind auch die tausenden von Kommentare der Abonnenten und meine Antworten. Ein Diskussionsforum, welches seinesgleichen sucht:

Viele Grüße

Jean

Null-Emissions-Technologien begehrt – 11 Konzerne wollen sie einkaufen

Erde, Klima, Umweltschutz, Physik, Chemie, Technik

(Spiegel) – 31 Weltkonzerne verpflichten sich selbst dazu, in großem Stil emissionsarme
Treibstoffe, Rohstoffe und Fahrzeuge einzukaufen. Auf diese Weise wollen sie globale
Märkte für diese bisher kaum verbreiteten Produkte schaffen.

An diesem Mittwochnachmittag wollen die Unternehmen, die vor allem aus der Verkehrs-, Logistik- und Stahlbranche kommen, auf dem Weltklimagipfel in Glasgow die Gründung
einer von ihnen so genannten »First Movers Coalition« bekannt geben. Diese steht unter
der Ägide des Weltwirtschaftsforums und von US-Klimabotschafter

»Das entscheidende Klimaziel von 1,5 Grad Celsius [mittlerer globaler Temperaturanstieg, die Redaktion] kann nur erreicht werden, wenn wir die Entwicklung und den Einsatz neuer Dekarbonisierungstechnologien beschleunigen«, heißt es in einem Statement zur
Gründung.

Zu den Teilnehmern gehören unter anderem Boeing, die US-Airlines United und Delta,
Apple, Amazon sowie aus Deutschland die Deutsche Post DHL Group und der
Automobilzulieferer ZF Friedrichshafen. Zusammen haben die 31 Konzerne einen Börsenwert von mehr als 8000 Milliarden US-Dollar.

Handfeste kommerzielle Interessen

Die Selbstverpflichtung ist nicht nur PR oder Greenwashing. Mit ihr verfolgen die
Teilnehmer auch handfeste kommerzielle Interessen. So werden Logistikanbieter von
Großkunden wie Amazon zunehmend unter Druck gesetzt, klimaneutralen Transport
anzubieten – weil diese Unternehmen ihrerseits gegenüber Endkunden mit
Klimaneutralität werben. Oft aber sind solche Angebote kaum verfügbar.

Die »First Movers Coalition« versucht, das Henne-Ei-Problem zu lösen; bislang werden
viele dieser klimafreundlicheren Rohstoffe und Güter nur in relativ kleinen Mengen zu entsprechend hohen Preisen hergestellt. Dieses geringe Angebot ist oft auch das Resultat
geringer Nachfrage.

Ein Beispiel: Die weltweite Jahresproduktion nachhaltiger Flugzeugtreibstoffe beträgt nur geschätzte 100 Millionen Liter. Dagegen verfeuerten Verkehrsflugzeuge im Jahr 2019 rund 360 Milliarden Liter fossilen Sprit.

Wenn sich nun aber abzeichnet, dass es künftig große Abnehmer für solche Produkte
geben wird, dann wird es für Kapitalgeber interessant, große Summen in den Aufbau von Massenproduktion sowie in Forschung und Entwicklung zu investieren. Beides dürfte die neuen klimafreundlicheren Technologien wettbewerbsfähiger machen.

So lauten die konkreten Gelübde der selbst ernannten »First Movers«:

  • Luftfahrt: Fluglinien wie Delta und United verpflichten sich dazu, bis 2030
    mindestens fünf Prozent ihres Treibstoffbedarfs mit sogenannten »nachhaltigen
    Flugzeugtreibstoffen« zu decken. Deren Treibhausgasemissionen müssen
    mindestens 85 Prozent niedriger sein als bei herkömmlichem Kerosin.
  • Schiffahrt: Die Logistikanbieter in der Koalition geloben, dass 2030 mindestens fünf Prozent ihrer Schiffe mit sogenanntem »Null-Emissions-Treibstoff« fahren.
    Angeführt werden sie von der weltgrößten Containerreederei Maersk. Deren Chef
    Soren Skou forderte kürzlich im SPIEGEL-Interview sogar, von 2035 an neue Schiffe mit fossilen Antrieben komplett zu verbieten.
    Kunden wie etwa Apple oder Amazon setzen sich zum Ziel, dass 2030 mindestens
    zehn Prozent ihrer Güter auf Schiffen mit Null-Emissions-Treibstoffen transportiert werden. Diese Quote soll bis 2040 auf 100 Prozent steigen.
  • Straßengüterverkehr: Die teilnehmenden Logistikanbieter wie etwa die Deutsche
    Post DHL Group verpflichten sich, 2030 mindestens 30 Prozent ihrer schweren und
    sämtliche mittelschweren Lkw als sogenannte Null-Emissions-Fahrzeuge
    einzukaufen. Hierzu zählen Laster mit Batterie- oder Brennstoffzellenbetrieb. Ihre
    Kunden setzen sich zum Ziel, dass sie von all ihren Logistikpartnern verlangen
    werden, diese Verpflichtungen einzuhalten.
  • Stahl: Hersteller wie SSAB Swedish Steel und Abnehmer wie ZF Friedrichshafen versichern, dass bis 2030 mindestens zehn Prozent ihrer Stahlproduktion
    beziehungsweise Stahleinkäufe aus sogenanntem »Fast-Null-Emissions-Stahl«
    bestehen. Dieser vermeintlich klimafreundlichere Stahl soll mit neuartigen,
    emissionsarmen Technologien hergestellt werden.
    Hierzu zählt die Koalition den Einsatz von Wasserstoff anstelle der üblichen
    Kokskohle, eine Elektrolyse-basierte Produktion – aber auch die Abscheidung und
    unterirdische Speicherung der bei der Herstellung angefallenen Treibhausgase
    (CCS). Letztere Technologie ist allerdings höchst umstritten: In Deutschland ist
    selbst ihre Erprobung nur in begrenztem Ausmaß zugelassen.»Es ist gut, dass Unternehmen schon jetzt klimaverträgliche Lösungen anschieben, die heute noch nicht wettbewerbsfähig sind, die Branchen wie die Stahl- oder
    Zementindustrie aber in Zukunft brauchen werden«, sagte die Greenpeace-Klimaexpertin Lisa Göldner dem SPIEGEL. »Glaubhaft aber wird die First Mover-Initiative erst, wenn sie dabei unmissverständlich falsche Lösungen ausschließt.
    Risikotechnologien wie CCS oder sogenanntes Bio-Kerosin sind nicht nachhaltig.«

