Archiv der Kategorie: Physik, Chemie, Technik

Unendliche Energie durch Fusion? Forschung zu einer neuen, revolutionären Methode!

(Helmholtz) – Gepulste elektrische Felder, die zum Beispiel durch Blitzeinschläge verursacht werden, machen sich als Spannungsspitzen bemerkbar und stellen eine zerstörerische Gefahr für elektronische Bauteile dar. Sie richten beträchtlichen Schaden an. Ein Team vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hat jetzt herausgefunden, dass solche Spannungsspitzen durchaus nützliche Eigenschaften haben können. In der Fachzeitschrift Physical Review Research (DOI: 10.1103/PhysRevResearch.3.033153) berichten die Wissenschaftler, wie sich zum Beispiel Kernfusionsprozesse durch extrem starke und schnelle gepulste elektrische Felder deutlich verstärken lassen.

Kernfusionen, wie sie beispielsweise in der Sonne stattfinden, werden durch den quanten-mechanischen Tunneleffekt ermöglicht. „Eine Folge des Tunneleffekts ist es, dass gleichartig geladene Teilchen ihre gegenseitige Abstoßung überwinden können, auch wenn ihre Energie dafür eigentlich gar nicht ausreicht – zumindest nicht nach den Gesetzen der klassischen Mechanik“, sagt Prof. Ralf Schützhold, Leiter der Abteilung Theoretische Physik am HZDR, und fährt fort: „So etwas können wir zum Beispiel bei der Verschmelzung zweier leichter Atomkerne beobachten: Je stärker sich ein Kern dem anderen nähert, desto größer wird die Abstoßung, die wir uns bildlich als einen sich vor dem Kern auftürmenden Berg vorstellen können, die sogenannte Potentialbarriere. Anstatt den energieaufwändigeren Weg über den Gipfel zu nehmen, erlauben die Gesetze der Quantenmechanik, dass der Kern energetisch deutlich günstiger geradewegs durch diesen Berg dringt beziehungsweise ‚hindurchtunnelt‘ – und schließlich fusionieren kann.“

Obwohl der Tunneleffekt in vielen Bereichen der Physik eine wichtige Rolle spielt und erstmals bereits vor fast einhundert Jahren beschrieben wurde, ist unser Verständnis des Vorgangs auch heute noch lückenhaft. „Verschiedene Facetten des Einflusses elektrischer Felder auf Tunnelprozesse waren schon bekannt. So können elektrische Felder die Teilchen zusätzlich beschleunigen und dadurch zu mehr Energie verhelfen. Außerdem können sie die Potentialbarriere deformieren und auf diesem Weg die Tunnelwahrscheinlichkeit erhöhen“, umreißt Dr. Christian Kohlfürst die Situation zu Beginn ihrer Forschungen.

Sein Kollege Dr. Friedemann Queisser bringt ihre Ergebnisse kurz auf den Punkt: „Unsere Berechnungen zeigen jetzt erstmals eine Besonderheit von gepulsten, sich zeitlich schnell verändernden elektrischen Feldern: Sie können dafür sorgen, dass die Teilchen, bildlich gesprochen, aus der Potentialbarriere herausgeschubst werden und so leichter tunneln.“ Das zeigen die Rechnungen des Teams vom HZDR ganz konkret an verschiedenen Beispielen, unter anderem auch an einer für eine mögliche Energieerzeugung interessanten Fusionsreaktion: der Verschmelzung eines Protons mit dem Isotop Bor-11.

Fusionsreaktion mit Vorteilen

Sie ist vor allem aufgrund des relativ leicht verfügbaren Brennstoffs interessant. Dabei entstehen drei jeweils zweifach positiv geladene Alphateilchen. Bemerkenswert an dieser Reaktion: Die Energie wird in Form geladener Teilchen freigesetzt und nicht als Neutronenstrahlung wie bei den derzeit bekanntesten Fusionsreaktionen. Das hat Vorteile: Zum einen würden die Probleme, die mit dem Neutronenfluss verbunden sind, deutlich reduziert, wie etwa die Gefahren im Umgang mit ionisierender Strahlung. Zum anderen kann die Energie geladener Teilchen direkt und damit viel einfacher in Elektrizität umgewandelt werden.

