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Neues elektrisches Wärmepumpen-Prinzip zum Heizen und Kühlen

Physik, Chemie, Technik

(Fraunhofer) – Wärmepumpen spielen eine entscheidende Rolle in der Energiewende: Nachhaltig erzeugter elektrischer Strom sorgt für Wärme im Winter und gutes Klima im Sommer. Wärmepumpen arbeiten heute nahezu ausschließlich auf Basis von Kompressor-Technologie. Kompressoren benötigen schädliche Kältemittel, deren Einsatz gesetzlich in Zukunft noch stärker eingeschränkt wird. Vor diesem Hintergrund entwickeln sechs Fraunhofer-Institute im Fraunhofer-Leitprojekt ElKaWe hocheffiziente elektrokalorische Wärmepumpen, die ohne schädliche Kältemittel auskommen.

Wärmepumpen auf Basis von Kompressoren werden zum Heizen und Kühlen verwendet. Die in den Systemen eingesetzten Kältemittel sind jedoch schädlich für Klima, Gesundheit und Umwelt, in einigen Fällen zudem explosiv. Das die Ozonschicht schädigende FCKW wurde längst verboten, und auch der Einsatz von klimaschädlichen Fluorkohlen-wasserstoffen (FKW) wird im Rahmen der europäischen F-Gase-Verordnung stark reglementiert. Festkörperbasierte Wärmepumpen, zu denen elektrokalorische Systeme zählen, arbeiten mit unbedenklichen Fluiden wie zum Beispiel Wasser. Kalorische Systeme sind zudem geräuschlos, was beispielsweise für die Klimatisierung von Elektrofahrzeugen von Bedeutung ist. Bisherige Erkenntnisse geben zudem Grund zur Annahme, dass elektrokalorische Wärmepumpen der Kompressor-Technologie auch im Hinblick auf die Effizienz überlegen sein werden. »Wir sehen die Chance, kompressorbasierte Wärmepumpen langfristig vollständig abzulösen«, sagt Prof. Karsten Buse, Institutsleiter am Fraunhofer IPM, der das Projekt leitet. »Nach den Erkenntnissen, die wir bisher auf dem Gebiet gewinnen konnten, kann die Elektrokalorik disruptives Potenzial für die Wärme- und Kältetechnik haben.«

Wärmepumpen: regenerativ erzeugten Strom für die Wärmeerzeugung nutzbar machen
Laut Umweltbundesamt entfällt mehr als die Hälfte der deutschlandweit eingesetzten Gesamtenergie auf das Heizen und Kühlen. Wärmepumpen, die Umweltwärme für die Heizung und Warmwasserzubereitung in Gebäuden nutzen und mit regenerativ erzeugtem Strom betrieben werden, sind daher ein wichtiger Baustein für die Wärmewende. Sie sind das fehlende Bindeglied zwischen Strom- und Wärme-Erzeugung, die heute noch immer vorwiegend auf fossile Energieträger baut. Der Zuwachs an Wärmepumpen verläuft jedoch zögerlich. Grund ist die unzureichende Wirtschaftlichkeit. Elektrokalorische Wärmepumpen versprechen einen deutlich höheren Wirkungsgrad, der die Verbreitung von Wärmepumpen für die Gebäudeklimatisierung befördern wird. In der Kältetechnik hat das Forschungsteam vor allem die industrielle Kühltechnik, Fahrzeugklimatisierung, Server- und Schaltschrankkühlungen und Laborkühlschränke im Blick. Grundsätzlich eignet sich die Technologie auch für die Haushaltskühltechnik. Hier weichen die meisten Hersteller inzwischen auf natürliche Kältemittel wie Isobutan oder Propan aus. Letztere sind zwar nicht klimaschädlich, jedoch hochexplosiv, weshalb sie für sicherheitskritische Anwendungen –  wie zum Beispiel in der Industrie oder im Automobil – nicht infrage kommen.

Innovationen bei Material und Wärmeübertrag
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler werden am Material- und Systemaufbau arbeiten, um das disruptive Potenzial der Technologie zu demonstrieren. Das Fraunhofer IKTS verfügt über umfassende Erfahrung mit keramischen elektrokalorischen Materialien und Beschichtungen. Fraunhofer IAP und LBF bringen Know-how zur Entwicklung von Polymermaterialien ein, die für den Einsatz in elektrokalorischen Wärmepumpen weiterentwickelt werden. Spezielle Beschichtungen zur Isolierung und Funktionalisierung der Komponenten entwickelt das Fraunhofer FEP. Das Fraunhofer LBF wird neben den Funktionspolymeren auch Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Materialien und Systeme untersuchen. Das Fraunhofer IAF wird die elektrische Ansteuerung für die Wärmepumpen entwickeln. Material und Komponenten müssen langzeitstabil, ausreichend verfügbar, kostengünstig und nicht zuletzt unbedenklich sein. All diese Kompetenzen werden zur Umsetzung eines vollkommen neuartigen, vom Fraunhofer IPM patentierten Systemansatzes zusammengebracht: Dieser sieht vor, den Wärmeübertrag durch eine Kombination aus Verdampfen und Kondensieren eines unschädlichen Fluids in sogenannten Heatpipes mit einer thermischen Diode zu realisieren. Die Wärmeabfuhr erwies sich bisher als Nadelöhr im Hinblick auf die Effizienz elektrokalorischer Systeme: Je schneller sie erfolgt, desto leistungsfähiger ist die Pumpe. Vorstudien zeigen, dass dies mit dem neuen Konzept sehr viel schneller gelingt. Die Systeme arbeiten ohne aktives Pumpen und erreichen dadurch eine um ein Vielfaches höhere Zyklusfrequenz als bisherige Systeme. In vier Jahren, so das Ziel des Teams, soll ein Demonstrator mit einer Leistung von 100 Watt und einem Temperaturhub von 30 K stehen.