Wenn Batterien zu Schaum werden

Physik, Chemie, Technik

(HZDR) – Batterien effizient zu recyceln und die zurückgewonnenen Materialien wieder in die Produktion zu integrieren, stellt die Industrie immer noch vor ein scheinbar unlösbares Problem. Weltweit suchen Forscher*innen deswegen nach neuartigen Methoden. Eine von ihnen ist Anna Vanderbruggen. Die Doktorandin am Helmholtz-Institut für Ressourcentechnologie Freiberg (HIF) – einer Einrichtung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) – konnte ein Konzept entwickeln, um Graphit aus verbrauchten Lithium-Ionen-Batterien zu recyceln. Am 7. November präsentiert sie ihren Ansatz im Finale des Zukunftswettbewerbs Falling Walls in Berlin.

Die Elektromobilität steigert die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien – und führt weltweit zu einem enormen Bedarf an kritischen Materialien, wie Nickel, Kobalt, Lithium und Graphit, die zum einen nicht unendlich auf unserer Erde vorkommen, und zum anderen häufig unter schlechten Bedingungen abgebaut werden. Daher ist die Entwicklung effizienter Recyclingtechnologien und die Integration der zurückgewonnenen Materialien in die Batteriezellenproduktion zwingend erforderlich. Ziel ist es, mit effizienten Ansätzen Materialkreisläufe zu schließen.

Ein für Lithium-Ionen-Batterien sehr relevantes, aber auch äußerst kritisches Material ist Graphit. Durch die Energiewende im Mobilitätsbereich wird Graphit eines der bestimmenden Materialien bei der Batterieproduktion in den nächsten Jahrzehnten bleiben. Natürliche Lagerstätten von Graphit, welche wirtschaftlich abgebaut werden können, sind jedoch selten. Darüber hinaus können Recyclingunternehmen derzeit Graphit nicht zurückgewinnen. Daher endet es während des Recyclingprozesses als Abfall oder wird als Reduktionsmittel verwendet. Anna Vanderbruggen hat sich dieser Herausforderung des Graphitrecyclings gestellt und ein Konzept zur „Rückgewinnung von Graphit aus verbrauchten Lithiumionenbatterien“ entwickelt, das auch Thema ihrer Doktorarbeit ist.

„Mein Ansatz nutzt die in der Rohstoffindustrie bewährte Methode der Schaumflotation, um Graphit zu recyceln. Die Schaumflotation ist ein etablierter und effizienter Prozess für die Trennung wertvoller Mineralien von taubem Gestein für Partikelgrößen von etwa 10 bis 200 Mikrometer. Der Prozess basiert auf der selektiven Hydrophobierung, also wasserabweisenden Eigenschaft, von Mineralen und der Anhaftung dieser Partikel an Gasblasen, welche anschließend über einen Schaum ausgetragen werden. Daher sind Oberflächen-, aber auch andere Partikeleigenschaften wie Größe und Morphologie, die wesentlichen Trennmerkmale für die Schaumflotation. Das Hinzufügen einer Schaumflotationsstufe ermöglicht die gemeinsame Rückgewinnung der Metalle und des Graphits“, erklärt Anna Vanderbruggen ihren Ansatz.

Genau solche zukunftsweisenden Ideen sind es, die bei dem jährlich stattfindenden Wettbewerb „Falling Walls“ gesucht werden. Der Wettbewerb, der sich an junge Erfinder*innen, Forscher*innen, Start-up-Unternehmer*innen und Studierende richtet, ist der Falling Walls Conference in Berlin angegliedert. Diese fand erstmalig 2009 zum Jahrestag des Mauerfalls statt und hat das Motto „Mauern einreißen und Grenzen überwinden: In den Köpfen, im Denken und im Handeln“. Anna Vanderbruggen setzte sich zunächst in der nationalen Ausscheidung des Falling Walls Labs durch und sicherte sich damit die Teilnahme am Finale in Berlin am 7. November. Dann muss die Französin die Jury mit ihrem 3-minütigen Kurzvortrag von ihrer Zukunftsidee des Batterie-Recyclings überzeugen, um „Breakthrough Winner of the Year in the Emerging Talents category of Falling Walls” zu werden. Die Gewinnerin bzw. der Gewinner erhält einen Geldpreis und darf ihren bzw. seinen Vortrag am 9. November noch einmal auf der Falling Walls Conference vor großem Publikum halten.

Die Falling Walls Conference wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), der Helmholtz Gemeinschaft sowie der Robert Bosch Stiftung gefördert. Zudem beteiligen sich eine Vielzahl wissenschaftlicher Einrichtungen und Stiftungen, darunter acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften, die Leibniz-Gemeinschaft, die Fraunhofer-Gesellschaft, die Max-Planck-Gesellschaft, der Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft, der Deutsche Akademische Austauschdienst (DAAD), die Körber-Stiftung, die Leopoldina – Nationale Akademie der Wissenschaften, die Berliner Senatsverwaltung für Bildung, Wissenschaft und Forschung sowie der Europäische Forschungsrat.