Die für die Nutzung der Reaktion erforderlichen Bedingungen sind jedoch noch extremer als die der im aktuellen Fusionsreaktor-Experiment ITER favorisierten Deuterium-Tritium-Fusion. Die Zündung der Proton-Bor-Reaktion ist im Vergleich dazu schwieriger, die Wissenschaft sucht noch nach gangbaren Wegen. Das Team um Schützhold zeigt nun eine Möglichkeit auf: „Unseren Berechnungen zufolge kann ein hinreichend schnelles und starkes gepulstes elektrisches Feld nicht nur die Deuterium-Tritium-Fusion, sondern auch die Proton-Bor-Reaktion deutlich verstärken.“

Die Erzeugung solcher Felder ist jedoch sehr schwierig. „Wir können uns das prinzipiell wie bei einem Gewitter vorstellen, bei dem sich die in riesigen Wolkenformationen gespeicherte Energie in kürzester Zeit und auf engstem Raum in der Form eines Blitzschlags entlädt. Weltweit sind Anlagen im Bau oder in Planung, die immer höhere Energien auf immer kürzere Zeitspannen und immer kleinere Raumbereiche konzentrieren sollen“, sagt Schützhold. Leider sind die heute verfügbaren Anlagen noch nicht ganz in der Lage, derartig schnelle und starke „künstliche Blitze“ zu erzeugen.

Es gibt aber einen möglichen Ausweg: So kann das elektrische Feld eines schnell und vor allem dicht am Proton vorbeifliegenden Alphateilchens wie ein solches gepulstes elektrisches Feld wirken und so stark zustoßen, dass das Proton die Potentialbarriere von Bor-11 durchtunneln und die Fusionsreaktion auslösen kann. Alphateilchen mit der dafür notwendigen Pulsenergie werden bei der Proton-Bor-Reaktion tatsächlich erzeugt, können aber auch von außen eingeschossen werden.

Batterie für Windstrom auf dem Meeresgrund

Eine interessante Idee, physikalisch astrein. Allerdings glaube ich nicht, dass dies ausreicht, um den wechselnden Windeinfluss zu kompensieren. Außerdem müssten mindestens 1000 Meter tiefe vorhanden sein, die in den Offshore-Windparks nicht vorhanden sind, denn das Fundament der Offshore-Windräder ist maximal 50 Meter tief.

Jean Pütz

(pte) – Mit einem Stromspeicher auf dem Meeresgrund sichern Forscher des Unternehmens Ocean Grazer die kontinuierliche Stromlieferung durch Offshore-Windkraftwerke – auch dann, wenn der Wind schwächelt oder gar nicht weht. Heutzutage liefern Wind- und Solarkraftwerke nur Strom, wenn Wetter und Tageszeit es zulassen. Die „Ocean Battery“ überbrückt die Zeiten, in denen Flaute herrscht.

Betontank mit 20 Mio. Litern

Die Batterie auf dem Meeresgrund besteht aus drei Komponenten. Die erste ist ein Betontank, der weitgehend im Meeresboden verbuddelt wird und bis zu 20 Mio. Liter fasst. Er ist verbunden mit dem eigentlichen Kraftwerk, in dem sich eine Pumpe, eine Turbine und ein Generator befinden. Die dritte Komponente besteht aus einem druckfesten, langgestreckten Ballon, der auf dem Meeresboden verankert ist.

Erzeugen die zugehörigen Windgeneratoren mehr Strom, als das Netz aktuell verkraften kann, wird dieser genutzt, um die Pumpe im Kraftwerk laufen zu lassen. Sie drückt Wasser aus dem Betontank in die flexible Hülle, die immer dicker wird, bis der Nenndruck erreicht ist. Ein Ventil sorgt dafür, dass das Wasser nicht gleich wieder zurück in den Betontank fließt. Herrscht Strommangel, wird genau dieses Ventil geöffnet. Die Wassersäule über dem flexiblen Tank drückt das Wasser ins Kraftwerk. Dort treibt es eine Turbine an, die mit einem Generator zur Stromerzeugung verbunden ist und landet schließlich wieder im Betontank.