Fraunhofer-Leitprojekt »Elektrokalorische Wärmepumpen (ElKaWe)
Das Fraunhofer-Leitprojekt ElKaWe startete am 1. Oktober 2019 und hat eine Laufzeit von vier Jahren. Das Projekt wird von der Fraunhofer-Gesellschaft mit insgesamt 8 Millionen Euro gefördert. Am Projekt beteiligt sind folgende Fraunhofer-Institute:

Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM (Projektkoordination)Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTSFraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAFFraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAPFraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBFFraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP

Wie funktioniert eine elektrokalorische Wärmepumpe?
Legt man ein elektrisches Feld an elektrokalorische Materialien an, so richten sich die elektrischen Momente im Feld aus – das Material erwärmt sich. Die entstehende Wärme wird über eine Wärmesenke abgeführt, sodass das Material wieder auf die Ausgangstemperatur abkühlt. Wir nun das elektrische Feld entfernt, so verringert sich die Ordnung der elektrischen Momente, und das Material kühlt ab. Jetzt kann es thermische Energie aus einer Wärmequelle aufnehmen. Der Effekt ist reversibel. So kann ein Zyklus aufgebaut werden, der als effiziente Wärmepumpe zum Kühlen oder Heizen funktioniert.

Verzögerung der Schmelzung des arktischen Eises durch Klimaerwärmung

Erde, Klima, Umweltschutz

(AWI) – Gemäß einer viel diskutierten Geo-Engineering-Idee könnten der Meereisrückgang und die globale Erwärmung gebremst werden, indem Millionen im Eis driftender, windgetriebener Pumpen die winterliche Eisbildung in der Arktis ankurbeln. AWI-Forscher haben diesen Vorschlag erstmalig in einem komplexen Klimamodell getestet und ihre Ergebnisse jetzt in der Fachzeitschrift Earth’s Future veröffentlicht. Dabei kommen sie zu ernüchternden Ergebnissen: Zwar könnten eisfreie Sommer um einige Jahrzehnte hinausgezögert werden. Außerhalb der Arktis würde dieser massive Eingriff jedoch keine nennenswerte Abkühlung mit sich bringen.

Es klingt wie Science-Fiction, ist aber eine ernst gemeinte Idee, um dem Klimawandel die Stirn zu bieten: Zehn Millionen windgetriebene Pumpen sollten in der Arktis verteilt werden, um die Bildung von Meereis im Winter anzukurbeln. Sie würden Meerwasser auf das Eis pumpen, das auf der Oberfläche anfrieren würde. Das dickere Eis könnte dadurch länger der sommerlichen Schmelze entgehen und dort weiter Sonnenlicht reflektieren, wo sonst der dunkle Ozean einer zunehmenden Erwärmung schutzlos ausgesetzt wäre. So könne nicht nur der Rückgang des arktischen Meereises, sondern auch weitere Fernwirkungen gebremst werden, vielleicht sogar die Erwärmung in niedrigeren Breiten verlangsamt. Diese von US-Forschern 2017 in der Fachzeitschrift „Earth’s Future“ unter dem Begriff „Arctic Ice Management“ veröffentlichte Geo-Engineering-Idee wurde nun von zwei Wissenschaftlern des Alfred-Wegener-Instituts, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) in einem gekoppelten Klimamodell nachgestellt. Das Ergebnis: Der beinahe komplette Verlust des sommerlichen Meereises, der im „Business-as-usual“-Szenario um die Mitte des Jahrhunderts eintritt, könnte rein physikalisch durch Begießen des winterlichen Meereises mit darunterliegendem Meerwasser tatsächlich bis zum Ende des Jahrhunderts verzögert werden. Dem Klima in Europa und global würde dieser Aufschub jedoch keine nennenswerte Abkühlung verschaffen.

„Wir wollten wissen, ob eine solche Manipulation des arktischen Meereises rein physikalisch funktionieren könnte, und was die Auswirkungen auf das Klima wären“, sagt Lorenzo Zampieri, Umweltphysiker und Doktorand am AWI in der Forschungsgruppe zur Meereisvorhersage. Also erweiterte er das AWI-Klimamodell so, dass die physikalische Wirkung der Pumpen—die ständige Befeuchtung der Meereisoberfläche während des Winters—imitiert werden konnte. Helge Goessling, Leiter der Gruppe, erklärt: „Normalerweise wird das Wachstum des Eises dadurch begrenzt, dass das dicker werdende Eis den Ozean zunehmend von der winterlichen Kälte abschirmt; mehr als wenige Meter Gesamtdicke sind normalerweise nicht drin. Doch diese Bremswirkung wird durch die Pumpen aufgehoben, denn das Eis würde von oben überfroren.“ Erste Modellsimulationen mit Pumpen, die in der gesamten Arktis Wasser auf das Eis tröpfeln würden, zeigen: Das Eis würde so Jahr für Jahr ein bis zwei Meter dicker. Erst am Ende des Jahrhunderts würde laut Klimamodell die CO2-verursachte globale Erwärmung dem Wachstum ein Ende bereiten. Und die Auswirkungen auf das Klima? Tatsächlich würde die sommerliche Erwärmung der Arktis um mehrere Grad abgeschwächt, wie in der ursprünglichen Arbeit spekuliert. Das Aufbringen von mit -1,8 °C relativ warmem Wasser würde jedoch im Winter den Wärmefluss ändern und zunächst für eine kräftige Erwärmung der Arktis sorgen. Diese Wärmeenergie würde auch in mittlere Breiten transportiert und dort im Ozean gespeichert.