Der Darm und sein Mikrobion immer wichtiger für die Gesundheit – Nachrichten aus dem Zoo

Landwirtschaft, Tier- Pflanzenwelt

(Uni Kiel) – Umfangreiche Vergleichsstudie an der CAU zur Zusammensetzung der Bakterienbesiedlung von Zootieren liefert neue Erkenntnisse über den Verlust an mikrobieller Vielfalt im menschlichen Körper

Im Mittelpunkt der lebenswissenschaftlichen und medizinischen Forschung steht seit einigen Jahren die Frage, wie die in und auf einem Körper lebenden Mikroorganismen zentrale Lebensprozesse und damit Gesundheit und Krankheit ihres Wirtslebewesens beeinflussen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter anderem an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) konnten zahlreiche Belege sammeln, dass es Zusammenhänge zwischen der Gesamtheit der mikrobiellen Besiedlung des Körpers, dem sogenannten Mikrobiom, und der Entstehung von Krankheiten gibt. Speziell chronisch-entzündliche Darmerkrankungen (CED) sind eng mit der Zusammensetzung und Balance des Mikrobioms verknüpft. Gemeinsam mit zahlreichen anderen sogenannten Umwelterkrankungen hat ihre Häufigkeit in den vergangenen Jahrzehnten stark zugenommen. Eine mögliche Ursache sehen Forschende im massiven Rückgang der mikrobiellen Artenvielfalt des menschlichen Mikrobioms. Dessen Verarmung geht vermutlich auf die radikale Änderung der Lebensbedingungen in der westlichen Gesellschaft zurück, die unter anderem von industriell hergestellten Lebensmitteln, umfassenden Hygienemaßnahmen, massiver Antibiotikanutzung und sozial isolierten Lebensweisen geprägt sind. Großes Potenzial sehen Forschende in künftigen Interventionen zur Wiederherstellung eines gesunden Mikrobioms. Wichtige Anhaltspunkte, um einen solchen gesunden Zustand zu definieren, liefern vergleichende Mikrobiomstudien – sowohl mit ursprünglich lebenden menschlichen Gesellschaften, als auch mit Tieren.

Forschende der CAU haben nun in einer umfangreichen Vergleichsanalyse im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1182 „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“ insgesamt 368 Stuhlproben von 38 verschiedenen Tierarten von Wiederkäuern bis hin zu Primaten analysiert, um die Einflüsse der evolutionären Verwandtschaftsverhältnissen der verschiedenen Arten untereinander und der äußeren Lebensbedingungen auf die Zusammensetzung des Mikrobioms zu untersuchen. Das Probenmaterial sammelten sie in sieben deutschen Zoos und verglichen es sowohl untereinander als auch auch mit menschlichen Proben, indem sie darin enthaltenen Mikrobenarten per Genomsequenzierung bestimmten und so jeweils die verschiedenen Mikrobiomzusammensetzungen der diversen Tierarten charakterisieren konnten. Das Forschungsteam vom Institut für Klinische Molekularbiologie (IKMB) unter Leitung von Professor Andre Franke stellte fest, dass das Vorkommen bestimmter Bakterienarten zum Beispiel bei einigen Affenarten aber auch beim Menschen zurückgeht und ihr Mikrobiom offenbar insbesondere in Anpassung an Veränderungen ihrer Lebensbedingungen verarmt. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forschenden, die auch an der DFG-Forschungsgruppe miTarget beteiligt sind, kürzlich in der Fachzeitschrift BMC Microbiology.

Lebensweise beeinflusst das Mikrobiom bei Mensch und Tier
Die Zusammensetzung des Mikrobioms hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab. Dazu zählen unter anderem die Ernährung, Umwelteinflüsse oder die Verwandtschaftsbeziehungen der Wirtslebewesen untereinander. Um ihre Daten unter kontrollierten Bedingungen gewinnen zu können, sammelten die Kieler Forschenden Proben von in Gefangenschaft lebenden und nach einheitlichen Standards gefütterten Tieren, unter anderem in Zoos in Hamburg, Berlin und Neumünster. Für die Wissenschaft sind solche Kooperationen von hohem Wert, da sie einfach zugängliches Probenmaterial und damit wichtige Datenquellen für ein ganzes Spektrum von Forschungsfragen zur Verfügung stellen können. In der aktuellen Arbeit bildet das in den Zoos gesammelte Probenmaterial zum Beispiel die Grundlage einer neuartigen Biobank, die teilweise noch gänzlich unbekannte Mikrobenarten beinhaltet und daher von großem wissenschaftlichem Interesse ist. „Bei der Analyse der Mikrobiomdaten stellten wir zunächst fest, dass die Geografie keinen großen Einfluss auf die Bakterienbesiedlung des Darms zu haben scheint und die Zusammensetzung der Mikroorganismen weitgehend unabhängig vom Standort ist“, sagt Erstautorin Dr. Corinna Bang, Leiterin des Mikrobiomlabors am IKMB. „Die Phylogenie, also die evolutionären Verwandtschaftsverhältnisse von Lebewesen – und damit auch das eigene Erbgut – spielt dagegen grundsätzlich die wichtigste Rolle für die Mikrobiomkomposition. Je näher verschiedene Arten miteinander verwandt sind, desto ähnlicher ist auch ihr Mikrobiom, denn es hat sich über lange evolutionäre Zeiträume weitgehend parallel entwickelt“, so SFB 1182-Mitglied Bang weiter.