Lebensdauer rund 20 Jahre

Der neue Stromspeicher, der den Niederländern vorschwebt, hat eine Kapazität von 20 Megawattstunden. Dies ist der Jahresverbrauch von fünf Haushalten. Das klingt wenig, doch wenn tausende Offshore-Windgeneratoren mit einem solchen Puffer ausgestattet werden, lässt sich beachtlich viel Überschussstrom speichern. Der Wirkungsgrad soll bei 70 bis 80 Prozent liegen, die Lebensdauer bei 20 Jahren.

Ein ähnliches Konzept haben Forscher am Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik entwickelt und 2017 erfolgreich getestet. Sie versenkten einen Kugeltank aus Beton vor Überlingen im Bodensee. Einströmendes Wasser wurde mithilfe einer Turbine und eines Generators in Strom umgewandelt. Umgekehrt wurde Wasser aus dem Tank herausgepresst, wenn Überschussstrom zur Verfügung stand.

 

Aus klimaschädlichem CO2 werden nützliche Chemikalien

(Fraunhofer) – Aus Kohlenstoffdioxid wichtige Ausgangsmaterialien für Feinchemikalien machen – das funktioniert tatsächlich: Einem Forscherteam des Fraunhofer IGB ist es im Max-Planck-Kooperationsprojekt eBioCO2n erstmals gelungen, CO2 in einer auf dem Transfer von Elektronen basierenden Enzymkaskade zu fixieren und in einen festen Ausgangsstoff für die chemische Industrie umzuwandeln. Das Verfahren zur elektrobiokatalytischen CO2-Fixierung wurde bereits publiziert und gilt als »Hot Paper«.

Durch die Verbrennung von fossilen Rohstoffen entsteht klimaschädliches Kohlenstoffdioxid, das als Treibhausgas eine große Rolle bei der Erderwärmung spielt. Dennoch ist Erdöl aktuell immer noch einer der wichtigsten Rohstoffe – nicht nur als Energieträger, sondern auch als Ausgangsmaterial für die chemische Industrie und damit für zahlreiche Dinge unseres Alltags, wie Medikamente, Verpackungen, Textilien, Reinigungsmittel und mehr. An verschiedenen Alternativen für fossile Quellen wird daher intensiv geforscht.

Nachwachsende Rohstoffe sind eine zukunftsträchtige Möglichkeit, aber nicht die einzige alternative Rohstoffbasis, um die Verfügbarkeit von grünen Syntheseprodukten in den nächsten Jahren abdecken zu können. Eine nachhaltige Ergänzung hierzu im Sinne einer kreislauforientierten Kohlenstoffwirtschaft ist die Möglichkeit, CO2 gezielt und unter milden.

Abscheidung aus der Luft für weniger CO2-Emissionen

Einem Forscherteam am Straubinger Institutsteil des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB ist es nun gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen des Max-Planck-Instituts für terrestrische Mikrobiologie in Marburg und der TU München erstmals gelungen, CO2 elektrobiokatalytisch in wertvolle Substanzen für die chemische Industrie umzuwandeln. Durch Kombination verschiedener Ansätze aus Bioelektrochemie, Enzymbiologie und synthetischer Biologie wurden hierfür spezielle Bioelektroden entwickelt, um mit Strom aus erneuerbarer Energie Enzyme anzutreiben, die in einer gekoppelten Reaktion ähnlich der Photosynthese feste organische Moleküle aus dem Treibhausgas herstellen.

Ziel ist es, damit CO2 direkt aus der Luft abzuscheiden: »Das Verfahren könnte dann nicht nur dazu beitragen, dass die Industrie auf fossile Rohstoffe verzichten kann, sondern durch die CO2-Reduktion die Klimawende außerdem aktiv vorantreiben«, erklärt Dr. Michael Richter, Leiter des Innovationsfelds Bioinspirierte Chemie am Fraunhofer IGB. »Zunächst ging es uns jedoch darum zu zeigen, dass unsere Idee überhaupt funktioniert, eine solch komplexe biokatalytische Multienzym-Reaktion auf diese Art mit Strom anzutreiben.«