Als nächstes führten die Forscher realistischere Simulationen durch, bei denen Pumpen nur dort eingesetzt werden, wo das Eis weniger als zwei Meter dick ist. „Zwei Meter dickes Eis hat bereits beste Chancen, die sommerliche Schmelze zu überstehen, und durch diese Einschränkung kann die unnötig starke winterliche Erwärmung vermieden werden“, sagt Lorenzo Zampieri. Die unerwünschte zusätzliche Erwärmung der mittleren Breiten bleibt so tatsächlich aus, jedoch stellte sich eine Linderung des Klimawandels ebenso wenig ein. Die Erwärmung der Arktis würde zwar im Sommer um etwa ein Grad abgeschwächt und der Rückgang des Meereises um 60 Jahre verzögert. Die dadurch verstärkte Reflexion des Sonnenlichts wäre jedoch nicht ausreichend, um den Klimawandel außerhalb der Arktis zu bremsen.

„Geo-Engineering kann von der Klimaforschung angesichts des bislang ungebremsten Klimawandels nicht als bloße Spinnerei abgetan werden“, meint Helge Goessling. Vielmehr müssten solche Ideen wissenschaftlich auf den Prüfstand gestellt werden. Arktisches „Eis-Management“, darin sind sich die beiden Autoren einig, ist für sich genommen interessant, jedoch kein sinnvoller Beitrag zur Linderung des globalen Klimawandels und sollte daher lieber Science-Fiction bleiben.

Neuer Kat löst Stickoxid-Problem in Städten

Erde, Klima, Umweltschutz, Politik Gesellschaft

(pte) – Ein neuartiger Fotokatalysator auf der Basis von Graphen und Titan entschärft 70 Prozent mehr atmosphärische Stickoxide als bisher bekannt. Ein Team des Graphen-Flaggschiffs, der größten wissenschaftlichen Forschungsinitiative der EU, hat diesen Effekt somit verbessert.

Verschmutzung säubern
„Die Fotokatalyse ist eine der wichtigsten Verfahren, Umweltverschmutzungen zu entschärfen, weil sie sich nicht verbraucht“, sagt Marco Goisis von Italcementi, einer Tochter des Projektkoordinators HeidelbergCement. Die Forscher stellten das Graphen her, indem sie davon Filme abspalteten, die die Dicke von einem einzigen Atom haben.

Diese unvorstellbar kleinen Partikel schütteten die Wissenschaftler in Wasser und vermischten sie mit nanopulverisiertem Titan. Diese Suspension wird auf Oberflächen verteilt, etwa auf Gehwegplatten aus Zement. Sobald diese von der Sonne beschienen werden, beginnt die Reaktion, die die Luft von Stickoxiden befreit. Die Reste werden von Regen oder Wind entfernt.

Stickoxidkiller in der Stadt
Der Verbundwerkstoff lässt sich laut Goisis auf unterschiedlichen Oberflächen auftragen. Da er in einer Zementfabrik arbeitet, bevorzugt er diesen Werkstoff als Unterlage. Wenn große Flächen wie Bürgersteige, Radwege und Fassaden damit ausgestattet werden, so ließen sich die Stickoxid-Konzentrationen dauerhaft senken. Allerdings ist das neue Material noch nicht in großen Mengen einsetzbar, da zu teuer. Zunächst müssten preiswertere Herstellungsverfahren für Graphen her sowie untersucht werden, ob der neue Fotokatalysator langzeitstabil ist.

Beethovens Unvollendete wird durch KI vollendet

Computer, TV, Medien

(dpa) – Mit Hilfe künstlicher Intelligenz soll Ludwig van Beethovens unvollendete 10. Sinfonie vollendet werden. Ein internationales Team aus Musikwissenschaftlern und Komponisten, dem Pianisten Robert Levin und Computer-Experten arbeite an dem Projekt, berichtet die «Frankfurter Allgemeine Sonntagszeitung» (FAS).

Ein Sprecher der Deutschen Telekom, die das Vorhaben initiiert hat, bestätigte das Vorhaben am Sonntag auf dpa-Anfrage.

Die Sinfonie soll demnach am 28. April vom Beethoven-Orchester in Bonn uraufgeführt werden. Im kommenden Jahr wird der 250. Geburtstag des berühmten Komponisten (1770-1827) groß gefeiert. Von der 10. Sinfonie, die Beethoven nicht mehr vollenden konnte, sind nur einige handschriftliche Skizzen und Notizen erhalten.