Unter gewissen Umständen kann es aber im Tierreich dazu kommen, dass dieser eigentlich bestimmende Faktor in den Hintergrund tritt und von den Auswirkungen spezieller Lebensbedingungen überlagert wird. Diesen Aspekt konnten die Forschenden des SFB 1182 nun beleuchten, als sie die Mikrobiomdaten bestimmter afrikanischer Affenarten mit jenen von Affen aus Südamerika verglichen. Obwohl sie relativ nah verwandt sind, weichen ihre Lebensweisen stark voneinander ab: Im Falle der afrikanischen Tiere leben sie in großen sozialen Verbänden am Boden, ihre südamerikanischen Verwandten leben, vor allem in Zoos, auf Bäumen in relativ isolierten Kleingruppen. Überraschenderweise spiegelten sich ihre gegensätzlichen Lebensweisen auch in deutlichen Unterschieden in der Zusammensetzung ihres jeweiligen Mikrobioms wider: „Die Unterschiede in der Lebensweise überlagern hier also den Einfluss der relativ engen Verwandtschaft. Konkret bedeutet dies, dass es bei den südamerikanischen Affen zu einem deutlichen Rückgang charakteristischer einzelner Bakterienarten im Vergleich mit den afrikanischen Tieren kommt. Wir vermuten, dass diese Verarmung ihres Mikrobioms mit ihrer vergleichsweise kontaktarmen Lebensweise zusammenhängt“, so Bang weiter.

In diesem Aspekt sehen die Kieler Forschenden eine wichtige Parallele zur Entwicklung des menschlichen Mikrobioms. „Der Verlust bestimmter Bakterienarten des Mikrobioms – insbesondere Spirochaeta und Prevotella, die bei der Verdauung ballaststoffreicher, pflanzlicher Nahrungsbestandteile helfen – ist nicht nur bei den südamerikanischen Affen, sondern auch beim Menschen zu beobachten. Diese übereinstimmenden Muster untermauern die Annahme, dass die Verarmung des Mikrobioms mit den schnell geänderten menschlichen Lebensbedingungen zusammenhängen könnte“, betont Dr. Louise Thingholm, Bioinformatikerin am IKMB.

Gesundes Mikrobiom fördern
Der Übergang zur industriell und urban geprägten Lebensweise in der westlichen Welt hat in den vergangenen Jahrzehnten aus evolutionärer Sicht in sehr kurzer Zeit stattgefunden. Eine Hypothese der Forschenden ist daher, dass sich die menschlichen Mikrobengemeinschaften -nachdem sie sich wie im Tierreich über Jahrtausende nur wenig veränderten – an das abrupte Aufkommen des westlichen Lebensstils nicht mehr anpassen konnten. So sei der drastische Rückgang der mikrobiellen Vielfalt mit seinen zahlreichen gesundheitlichen Folgen zu erklären. „Eine fundamentale Aufgabe für die künftige Mikrobiomforschung wird es daher sein, genau zu definieren, welche Bestandteile der ursprünglichen Bakterienbesiedlung des Körpers wiederhergestellt werden müssen, um bestimmte Mikrobiom-assoziierte Krankheiten zu lindern oder zu vermeiden“, fasst miTarget-Sprecher Franke zusammen, der auch ein Teilprojekt im SFB 1182 leitet. „Dies könnte künftig einerseits durch gezielte Eingriffe in das Mikrobiom auf therapeutischem Wege geschehen. Ebenso wichtig wird es aber sein, eine präventive Lebensweise zu fördern, die wieder mehr mikrobielle Diversität zulässt“, so Franke weiter. Bei der Identifizierung von therapeutischen Zielen im Mikrobiom steht die Forschung trotz vielversprechender Perspektiven zurzeit noch am Anfang. Eine Mikrobiom-freundliche Lebensweise hingegen lässt sich bereits heute realisieren und besteht im Wesentlichen darin, die aus mikrobiologischer Sicht problematischen Aspekte des westlichen Lebensstils zumindest abzumildern und in vielfältiger Weise wieder mehr Kontakte mit Mikroorganismen zuzulassen.

Gehen bei uns demnächst die Lichter aus – oder schafft die zukünftige Ampelkoalition die Quadratur des Kreises ?

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Es geht um die sichere Versorgung Deutschlands mit elektrischem Strom ohne zu erwartenden Blackout

Das Thema greife ich auf, weil das Netz abschaltet, wenn mehr elektrischer Strom angefordert wird als geliefert werden kann. Das ist eine technische Gesetzmäßigkeit. Die Frage ist, ob demnächst – wie von der ehemaligen Groko für 2030/2045 vorausgeplant – unsere Energieversorgung ausschließlich mit in Deutschland gewonnenem regenerativen elektrischen Strom möglich ist?

Zur Klimarettung gibt es keine Alternative, aber ob wir aus Deutschland mit nur 2% CO2-Ausstoß die Welt retten können, und uns das alle Länder nachmachen, hängt weniger von unseren Verhaltensweisen ab, als dass es uns gelingt, die entscheidenden Länder von unseren technologischen Ideen zu überzeugen.

Ganz klar: diese höchst löbliche Absicht darf nicht im Wunschdenken verharren, und nur Ziele formulieren – z. B. die maximale Klimaerwärmung auf 1,5 bis 2° C festzulegen, ohne den Weg dahin konkret zu beschreiben. Das hat ja schon unser Bundesverfassungsgericht moniert. Der Populismus der Parteien der letzten Jahre scheint dem keine Rechnung zu tragen, auch werden einfach naturwissenschaftliche und technische Gesetzmäßigkeiten weggewischt, als ob man darüber politisch entscheiden könnte.

Die Einsicht, dass CO2 als Übeltäter reduziert werden muss, lässt sich noch dem deutschen Volk vermitteln. Dass dieses Problem aber vielschichtiger ist, da schweigt des Sängers Höflichkeit.