Hydrogel transportiert Elektronen für CO2-fixierende Enzyme

Mit Erfolg: Die Forschenden haben sich vom Stoffwechsel der Mikroorganismen inspirieren lassen und ein strombasiertes Verfahren für die CO2-Fixierung entwickelt. Hauptakteure sind CO2 fixierende Enzyme, die von den Kollegen Dr. David Adam und Prof. Tobias Erb, Direktor am MPI in Marburg, entwickelt wurden. Eine Herausforderung bestand nun darin, die CO2-fixierenden Enzyme kontinuierlich mit den für die Reduktion von CO2 benötigten Elektronen zu versorgen, die regenerativer Strom liefern kann. Dies gelang durch Einbettung der Enzyme in ein redoxaktives Hydrogel, wodurch sie elektrochemisch so angetrieben werden können, dass sie Kohlenstoffdioxid an ein Substrat binden und damit in einen wertvollen Zwischenstoff umwandeln. »Das Verfahren ist ein sehr effizienter Reaktionsweg, eine reduktive Carboxylierung, die sehr ökonomisch und sauber abläuft, weil man keine weiteren Substanzen im System braucht – lediglich Kohlenstoffdioxid, Substrat und Elektronen, bevorzugt aus erneuerbaren Quellen«, erläutert Dr. Leonardo Castañeda-Losada, der in seiner Doktorarbeit auf dem Gebiet der Elektrobiokatalyse forschte und nun am Fraunhofer IGB gemeinsam mit Dr. Melanie Iwanow und Dr. Steffen Roth im Projekt arbeitet.

Die an der TU München am Lehrstuhl von Prof. Nicolas Plumeré eigens entwickelten Hydrogele, in denen die Enzyme ihre Arbeit verrichten, sind so modifiziert, dass sie Elektronen gut leiten und den Biomolekülen gleichzeitig optimale Arbeitsbedingungen bieten. »So können wir nicht nur Monolagen an Enzymen einsetzen, sondern dies auch dreidimensional um ein Vielfaches erweitern, da die Elektronen im Gel an jeden Ort geleitet werden. Das sind gute Voraussetzungen für eine zukünftige Skalierung des Verfahrens für die chemische Industrie«, verdeutlicht Prof. Volker Sieber, der am Straubinger Institutsteil des Fraunhofer IGB schon lange Strategien zur CO2-Speicherung verfolgt.

Cofaktoren werden gleichzeitig permanent regeneriert

Der völlig neue Ansatz der Forschenden beruht aber nicht nur auf der Tatsache, dass eine enzymatische Reaktionssequenz erfolgreich mit Strom angetrieben werden kann, sondern beinhaltet auch ein weiteres äußerst innovatives Modul: Damit die Reaktionen wie gewünscht ablaufen und am Ende eine möglichst hohe Produktausbeute steht, braucht es in dem Fall eine kontinuierliche Zufuhr an »Doping« fürs Enzym: die passenden und funktionalen Cofaktoren. Diese kleinen, organischen Moleküle werden im Lauf jeder einzelnen Reaktion verbraucht und müssen regeneriert werden, um wieder einsatzfähig zu sein. Sie in großen Mengen neu bereitzustellen, ist sehr teuer und damit für die Industrie unwirtschaftlich. Deshalb haben die eBioCO2n-Experten eine Möglichkeit gefunden, um sie mithilfe von Strom innerhalb des gleichen Reaktionssystems in den Hydrogelen wieder erneuern zu können – theoretisch unendlich lange. »Eigentlich müsste man nur ein einziges Mal Cofaktor ins System geben, und dieser würde dann immer wieder automatisch regeneriert. Aber in der Praxis funktioniert das nur annähernd so gut, weil der Cofaktor nicht unendlich lange stabil bleibt – aber durchaus schon sehr lange«, sagt Richter.

Für den bioelektrokatalytischen Recyclingprozess der Cofaktoren steht den Forschenden sogar ein ganzer Werkzeugkasten an unterschiedlichen Enzymen zur Verfügung, die sie aus verschiedenen Organismen aufgespürt haben. So ist das Spektrum dieser Biomoleküle für weitere Arbeiten je nach Anwendung modulartig erweiterbar und als Plattformsystem verwendbar. »Man kann aus bioinformatischen Datenbanken praktisch beliebig Enzyme auswählen, diese biotechnologisch herstellen und in die Hydrogele einbauen«, sagt Richter. »So wäre die Herstellung verschiedener biobasierter Feinchemikalien denkbar, die man bei entsprechendem Ausbau über weitere Enzymkaskaden praktisch nach Bedarf diversifizieren könnte.“« Hier bringt inbesondere das Marburger MPI seine Expertise ein. Gelingt dies in einer entsprechenden Skalierung, könnte die Plattformtechnologie ein zukunftsträchtiges Geschäftsmodell für die chemische Industrie werden.