Dem FAS-Bericht zufolge wollen die Wissenschaftler einen Algorithmus so trainieren, dass er die vielen fehlenden Passagen Beethoven-gemäß ergänzt. Was dabei herauskomme, wisse keiner der Beteiligten. «Der Algorithmus ist unberechenbar, er überrascht uns jeden Tag aufs Neue», sagte Projektkoordinator Matthias Röder, Direktor des Karajan Instituts (Salzburg), der Zeitung. «Er ist wie ein kleines Kind, das die Welt Beethovens erkundet.»

Schon häufiger gab es Versuche, Computerprogramme komponieren zu lassen. Dazu zählt die «Fertigstellung» der berühmten unvollendeten 8. Sinfonie in h-Moll von Franz Schubert (1797-1828). Der chinesische Smartphone-Hersteller Huawei setzte das Projekt um, Uraufführung war im Februar 2019 in London.

Gefährdetes Kulturerbe auf dem Meeresboden

Landwirtschaft, Tier- Pflanzenwelt

(Leopoldina) – Der Meeresboden ist ein faszinierendes Archiv der Menschheitsgeschichte. Das gilt auch für die Nord- und Ostsee. Auf und in ihrem Grund sind nicht nur Schiffswracks zu finden, sondern auch Besiedlungsspuren aus urgeschichtlichen Zeiten, in denen Teile dieser Meere noch Festland waren. Das Kulturerbe unter Wasser ist jedoch bisher unzureichend geschützt. Archäologische Spuren könnten durch Kies- und Sandabbau, den Bau von Windkraftanlagen, die Verlegung von Kabeln und durch Fischerei für immer verloren gehen. Um für die Bedeutung des kulturellen Erbes in Nord- und Ostsee zu sensibilisieren, hat die Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina heute das Diskussionspapier „Spuren unter Wasser – Das kulturelle Erbe in Nord- und Ostsee erforschen und schützen“ veröffentlicht. Darin beschreiben die Autorinnen und Autoren den Wert des Unterwassererbes und empfehlen Maßnahmen für einen effektiven Schutz der Kulturgüter.

Die Autorinnen und Autoren legen in der Veröffentlichung dar, dass das kulturelle Erbe in Nord- und Ostsee für die archäologische Forschung in Deutschland und den anderen Anrainerstaaten dieser beiden Gewässer von großer Bedeutung ist. Die kulturgeschichtlichen Spuren unter Wasser seien in Deutschland jedoch viel weniger gut erschlossen, als die an Land. Gleichzeitig sei der wirtschaftliche Nutzungsdruck im Meeresraum sehr hoch und werde künftig weiter steigen. Zwei Ziele werden deswegen in dem Diskussionspapier formuliert: Erstens sollte Deutschland das kulturelle Erbe in Nord- und Ostsee umfassend und auf demselben hohen wissenschaftlichen Niveau erforschen wie dasjenige an Land. Zweitens sollten in den Teilen von Nord- und Ostsee unter deutscher Verantwortung genauso effektive Schutzmechanismen etabliert werden, wie sie auf dem deutschen Staatsgebiet bereits seit Langem vorhanden sind. Die Autorinnen und Autoren empfehlen unter anderem folgende Maßnahmen, um das Kulturerbe unter Wasser zu schützen und die Unterwasserarchäologie zu stärken:

  • Wissenschaft: Forschung und Ausbildung im vergleichsweise jungen Fach Unterwasserarchäologie sollten ausgebaut und die Forschung der Anrainerstaaten von Nord- und Ostsee vernetzt werden. Zudem empfehlen die Autorinnen und Autoren, eine enge Zusammenarbeit von meereswissenschaftlicher, geologischer und archäologischer Forschung zu etablieren.
  • Politik und Wirtschaft: Zusammenarbeit von Wissenschaft und Behörden sollten gestärkt sowie eine intensivere Zusammenarbeit von Wissenschaft und Unternehmen angestrebt werden. Durch Öffentlichkeitsarbeit sollte Wissen über das kulturelle Erbe in Nord- und Ostsee vermittelt werden. Eine wichtige Rolle nehmen hierbei Landesmuseen, Meeres- und Schifffahrtsmuseen, Stadtmuseen oder Geoparks ein.
  • Recht: Deutschland sollte das Übereinkommen der Vereinten Nationen über den Schutz des Unterwasser-Kulturerbes von 2001 ratifizieren und eine Fachbehörde mit den entsprechenden Kompetenzen einrichten. Die Konvention von La Valletta sollte in der ausschließlichen Wirtschaftszone und auf dem Festlandsockel konsequenter als bisher umgesetzt werden.
  • Verwaltung: In sämtliche Raum- und Fachplanungen sollte archäologische Expertise einbezogen werden. Zudem sollte das Umweltverträglichkeitsprüfungsgesetz geändert werden, um künftig auch Spuren des Menschen und seiner einstigen Umwelt (zum Beispiel Pflanzenreste) zu berücksichtigen. Für alle Genehmigungsverfahren für die wirtschaftliche Nutzung oder geplante Eingriffe in den marinen Lebensraum sollten archäologische Standards entwickelt und integriert werden.

Diese und weitere Handlungsoptionen zeigt das Diskussionspapier „Spuren unter Wasser ‒ Das kulturelle Erbe in Nord- und Ostsee erforschen und schützen“ auf. Die Veröffentlichung ist frei zugänglich.