Die radikale Strategie, den CO2-Ausstoß völlig zu verbieten, führt auf lange Sicht dazu, dass nicht nur die deutsche Industrie ihre Weltgeltung verliert, bzw. in andere Länder abwandert. Verbunden ist das mit dem Verlust von Hunderttausenden von Arbeitsplätze. Von uns Bürgern wird zusätzlich verlangt, nicht nur den Gürtel enger zu schnallen, sondern auf vieles zu verzichten, was uns das Leben lebenswert gemacht hat, z. B. die individuelle Bewegungsfreiheit, in dem angeblich so ökologische Elektro-Autos für normale Bürger unerschwinglich werden trotz milliarden-schwerer Subventionen. Und wie ist es mit dem noch blühenden Export, der bisher volkswirtschaftlich unseren Wohlstand bestimmt? Lässt sich der Bürger das klaglos bieten, oder gefährdet sein Unverständnis unsere Demokratie? Nach dem Motto, was nicht sein darf das nicht sein kann hat bei uns das Wunschdenken überhand genommen. Warum werden viel preiswertere Alternative, z. B. ein wesentlich ökologischeres Elektro-Auto, welches für jedermann erschwinglich ist, verworfen? Eben, weil es nicht in eine spezielle grüne vom Wunschdenken geprägte Ideologie passt, die zum Scheitern verurteilt ist. ‚Was nicht sein darf, das nicht sein kann“. Leider werden die Konsequenzen von oft für den Staatssäckel sehr teuren Verordnungen und Gesetzen dem Bürger verschwiegen.

Auch was die regenerative Energie betrifft, so wird immer noch an alten Beschlüssen herumgedoktert, die den Blick über den Tellerrand vermissen. Alternativen werden von der Politik noch nicht einmal geprüft. Und sogar die Industrie hält still, weil Subventionen sie kurzfristig beruhigen. So verlagert derzeit die Automobilindustrie die Produktikon von Verbrennungsmotoren – z. B. Daimler – nach China, eine Konzession an die Phobie der Grünen. Dafür wird jedes Elektro-Auto mit 20.000 Euro gesponsert. Der Spruch aus Goethes ‚Erlkönig‘: „Bist Du nicht willig, so brauch ich Gewalt“ gilt nicht mehr in einer freien Wirtschaft. Dafür wird die Industrie im Stil von Klatschreporter Baby Schimmerlos: “ wenn Du nicht willst, überschütte ich Dich mit Geld, dann kommst Du zur Räson“ plattgebügelt. So wurde die KFZ-Industrie z. B. verführt, nur noch auf diese Batterie-schweren Elektroautos zu setzen. Vernachlässigte Industriezweige lässt man nach China auswandern wie die Robotik- oder Eisenindustrie oder in nicht zu ferner Zeit die gesamte Autoindustrie.

Verhängnisvoll ist auch, dass selbst die technologische Forschung diesem Prinzip unterworfen ist. Während früher deutsche Forscher mit ihrem Erfindergeist viele epochale Probleme gelöst haben, stehen manche heute im Dienst politischen Wunschdenkens. Damit nimmt die Politik auch Einfluss auf die Wissenschaft nach dem Motto: wes Brot ich ess‘ des Lied ich sing‘. Die Folge ist Political Correctness. So werden viele politische Ideologien von bestimmten Instituten bestätigt, die z. B. behaupten, die komplette regenerative Energieversorgung aus Deutschland wäre möglich. Ich vermute, wider besseres Wissen, denn ihr gesamter Forschungsetat hängt von den staatlichen Zuschüssen ab.

Ich kann nur hoffen, dass die vermutete Ampelkoalition diesen Versuchungen weniger ausgesetzt ist als die vorherige Groko aus SPD und CDU. Mir würde schon reichen, wenn man die Lösung unter dem Aspekt des kleineren Übels angeht, das heißt, Alternativen nicht einfach verwerfen, sondern sich für die entscheiden, die die Volkswirtschaft am wenigsten zermürben. Auf lange Sicht führt das zu irrationalen Einstellungen der Bürger, die nicht mehr beherrschbar sind – auch nicht durch Verbote und Gebote.

Es geht mir in meinen Kommentaren nicht nur um Kritik, sondern ich möchte auch meine Vorbildung als Ingenieur, Physiker und Soziologe dazu nutzen, Verbesserungs-Vorschläge zu machen, z. B. meine auf weltweite Zustimmung schielende regenerative Methanol-Strategie auf Basis von grünem Wasserstoff, gewonnen und produziert mit Strom aus den Ländern, die Sonne und Wind im Übermaß besitzen. . Das sind vor allem die Drittwelt-Länder, die am meisten von der Klimaerwärmung gebeutelt werden. Es können aber auch die Länder sein, in denen bisher das Erdöl sprudelte, die haben genügend Kapital zur Verfügung, wie man an den Golf-Staaten beobachten kann. Wenn Dubai auf die Fußball-Weltmeisterschaft verzichtet hätte, reichte das Geld aus, um alle diese Pläne zu verwirklichen. Hinzu kommt, dass abgefiltertes CO2 in Form von leicht verflüssigbarer Kohlensäure aus im Übergang notwendigen Erdgaskraftwerken im Recycling-Modus als Wertstoff eine wichtige Rolle spielt. Methanol kann alle fossilen Energieträger ersetzen und in Tanks und Pipelines transportiert werden, die heute weltweit der Verteilung der Produkte aus Erdöl dienen. Weitere Investitionen und staatliche Förderungen in die Infrastruktur sind nicht notwendig.

Sehen und hören Sie sich auch mein frei moderiertes Video an.