Plattformsystem soll beliebig erweiter- und skalierbar werden

Mithilfe der bioinspirierten CO2-Fixierung aus dem Labor konnte man am Fraunhofer IGB ein Coenzym-A-Derivat carboxylieren, ein für viele Stoffwechselvorgänge in Lebewesen wichtiges Biomolekül. »Hierbei handelt es sich um das bislang anspruchsvollste Molekül, an das auf biokatalytischem Weg CO2 fixiert werden konnte«, so Richter. »Das ist bei weitem nicht selbstverständlich, eine so große und strukturell anspruchsvolle Substanz mit dieser Technologie zu modifizieren.« Nun steht für die Forschenden die letzte Herausforderung an: zu beweisen, dass ihre Idee zuverlässig und skalierbar funktioniert sowie modular erweitert werden kann. Am IGB ist man jedoch optimistisch, vor allem auch vor dem Hintergrund eines gut funktionierenden interdisziplinären Teams, wie der Wissenschaftler betont. In Folgeprojekten sollen dann auch möglichst schnell Industriepartner mit einbezogen werden.

Aus CO2 kann mit Katalysatoren und Elektrolyse Kunststoffe und Sauerstoff gewonnen werden

(pte) – Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) http://mit.edu haben einen Weg gefunden, CO2 ähnlich wie Wasser per Elektrolyse in industriellem Maßstab zu spalten. Dazu wird es in Wasser gelöst und einer elektrischen Spannung ausgesetzt. Je nach Prozessführung entsteht dabei neben Sauerstoff reiner Kohlenstoff, ein chemischer Rohstoff oder Sprit für Autos, Flugzeuge und Schiffe.

Spannung kurz abschalten

Nach mehr oder weniger kurzer Zeit spaltet der Elektrolyseur nicht mehr CO2, sondern Wasser, was in diesem Zusammenhang unerwünscht ist, weil es den Wirkungsgrad des Prozesses schmälert, auf den es ankommt, eben die Umwandlung von CO2 in nützliche Produkte. Der Elektrolyseur weicht auf die Wasserspaltung aus, weil sich nach einer gewissen Zeit in der Nähe der Elektroden kaum noch CO2-Moleküle befinden, denn sie alle sind aufgespalten worden.

Wird die Spannung nicht kontinuierlich aufrechterhalten, sondern ab und zu der Strom ausgeschaltet, kann die CO2-Konzentration nahe den Elektroden wieder steigen, so dass der erwünschte Spaltungsprozess wieder beginnt, wenn die Spannung erneut aufgebaut wird. Mitentscheidend für den Erfolg des Prozesses ist der Katalysator, der die Spaltung ermöglicht.

Maschinenlernen unterstützt

Kripa Varanasi und sein Post-Doc Alvaro Moreno Soto sowie Doktorand Jack Lake haben mit drei verschiedenen Katalysatoren gearbeitet und sich dabei auf die Entwicklung eines Sensorsystems konzentriert. Dieses soll exakte Infos darüber liefern, wann der richtige Zeitpunkt zum Abschalten und Wiedereinschalten des Stroms ist.

Die MIT-Forscher haben ausgefeilte Analysetechniken einschließlich Gaschromatografie eingesetzt und landeten schließlich bei einer einfachen pH-Analyse. Sie gibt Aufschluss über den Säuregehalt des Wassers. Er nimmt ab, je weniger CO2 darin gelöst ist. Diese Möglichkeit, die Reaktion in Echtzeit einfach zu überwachen, könnte zu einem System führen, das durch maschinelles Lernen optimiert wird und die Produktionsrate der gewünschten Verbindungen durch kontinuierliches Feedback steuert, sagt Soto abschließend.

Fotovoltaik immer effektiver und leichter?

(pte) – Auf dem Weg zu Solarzellen, die dünner sind als ein Blatt Papier, sind Forscher der Stanford University  ein großes Stück vorangekommen. Sie arbeiten mit einer Werkstoffgruppe namens Übergangsmetall-Dichalkogenide – Beispiel Wolframdiselenid, das sehr große Mengen an Licht absorbieren kann. An dessen Umwandlung in Strom haperte es bisher jedoch. Die erreichten Wirkungsgrade lagen bei weniger als zwei Prozent, während Siliziumzellen auf deutlich mehr als das Zehnfache kommen.