Publikationen in der Reihe „Leopoldina-Diskussion“ sind Beiträge der genannten Autorinnen und Autoren. Mit den Diskussionspapieren bietet die Akademie Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern die Möglichkeit, flexibel und ohne einen formellen Arbeitsgruppen-Prozess Denkanstöße zu geben oder Diskurse anzuregen und hierfür auch Empfehlungen zu formulieren.

Künstliche Materialien mit Erbsubstanz produziert

Klassische Medizin

(KIT) – Aus der Erbsubstanz DNA, kleinsten Silica-Partikeln und Kohlenstoff-Nanoröhren haben Forscherinnen und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) neue programmierbare Materialien entwickelt. Diese Nanokompositmaterialien lassen sich für verschiedene Anwendungen maßschneidern und so programmieren, dass sie schnell und schonend abgebaut werden können. Für medizinische Anwendungen können sie Umgebungen schaffen, in denen sich menschliche Stammzellen einnisten und weiterentwickeln können. Sie eignen sich aber auch für den Aufbau von Biohybridsystemen, beispielsweise zur Stromgewinnung. Ihre Ergebnisse stellen die Wissenschaftler in der Zeitschrift Nature Communications und auf der Plattform bioRxiv vor.

Das Kultivieren von Stammzellen dient der Grundlagenforschung wie auch der Entwicklung wirksamer Therapien gegen schwere Erkrankungen, beispielsweise um geschädigtes Gewebe zu ersetzen. Allerdings können sich Stammzellen nur in einer geeigneten Umgebung zu gesundem Gewebe entwickeln. Besonders zum Aufbau dreidimensionaler Gewebestrukturen bedarf es Materialien, welche die Zellfunktionen durch eine perfekte Elastizität unterstützen. Neue programmierbare Materialien, die sich als Substrate für biomedizinische Anwendungen eignen, hat nun die Forschungsgruppe um Professor Christof M. Niemeyer am Institut für Biologische Grenzflächen 1 – Biomolekulare Mikro- und Nanostrukturen (IBG 1) des KIT gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen vom Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik, vom Zoologischen Institut und vom Institut für Funktionelle Grenzflächen des KIT entwickelt. Mit diesen Materialien lassen sich unter anderem Umgebungen schaffen, in denen sich menschliche Stammzellen einnisten und weiterentwickeln können.

Wie die Forscherinnen und Forscher in der Zeitschrift Nature Communications berichten, bestehen die neuen Materialien aus der Erbsubstanz DNA sowie kleinsten Silica-Partikeln und Kohlenstoff-Nanoröhren. „Diese Kompositmaterialien werden durch eine biochemische Reaktion aufgebaut und lassen sich über die Mengen der Einzelbestandteile in ihren Eigenschaften präzise einstellen“, erklärt Christof M. Niemeyer. Darüber hinaus lassen sich die Nanokompositmaterialien so programmieren, dass sie schnell und schonend abgebaut werden können und die darin gewachsenen Zellhaufen freisetzen. Diese lassen sich dann für weitere Experimente nutzen.

Neue Materialien für Biohybridsysteme
Wie das Team des IBG 1 des KIT in einer weiteren Publikation auf der Biowissenschafts-Plattform bioRxiv berichtet, lassen sich die neuen Nanokompositmaterialien auch für den Aufbau programmierbarer Biohybridsysteme verwenden. „Der Einsatz von lebenden Mikroorganismen, die in elektrochemische Geräte integriert sind, ist ein expandierendes Forschungsgebiet“, erläutert Professor Johannes Gescher vom Institut für Angewandte Biowissenschaften (IAB) des KIT, der an dieser Studie beteiligt war. „So lassen sich beispielsweise mikrobielle Brennstoffzellen, mikrobielle Biosensoren oder mikrobielle Bioreaktoren herstellen.“ Das von den Karlsruher Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aufgebaute Biohybridsystem enthält das Bakterium Shewanella oneidensis. Dieses ist exoelektrogen, das heißt, es produziert beim Abbau organischer Substanz unter Sauerstoffmangel einen elektrischen Strom. Wird Shewanella oneidensis in den am KIT entwickelten Nanokompositmaterialien kultiviert, bevölkert es die Matrix des Verbunds. Das nicht exoelektrogene Bakterium Escherichia coli dagegen bleibt auf seiner Oberfläche. Der Shewanella-haltige Verbundstoff hält sich mehrere Tage stabil. In zukünftigen Arbeiten wird die Forschungsgruppe weitere biotechnologische Anwendungen der neuen Materialien erschließen.

Beispiel um Wasserstoffproduktion regenerativ zu optimieren

Physik, Chemie, Technik

(HZDR) – Mit Experimenten im Labor und während einer Parabelflug-Kampagne hat ein internationales Forscherteam des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) neue Einsichten zur Wasserelektrolyse erzielt, bei der Wasserstoff aus Wasser durch elektrische Energie erzeugt wird. Für die Energiewende könnte die Wasserelektrolyse eine Schlüsseltechnologie sein, allerdings muss sie dafür noch effizienter werden. Die kürzlich in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlichten Ergebnisse bieten einen möglichen Ausgangspunkt, um die Ökobilanz wasserstoffbasierter Technologien zu verbessern.