Ihr Jean Pütz

Folge 232: Der Vernunft eine Chance

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Scholz und Habeck räumen Blockade bei Finanzfragen ein

Allgemein, Politik Gesellschaft

(FAZ) – Die Entlastung von kleinen und mittleren Einkommen durch eine Steuerreform ist laut SPD-Kanzlerkandidat Olaf Scholz und Grünen-Co-Chef Robert Habeck nur bei steigenden Steuereinnahmen möglich. Beide Politiker sagten am Sonntag in der ARD-Sendung „Anne Will“, ohne die von der FDP verhinderten Steuererhöhungen fehle dafür der Spielraum. Man werde nun in den kommenden vier Jahren sehen, welche Möglichkeiten sich noch ergäben.

Scholz zeigte sich zugleich überzeugt, dass das Bundesverfassungsgericht den noch bestehenden Soli-Zuschlag für Besserverdienende nicht kippt. Er sei sich „so sicher wie man sein kann vor Gericht“. Habeck äußerte sich vorsichtiger und verwies darauf, man müsse man eine Entscheidung Karlsruhes abwarten. Sollte der Soli komplett abgeschafft werden müssen, rechnen Experten mit einem Milliardenloch bei den Steuereinnahmen.

„Unentschieden“ in Finanzfragen

„Insofern gibt es in dem Bereich der Finanzpolitik, der die Steuern umfasst, keine große Bewegung, das muss man ehrlich sagen“, sagte Habeck zu den Ampel-Gesprächen über eine Steuerreform. Im Bereich der steuerlichen Be- und Entlastungen sei die Sondierung zwischen den drei Parteien „quasi auf Unentschieden gestellt“. Wegen der FDP und auch der Union seien Verfassungsänderungen an der Schuldenbremse nicht möglich, so dass der Spielraum durch eine Neuverschuldung begrenzt sei. Dafür habe die FDP aber auch keine Senkung der Unternehmenssteuern durchsetzen können.

Scholz und Habeck verwiesen aber auf andere verabredete Reformen und betonten, dass etwa die geplante Abschaffung der EEG-Umlage auch Privatpersonen entlaste und damit Mehrkosten für höhere Energiepreise ausgleichen könne. Scholz sprach von einem Betrag von 300 Euro für eine vierköpfige Familie.

Er verwies zudem auf die geplante Aufstockung des Mindestlohns auf zwölf Euro und die verabredete Aufstockung der Grenzen sogenannter Midi-Jobs, von der vor allem untere Einkommen profitieren würden.

Energiekosten: Trittin für höheren Grundfreibetrag

In die konkreten Koalitionsverhandlungen mit SPD und FDP gehen die Grünen mit der Forderung nach einer Erhöhung des Wohngelds und des steuerfreien Existenzminimums als Ausgleich für die stark gestiegenen Energiepreise. Der ehemalige Bundesumweltminister Jürgen Trittin, der für die Grünen die Bereiche Klima und Energie verhandelt, sagte am Sonntagabend dem Sender Bild TV: „Ich persönlich bin der Auffassung, dass wir in der Tat beim Wohngeld und bei der Frage des Steuerfreibetrages hier etwas tun müssen“.

Maßnahmen in diesen Bereichen seien „zielgenau und das hilft denjenigen, die von steigenden Energiepreisen betroffen sind und die das nicht wegstecken können“, sagte Trittin. Sollte es gelingen, bis Anfang Dezember eine Ampel-Koalition zu bilden, könnten die Hilfen zum 1. Januar 2022 in Kraft treten. Er gehe davon aus, dass allein durch eine Wohngelderhöhung „für viele übers Jahr gerechnet wahrscheinlich mehr als 100 Euro“ rauskommen, sagte Trittin dem Sender.

Einer Senkung von Energiesteuern erteilte der Grünen-Politiker eine Absage: „Dann ist erstens nicht sichergestellt, dass dadurch die Preise auch wirklich sinken. Und Sie erreichen zweitens Leute, die es nicht nötig haben.“ Zudem maximiere dies „Einnahmeausfälle, die der Staat an dieser Stelle hat“. Das sei „teuer, ineffizient und sozial ungerecht“.

Skeptisch äußerte sich Trittin zu einer Erhöhung der Pendlerpauschale. Dadurch würden jene entlastet, „die viel fahren und über ein überdurchschnittliches Einkommen verfügen“. Er halte es für „zielgenau und richtig“, Hilfen von der Höhe des Einkommens abhängig zu machen, wie dies auch die Franzosen machten. Rentner hätten im Übrigen „von der Pendlerpauschale überhaupt nichts, weil sie halt nicht pendeln“, sagte Trittin dem Sender. Die Erhöhung des steuerfreien Existenzminimums und des Grundfreibetrags helfe Rentnern hingegen. Dies gelte auch für das Wohngeld, wenn sie Mieter seien.

COVID-19-Impfung für Schwangere sicher

Klassische Medizin

(pte) – Die Impfung gegen das Coronavirus hat keinerlei negative Folgen für Schwangere. Das hat eine Studie von Deshayne Fell von der School of Epidemiology and Public Health der Medizinischen Fakultät der Universität Ottawa gezeigt. Die Expertin hat die Daten in mehreren nationalen Gesundheitsregistern in Norwegen analysiert, um den Anteil der geimpften Frauen, die während der ersten drei Schwangerschaftsmonate eine Fehlgeburt erlitten und der Frauen, die nach der gleichen Zeit noch schwanger waren, zu vergleichen.

Bisherige Einschätzung bestätigt

„Wir fanden keine Hinweise auf ein erhöhtes Risiko für Fehlgeburten nach der COVID-19-Impfung“, heißt es in dem Studienbericht, der im „New England Journal of Medicine“ veröffentlicht wurde. „Dieses Ergebnis ist beruhigend für Frauen, die in der Schwangerschaft geimpft wurden und unterstützt die immer sicherer werdenden Annahmen, dass diese Impfung für Schwangere ohne Risiko ist“, so Fell.