27 Prozent durchaus möglich

In Kalifornien gelang es jetzt, ultradünne Zellen herzustellen, die auf 5,1 Prozent kommen. Doch Krishna Saraswat und seine Mitarbeiter sind sicher, dass sie durch optische und elektrische Optimierung 27 Prozent erreichen und so auf das Silizium-Niveau kommen. Darüber hinaus hat der Prototyp ein 100 Mal höheres Leistungsgewicht als alle bisher entwickelten Zellen auf der Basis dieser Materialfamilie. Sie liegt bei 4,4 Watt pro Gramm. Das entspricht dem Wert, den andere Dünnschichtzellen erreichen, die aber trotz ihrer Bezeichnung um ein Vielfaches dicker sind als die Stanford-Zelle.

Das Leistungsgewicht ist wichtig für mobile Anwendungen, etwa bei Drohnen und Elektrofahrzeuge oder auch bei der Versorgung von Expeditionsteilnehmern weit abseits der Zivilisation. Auch diesen Wert glaubt Saraswat noch verbessern zu können. Er hält 46 Watt pro Gramm für realistisch. Silizium-Module liegen weit darunter, allein schon wegen der Dicke des Materials. Die größten Vorteile der Ultradünnen sind ihre Flexibilität (sie können auf beliebig gewölbte Untergründe geklebt werden), der kaum nennenswerte Materialverbrauch und die geringen Herstellungskosten. Drohnen etwa könnten zumindest einen Teil ihres Strombedarfs durch Solarzellen decken, die auf den Flügeln befestigt sind.

Komplettes Modul ist sechs Mikrometer dick

Weil die Stromerzeuger so dünn und leicht sind, beeinträchtigen sie die Funktion der Flügel nicht. Selbst auf die Haut könnten solche Zellen geklebt werden, um etwa eine Smartwatch zu versorgen. Das Stanford-Team hat ein aktives Array hergestellt, das nur wenige 100 Nanometer dick ist. Es umfasst das photovoltaische Wolframdiselenid und Goldkontakte, die von einer Schicht aus leitendem Graphen überzogen sind, das nur ein einziges Atom dick ist. Den Abschluss bilden ein dünnes Polymer und eine Antireflexbeschichtung, die die Lichtabsorption verbessert. Das so aufgebaute Modul ist weniger als sechs Mikrometer dick.

Viele glauben, dass Technologie die Welt besser macht

(Bosch) – Technologie macht die Welt zu einem besseren Ort. Dieser Meinung sind drei von vier Befragten (72 Prozent) des Bosch Tech Compass, einer in fünf Ländern durchgeführten repräsentativen Umfrage, die auf der CES in Las Vegas erstmals vorgestellt wird. Der Hintergrund: Technologie sorgt für rasante und tiefgreifende Veränderungen in vielen Bereichen unseres täglichen Lebens und zieht mit zunehmendem Tempo in immer mehr Alltagsbereiche ein. Sich intensiv mit den Auswirkungen verschiedener Technologien auf die globalisierte Welt und die Gesellschaft zu beschäftigen – dazu soll der Bosch Tech Compass dienen.

 

Technologischer Fortschritt als Schlüssel zur Bekämpfung des Klimawandels

Statt im Ofen, die Pizza lieber mit dem 3D-Drucker zubereiten – Technologie hat heutzutage das Potenzial, fast alles möglich zu machen. Die Befragten weltweit sind sich allerdings einig, dass sich Technologie mehr auf die Bewältigung der großen Herausforderungen unserer Zeit konzentrieren sollte, anstatt auf individuelle Bedürfnisse einzugehen (83 Prozent). So zeigt die Umfrage zum Beispiel, dass mehr als drei von vier Befragten weltweit den technologischen Fortschritt als Schlüssel zur Bekämpfung des Klimawandels sehen. „Der Bosch Tech Compass zeigt: Die Menschen wünschen sich, dass Technologie die großen Herausforderungen unserer Zeit löst und den Alltag in vielen Bereichen erleichtert. Deshalb treiben wir bei Bosch technologische Lösungen voran, die den Menschen dienen: Technik fürs Leben.“ Trotz des weltweiten Vertrauens in den technologischen Fortschritt gibt es bei den Befragten durchaus Unterschiede, wenn es um die Frage geht, zu welchem Zweck Technologie genutzt wird. Während die Chinesen (83 Prozent) und Inder (77 Prozent) zuversichtlicher sind, dass Technologie derzeit ausreichend eingesetzt wird, um die großen Probleme unserer Zeit anzugehen, glaubt dies nur eine Minderheit der Menschen in den USA (47 Prozent), Großbritannien (37 Prozent) und Deutschland (29 Prozent).
„Der Bosch Tech Compass zeigt: Die Menschen wünschen sich, dass Technologie die großen Herausforderungen unserer Zeit löst und den Alltag in vielen Bereichen erleichtert.“
sagt Bosch CEO Stefan Hartung