Damit überschüssiger Strom aus Spitzenausbeuten von Solar- und Windkraftanlagen nicht ungenutzt bleibt, sind praktikable Lösungen notwendig, um die Energie zwischenzuspeichern. Eine attraktive Möglichkeit bietet die Produktion von Wasserstoff, aus dem dann auch andere chemische Energieträger hergestellt werden können. Wichtig ist, dass dies möglichst effizient und damit kostengünstig geschieht.

Das Forscherteam am HZDR unter Leitung von Prof. Kerstin Eckert hat sich speziell mit der Wasserelektrolyse beschäftigt. Diese Methode nutzt elektrische Energie, um Wassermoleküle in ihre Bestandteile – Wasserstoff und Sauerstoff – zu zerlegen. Dafür wird in einem mit Wasser und etwas Lauge oder Säure gefüllten Gefäß Strom über zwei Elektroden angelegt. Während sich an der einen Elektrode gasförmiger Wasserstoff bildet, entsteht an der anderen Elektrode Sauerstoff. Die Energieumwandlung ist jedoch nicht verlustfrei. Praktisch werden je nach Elektrolyseverfahren heute erst Wirkungsgrade von rund 65 bis 85 Prozent erreicht. Ziel der Elektrolyseforschung ist es, die Werte durch bessere Verfahren auf rund 90 Prozent zu steigern.

Schwingende Gasblasen aus Wasserstoff verhelfen zu neuem Verständnis
Um den Elektrolyseprozess zu optimieren, ist ein besseres Verständnis der grundlegenden chemischen und physikalischen Abläufe essenziell. Die an der Elektrode wachsenden Gasblasen erfahren eine Auftriebskraft, die zum Aufstieg der Blasen führt. Ein den Wissenschaftlern lang bekanntes Problem ist die genaue Vorhersage des Ablösezeitpunkts der Gasblasen von den Elektroden. Bekannt ist ebenfalls, dass durch das Verharren der Blasen an der Elektrode Wärmeverluste entstehen. Mit Laborexperimenten sowie theoretischen Berechnungen konnten die Wissenschaftler jetzt ein besseres Verständnis der auf die Blase wirkenden Kräfte erzielen. „Unsere Forschung löst ein altes Paradoxon der Forschung an Wasserstoffblasen auf“, schätzt Eckert ein.

Bereits in Vorgängerexperimenten beobachteten die Forscher, dass die Wasserstoffblasen in schnelle Schwingungen geraten können. Sie vermaßen dieses Phänomen genauer: Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera zeichneten sie den Schattenwurf der Blasen auf und analysierten, wie sich einzelne Blasen hundert Mal pro Sekunde von einer Elektrode lösen können, nur um sofort wieder zu ihr zurückzukehren. Sie erkannten: Hier konkurriert eine bisher nicht betrachtete elektrische Kraft mit dem Auftrieb und ermöglicht so die Schwingungen.

Das Experiment zeigte auch, dass sich zwischen Gasblasen und Elektrode permanent eine Art Teppich aus Mikroblasen bildet. Erst ab einer gewissen Dicke des Teppichs reicht die elektrische Kraft nicht mehr aus und die Blase kann aufsteigen. Dieses Wissen kann nun genutzt werden, um die Effizienz des Gesamtprozesses zu verbessern.

Parabelflüge bestätigen Ergebnisse
Um ihre Ergebnisse zu untermauern, wiederholten die Forscher das Experiment während eines DLR-geförderten Parabelflugs. Auf diese Weise konnten sie prüfen, wie Veränderungen des Auftriebs die Dynamik der Gasblasen beeinflussen. „Durch die veränderte Schwerkraft während einer Parabel konnten wir physikalische Schlüsselparameter variieren, die wir im Labor nicht beeinflussen können“, erläutert Aleksandr Bashkatov, Doktorand am HZDR und Erstautor der jetzt veröffentlichten Studie, der mit weiteren Kollegen die Experimente an Bord des Parabelflugs durchgeführt hat. In Perioden der annähernden Schwerelosigkeit im freien Fall eines Parabelflugs ist der Auftrieb praktisch nicht vorhanden – zum Ende der Parabel hin ist er hingegen deutlich erhöht. Die Ergebnisse der Flüge zeigten auch, dass sich Wasserstofftechnologien nur erschwert auf einen möglichen Einsatz im Weltall übertragen lassen; ohne Auftrieb ist der Abtransport der Gasblasen von der Elektrode eine noch größere Herausforderung als auf der Erde.

Wasserelektrolyseure in der Anwendung: Regenerative Energien für die Region
Auch wenn die Experimente des Forscherteams unter vereinfachten Laborbedingungen stattfinden mussten, werden die neuen Erkenntnisse zukünftig dazu beitragen, den Wirkungsgrad von Elektrolyseuren zu erhöhen. Aktuell planen die Forscher um Kerstin Eckert im Verbund mit Partnern vom Fraunhofer IFAM Dresden, der TU Dresden, der Hochschule Zittau-Görlitz sowie lokalen Industriepartnern ein Projekt zur grünen Wasserstoffproduktion in der Lausitz, das auf verbesserte, alkalische Wasserelektrolyse setzt, um fossile Energieträger abzulösen. „Alkalische Elektrolyseure sind deutlich preiswerter und ökologischer und kommen ohne knappe Ressourcen aus, da sie auf edelmetallbeschichtete Elektroden verzichten. Langfristiges Ziel des Konsortiums ist es, leistungsfähige alkalische Elektrolyseure einer neuen Generation zu entwickeln“, fasst Eckert zusammen.