Fell, die gegenwärtig eine Untersuchung leitet, in der Wirksamkeit und Sicherheit von COVID-19-Impfstoffen überprüft werden, und das internationale Team hinter der Studie fanden keinen Zusammenhang zwischen der Art des erhaltenen Impfstoffs und einer Fehlgeburt. In Norwegen wurden unter anderem Pfizer, Moderna und AstraZeneca eingesetzt.

Impfung schützt später Säugling

„Es ist wichtig, dass Schwangere geimpft werden, da sie ein höheres Risiko für Krankenhausaufenthalte und COVID-19-Komplikationen haben und ihre Säuglinge ein höheres Risiko haben, zu früh geboren zu werden. Auch die Impfung während der Schwangerschaft schadet dem Neugeborenen nicht.“

Kapitalismus lässt grüßen: Siemens steigt aus dem Feld großer Motoren aus

Physik, Chemie, Technik

Kapitalismus lässt grüßen: Siemens steigt aus dem Feld großer Motoren, Transformatoren und Wechselrichter aus, dank Grünen-Ideologie kann damit offenbar kein Geld mehr verdient werden.

(manager-Magazin) – Siemens bereitet ein weiteres seiner kleineren Geschäftsfelder auf einen Verkauf vor. Das Geschäft mit großen Antrieben – vor allem Elektromotoren,
Umrichter und Generatoren für Mittel- und Hochspannung – werde ausgegliedert und in einer eigenen Gesellschaft gebündelt, bestätigte ein Sprecher des Münchner
Technologiekonzerns einen Bericht des „Handelsblatts“ am Montag. Gewöhnlich ist die
Ausgliederung der erste Schritt, um einen Unternehmensteil verkaufen zu können. Der
Sprecher wollte sich nicht konkret dazu äußern. „Wir wollen dem Geschäft zusätzliche
Eigenständigkeit und unternehmerische Freiheiten geben, damit es sich noch besser auf seine Märkte und Kunden fokussieren kann“, sagte er nur.

Large Drives Applications (LDA), wie die Sparte bei Siemens offiziell heißt, ist mit rund
7000 Mitarbeitern, davon 2200 in Deutschland, die weitaus größte der verbliebenen vier „Portfolio Companies“, die nicht mehr zu den großen Siemens-Sparten passen und in
mittelständischen Strukturen auf mehr Rendite getrimmt werden sollen. Mit dem Getriebehersteller Flender hat Siemens vor einem Jahr eine davon für mehr als zwei Milliarden Euro an den Finanzinvestor Carlyle verkauft. LDA habe sich in den vergangenen Monaten gut entwickelt und sei einer der führenden Anbieter im Markt, sagte der Siemens-
Sprecher. Die Sparte produziert auch Antriebe für Schiffe oder Walzwerke.

Mit Brief- und Paketlogistik bereits ein Randbereich zum Verkauf gestellt

Mit der Brief- und Paketlogistik hat Siemens bereits einen der vier Randbereiche zum
Verkauf gestellt, wie Insider der Nachrichtenagentur Reuters gesagt hatten. Sie ist
traditionell in der Siemens Logistics GmbH gebündelt, muss also nicht eigens
ausgegliedert werden. Bei einem Verkauf könnte sie rund eine halbe Milliarde Euro
bringen. Zu ihr gehört auch die Flughafenlogistik – also Gepäckbänder für Flughäfen -, die aber angesichts der schwierigen Lage in der Luftfahrt bei dem Verkauf zunächst außen
vor bleiben soll.

Insgesamt gehören Firmenteile mit 3,2 Milliarden Euro Umsatz und 15.400 Mitarbeitern
zu den „Portfolio Companies“. Neben den großen Antrieben und der Logistik zählen dazu Siemens Commercial Vehicle als Anbieter für Antriebe elektrischer Nutzfahrzeuge wie
Busse und Bagger sowie Mechanical Systems and Components, die sich unter der Marke Sykatec mit Blechbearbeitung beschäftigt. Das große Sorgenkind ist aber Valeo Siemens
eAutomotive: Das E-Mobilitäts-Gemeinschaftsunternehmen mit dem französischen
Autozulieferer Valeo schreibt anhaltend Verluste.

 

Quantenmaterial als Terahertz-Booster

Physik, Chemie, Technik

(Helmholtz) – Sie gelten als hochinteressante Materialien für die Elektronik der Zukunft: Topologische Isolatoren leiten Strom auf eine besondere Weise und versprechen neuartige Schaltkreise und einen schnelleren Mobilfunk. Ein Forschungsteam aus Deutschland, Spanien und Russland hat nun unter Federführung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) eine grundlegende Eigenschaft der neuen Werkstoffklasse enträtselt: Wie im Detail reagieren die Elektronen im Material, wenn sie mit kurzen Pulsen sogenannter Terahertz-Strahlung „aufgeschreckt“ werden? Die Resultate sind nicht nur für das fundamentale Verständnis dieser neuartigen Quantenmaterialien wichtig, sondern könnten künftig für eine schnellere mobile Datenkommunikation sorgen oder in hochempfindlichen Detektorsystemen für die Erkundung ferner Welten eingesetzt werden, wie das Team im Fachjournal NPJ Quantum Materials (DOI: 10.1038/s41535-021-00384-9) berichtet.

Topologische Isolatoren sind eine noch junge Materialklasse mit einer besonderen Quanteneigenschaft: An ihrer Oberfläche können sie Strom nahezu verlustfrei leiten, wogegen ihr Inneres als Isolator fungiert – hier kann keinerlei Strom fließen. Für die Zukunft verspricht das interessante Perspektiven: Topologische Isolatoren könnten als Grundlage für hocheffiziente elektronische Bauteile dienen, was sie zu einem interessanten Forschungsfeld in der Physik macht.