05.12.2019 „German Angst !“ Reicht die Schwarmintelligenz der Deutschen aus um mit Vernunft auf die Weltklimakonferenz zu reagieren ?

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Resignation ist jedenfalls ein schlechter Ratgeber. Angst kommt allerdings auf, wenn man die Verbots-Ideologien unserer Parteienlandschaft betrachtet. Im Mittelalter, waren es vor allen Dingen die Religionen die die Menschen mit Heilsversprechen hinter sich brachten. Das half aber nicht viel, die Seuchen blieben Seuchen und rafften Millionen Bürger dahin.

Erst die Philosophen der Aufklärung und die anschließende technische Revolution erlöste uns vor dieser Art Hexenglauben.
Nun könnte man sagen, der „Zweck heiligt die Mittel“, es ist nicht zu leugnen, dass das Klima der Welt im Umbruch ist und das einiges davon auf unsere technische Kultur zurückzuführen ist.
Aber leider lässt sich diese Erkenntnis nicht an jeden Bürger, an jeden Staat, an jedes Gemeinwesen ohne weiteres vermitteln. Hinzu kommt, dass die Lösung viele Wege kennt. Einseitigkeit und Populismus führen nicht zum Ziel – auf die Vielfalt kommt es an. Dabei müssen Nebenwirkungen und Risiken, nach dem Prinzip des kleineren Übels, berücksichtigt werden.

Das alles bedarf der abwägenden Vernunft. Genau dazu, so scheint es, sind die politischen Instanzen nicht mehr fähig. Sie haben natürlich das Ziel, in einer Art Tunnelblick, vor Augen. Sie werden auch getrieben durch den Mainstream und eine nicht immer objektive Presse. Und so entsteht ein Klima der Zwietracht. Die einen meinen nur eine Art „Umwelt-Religion“ könnte das Weltklima retten, nach dem Motto: „wer nicht für mich ist, ist gegen mich“. Greta Thunberg ist dabei die Hohepriesterin. Naturwissenschaftlich und soziale Gesetze spielen dabei keine Rolle mehr.

Die anderen suchen, sowie ich auch, nach soziologischen Gesetzmäßigkeiten, die einen Selbstheilungsprozess in Gang setzen, mit Hilfe der „ökologischen und sozialen Marktwirtschaft“. Dabei ist es wichtig, dass CO2 einen fairen Preis erhält, der sich nach Angebot und Nachfrage richtet. Das Kartellamt muss darüber wachen. Alle Prozesse, die mit einer CO2 Freisetzung verbunden sind, müssen in Heller und Pfennig bezahlt werden. Umgekehrt muss der, der CO2 einspart oder verwertet, einen Bonus erhalten.

Natürlich gehört zu diesem System, dass alle mit der Nutzung von fossiler Energie verbundenen Prozesse von einer darauf bisher belastenden Steuer befreit werden, z.B. die Kraftfahrzeugsteuer oder Verbrauchssteuern aller Art die mit Energieverbrauch verbunden sind. Aber selbstverständlich gehören auch sämtliche Subventionen abgeschafft.

Dabei wird sich immer mehr herausstellen, dass Kohlendioxid auch ein Wertstoff ist, der Mithilfe der regenerativen Energien aus Sonne und Wind, einen Kreislauf ermöglicht der sozusagen klimaneutral ist. Verbrennungsmotoren wie z.B. ein optimierter Diesel, oder Kraftwerke mit hohem Wirkungsgrad werden sich in dem Zusammenhang als sehr nützlich erweisen und die CO2 Bilanz nicht verschlechtern. Die Technologien, regenerativen Treibstoff zu erzeugen, sind vorhanden.
Allerdings flankieren diese Maßnahmen nur die Bemühungen mit regenerativen Energien umzugehen und sorgen zum Beispiel für mehr elektrische Versorgungssicherheit. Das Problem ist, dass Strom, nur mit höchstem Aufwand gespeichert werden kann.

Leider ist dieses Wissen darum nicht weit im Volk verbreitet und wirkt sich bei Meinungsbefragung deshalb nicht aus. Strompakete lassen sich nicht eben mal exportieren um sie dann wieder zurückzuholen, das kostet alles furchtbar viel Geld und bewirkt, dass der Strompreis in Deutschland von allen europäischen Länder am teuersten ist, was z.B. unserer Stahlindustrie ruinöse Verhältnisse beschert, die vielen damit verbundenen Arbeitsplätze sind folglich, inklusive der abgebauten Industrieeinrichtungen, auf dem Weg nach Asien.

Ich frage mich natürlich, warum ausschließlich in Deutschland z.B. das Dieselverbot Raum gegriffen hat, das steht im Gegensatz zu fast allen anderen europäischen Ländern. Der deutschen Gründlichkeit und dem Abmahnverein „Umwelthilfe“ ist dies geschuldet. In den Medien wird dieser Verein, mit nur wenigen Mitgliedern, noch als Umweltschützer gefeiert. Verkehrte Welt.