Noch aber sind einige grundlegende Fragen offen: Was zum Beispiel geschieht, wenn man die Elektronen im Material mit bestimmten elektromagnetischen Wellen – sogenannter Terahertz-Strahlung – „anschubst“ und dadurch energetisch anregt? Klar ist: Die Elektronen wollen den zwangsweise verpassten Energieschub möglichst rasch wieder loswerden, etwa indem sie das Kristallgitter um sich herum erwärmen. Doch bei den topologischen Isolatoren war bislang fraglich, ob dieses Loswerden der Energie in der leitenden Oberfläche schneller passiert als im isolierenden Kern. „Um das festzustellen, mangelte es bisher an geeigneten Experimenten“, erklärt Studienleiter Dr. Sergey Kovalev vom Institut für Strahlenphysik am HZDR. „Bislang war es extrem schwierig, bei Raumtemperatur zwischen der Reaktion der Oberfläche und der des Materialinneren zu unterscheiden.“

Um diese Hürde zu überwinden, entwickelte er gemeinsam mit einem internationalen Team einen raffinierten Versuchsaufbau: Intensive Terahertz-Pulse treffen auf die Probe und regen die Elektronen an. Unmittelbar darauf beleuchten Laserblitze das Material und erfassen, wie die Probe auf den Terahertz-Reiz reagiert. In einer zweiten Versuchsreihe messen spezielle Detektoren, inwieweit die Probe einen ungewöhnlichen nichtlinearen Effekt zeigt und die eintreffenden Terahertz-Pulse in ihrer Frequenz vervielfacht. Diese Experimente führte Kovalev an der Terahertz-Lichtquelle TELBE im ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen des HZDR durch. Daran beteiligt waren Forscher*innen des Katalanischen Instituts für Nanowissenschaften und Nanotechnologie in Barcelona, der Universität Bielefeld, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), der TU Berlin sowie der Lomonossov-Universität und dem Kotelnikov-Institut für Funktechnik und Elektronik in Moskau.

Rasanter Energieübertrag

Entscheidend war dabei, dass das Team nicht nur ein einziges Material unter die Lupe nahm. Stattdessen stellten die russischen Projektpartner drei verschiedene topologische Isolatoren mit unterschiedlichen, genau abgestimmten Eigenschaften her: In einem konnten nur die Elektronen an der Oberfläche die Energie der Terahertz-Pulse direkt aufnehmen, in den anderen wurden hauptsächlich Elektronen im Probeninneren angeregt. „Der Abgleich dieser drei Experimente erlaubte es, präzise zwischen dem Verhalten der Oberfläche und der des Materialinneren zu unterscheiden“, erklärt Kovalev. „Und zwar haben sich die Elektronen in der Oberfläche deutlich schneller abgeregt als die im Inneren des Materials.“ Offenbar waren sie in der Lage, ihre Energie unverzüglich auf das Kristallgitter des Materials zu übertragen.

In Zahlen: Waren die Oberflächen-Elektronen nach wenigen hundert Femtosekunden in ihren ursprünglichen energetischen Zustand zurückgekehrt, dauerte dies bei den „inneren“ Elektronen rund zehnmal so lange, also einige Pikosekunden. „Topologische Isolatoren sind hochkomplexe Systeme, sie sind theoretisch alles andere als einfach zu verstehen“, betont Michael Gensch, ehemals Leiter der TELBE-Anlage am HZDR und nun Abteilungsleiter am Institut für Optische Sensorsysteme des DLR sowie Professor an der TU Berlin. „Unsere Resultate können bei der Entscheidung helfen, welche der theoretischen Ideen zutreffend sind.“

Hocheffektive Multiplikation

Doch das Experiment verspricht auch interessante Perspektiven für die digitale Kommunikation, etwa für WLAN und Mobilfunk. Technologien wie 5G arbeiten heute im Gigahertz-Bereich. Ließen sich höhere Frequenzen im Terahertz-Bereich nutzen, könnte man deutlich mehr Daten über einen Funkkanal übertragen. Eine wichtige Rolle könnten dabei sogenannte Frequenzvervielfacher spielen: Sie sind in der Lage, relativ niedrige Funkfrequenzen in deutlich höhere zu übersetzen.

Vor einiger Zeit hatte das Forschungsteam erkannt, dass Graphen – zweidimensionaler, superdünner Kohlenstoff – unter bestimmten Bedingungen als effizienter Frequenzvervielfacher dienen kann. Es vermag eine 300-Gigahertz-Strahlung in Frequenzen von einigen Terahertz zu konvertieren. Das Problem: Ist die eintreffende Strahlung extrem intensiv, verliert Graphen stark an Effizienz. Topologische Isolatoren dagegen funktionieren selbst noch bei intensivster Anregung, so das Resultat der neuen Studie. „Damit könnte es möglich sein, Frequenzen von einigen Terahertz auf mehrere Dutzend Terahertz zu multiplizieren“, glaubt HZDR-Physiker Dr. Jan-Christoph Deinert, der das TELBE-Team gemeinsam mit Kovalev leitet. „Bisher sehen wir da bei den topologischen Isolatoren noch kein Ende.“

Damit könnten die neuen Quantenmaterialien in einem deutlich breiteren Frequenzbereich eingesetzt werden als etwa Graphen. „Am DLR haben wir ein großes Interesse daran, solche Quantenmaterialien in leistungsfähigen Heterodyn-Empfängern für die Astronomie, insbesondere in Weltraumteleskopen, einzusetzen“, erläutert Gensch.