Das alles bedroht meines Erachtens unsere demokratische Struktur. Die Abqualifizierung desjenigen, der sich nicht an den Mainstream hält als rechtslastig, erstickt jeden notwendigen Dialog und erzeugt die „Schere im Kopf“ von vielen Multiplikatoren. Im Bundestag spielt sich die AFD mittlerweile schon als Hüter der Vernunft auf.
Vorsicht ist jedenfalls geboten, auch grüne Ideologien können zu einer überwunden geglaubten Planwirtschaft führen. Das wird unweigerlich unsere Industrie aus Deutschland vertreiben verbunden mit dem Verlust von 100.000 Arbeitsplätzen. Es geht uns in Deutschland zu gut, dass wir dies noch nicht mal in Erwägung ziehen und wenn es dann wenigstens der Umwelt dienen würde. Pustekuchen.

Ihr Jean Pütz

Folge 52. Mit Vernunft in die Zukunft, oder ?

30.11.2019 Wird die elektrische Energie unbezahlbar ?

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Nicht nur die Industrie sondern auch der Mittelstand und die sogenannten kleinen Leute werden darunter extrem leiden.
Es ist nicht nur das EEG, das Strom immer mehr verteuert. Deutschland hat die höchsten Preise für Strom in der EU.
Hinzu kommt, dass die sichere Versorgung mit dieser für uns so wichtigen Energieform, immer mehr gefährdet wird.

Es ist zwar ökologisch, auf den ersten Blick, notwendig die Einspeisung über Braunkohlekraftwerke so weit wie möglich zu reduzieren, aber sie völlig abzuschaffen, kommt einer Art wirtschaftlichem Selbstmord nahe.

Die Physik und die Elektrotechnik entziehen sich leider demokratischer Einflussnahme. Das zu leugnen heißt, die Sterne vom Himmel zu holen. Die grüne Ideologie behauptet zwar, es sei in 20 Jahren möglich unsere elektrische Stromversorgung nur durch regenerative Quellen zu speisen, das aber gehört in die Kategorie des Wunschdenkens.

Es sei denn, wir beziehen in den Zeiten, in denen die Sonne und der Wind nicht mitspielen z.B. in der Nacht und im Winter. Es sei denn wir akzeptieren den Bezug aus polnischen Kohlekraftwerken oder aus französischen Kernenergiezentralen. Davon stehen ja über 100 in Frankreich herum.

Hier und hier erfahren Sie schlüssig, was das für jedermann in Deutschland bedeutet, und wer die Zeche bezahlen muss.

Folge 51. Mit Vernunft in die Zukunft, oder ?

28.11.2019 Thema Maut – Offener Brief an Bundesminister Andreas Scheuer

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Lieber Herr Bundesminister des Verkehrs, Andreas Scheuer,

fühlen sie sich eigentlich immer noch wohl in ihrer Haut?
Ihre populistische Maut für Ausländer ist ganz schön in die Hose gegangen, bei etwas mehr Sorgfalt hätten Sie das vorher sehen können. Manche Bürger meinen, dass da etwas mit dem voreiligen Abschluss der millionenschweren Verträge nicht mit rechten Dingen zugegangen ist. Gott sei Dank wird das jetzt vom Bundestag im Untersuchungsausschuss hoffentlich geklärt werden.

Die Frage ist, warum Sie diese Verträge kurz vor der Entscheidung des EU-Gerichtshofs letztlich so schnell abgeschlossen haben. Das betrifft einerseits die Installation des technischen Maut-Systems an den Autobahnen, andererseits aber auch die Firmen, die später die Gelder einkassieren.

Nach dem Hörensagen sollen es ja bis zu 250 Millionen Euro sein, die jetzt sozusagen als Regresszahlung fällig werden. Mag sein, dass die CSU sie dazu getrieben hat, denn die wollte ja vor den Landtagswahlen des nächsten Jahres noch ihr Versprechen realisieren, nur die Ausländer beim Befahren der Autobahnen zu belangen. Der Europäische Gerichtshof hat ihre Pläne durchkreuzt und jetzt sind es die Steuerzahler, die diese Millionen blechen müssen.
Sollte das nicht abgewendet werden können, hier ein Verbesserungsvorschlag, auf den Sie eigentlich selbst hätten kommen können:
Das Gericht hat ja moniert, dass diese Zahlungen der Maut nur die Ausländer betrifft, die Einheimischen sollten dies in Form von Barem in Heller und Pfennig zurückbekommen, also durch Verringerung der Kraftfahrzeugsteuer in gleicher Höhe.

Allein diese Idee war schon eine Zumutung. Warum sind Sie nicht auf die Idee gekommen, haben ganz einfach die Mautzahlung für jedermann eingeführt und die Kraftfahrzeugsteuer beispielsweise völlig erlassen. Das hätte auch eine ökologische Komponente gehabt, denn wer viel fährt, soll viel zahlen. Das heißt, Sie könnten jetzt einfach diese technischen Einrichtungen zur Erfassung der Maut, für die ja die Verträge abgeschlossen sind, ruhig errichten lassen. Im Übrigen sind die moderne Einrichtungen auch in der Lage, kleine Autos von großen Luxus Limousinen zu unterscheiden, sodass ebenfalls hier neben der ökologischen auch eine Gerechtigkeits- Komponente hinzu käme.

Hochachtungsvoll
Ihr Jean Pütz

Folge 50. Mit Vernunft in die Zukunft, oder ?