Westliche Länder setzen große Hoffnungen auf grüne Technologien, Asien auf KI

Bei der Frage, welche Technologien positive Auswirkungen auf die Gesellschaft haben werden, gibt es ebenfalls deutliche regionale Unterschiede. Deutschland, Großbritannien und die USA setzen große Hoffnungen in grüne Technologien wie Climate Engineering, Biotechnologie und Wasserstoff. China und Indien sind hingegen davon überzeugt, dass sich intelligente und vernetzte Technologien wie KI und 5G positiv auf die Gesellschaft auswirken werden. Rund ein Drittel aller Befragten in den USA und Europa gibt jedoch an, KI als die größte technologische Bedrohung zu sehen. „Diese Vorbehalte abzubauen und Vertrauen in digitale Technologien aufzubauen – das wird in der Zukunft von entscheidender Bedeutung sein und sich auch auf das Verhalten der Verbraucher auswirken“, sagt Hartung. Das zeigt auch ein weiteres Ergebnis der Umfrage: Vier von fünf Menschen weltweit glauben, dass der Erfolg eines Unternehmens davon abhängt, in Zukunft digitales Vertrauen bei seinen Kunden aufzubauen. Denn das wird nach Meinung der weltweit Befragten immer wichtiger: Für 43 Prozent spielt Vertrauen in der digitalen Welt eine größere Rolle als in der analogen Welt. „Aus diesem Grund hat Bosch sich mit dem KI-Kodex Leitlinien für den Umgang mit Künstlicher Intelligenz gegeben und damit einen wichtigen Beitrag zur öffentlichen Debatte geleistet“, sagt Hartung.
„Diese Vorbehalte abzubauen und Vertrauen in digitale Technologien aufzubauen – das wird in der Zukunft von entscheidender Bedeutung sein und sich auch auf das Verhalten der Verbraucher auswirken.“
sagt Hartung.

Fahren oder Beamen?

Die Umfrage zeigt außerdem: Der Traum vom Beamen lebt. Mehr als ein halbes Jahrhundert, nachdem Star Trek zum ersten Mal über die Mattscheibe geflimmert ist, übt die Idee der Teleportation weiterhin Faszination aus – insbesondere in Deutschland. Auf die Frage, wie sie sich in Zukunft – unabhängig von der technischen Machbarkeit – am liebsten fortbewegen möchten, nennen mehr als ein Drittel (39 Prozent) der Menschen hierzulande: Beamen. Damit zeigen sich die Deutschen im internationalen Vergleich besonders experimentierfreudig, gefolgt von China mit 34 Prozent. Auch in Großbritannien (27 Prozent), den USA (20 Prozent) und Indien (10 Prozent) findet Teleportation einige Fans. An erster Stelle steht mit 56 Prozent das deutlich profanere, von Menschen gesteuerte Auto, gefolgt von Flugzeugen (40 Prozent) und Zügen (32 Prozent).

Der nächste Schritt bei der Feststoffbatterie

(KIT) – Mehr Sicherheit, größere Speicherkapazitäten, kürzere Ladezeiten – Festkörperbatterien sollen herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien zukünftig in fast allen Leistungsparametern übertreffen. Grundlagen dafür hat das Batterie-Kompetenzcluster FestBatt unter Beteiligung von Forschenden des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) erarbeitet. In einer zweiten Förderphase werden nun komplette Batteriesysteme und Methoden für die Produktion entwickelt. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert mit rund 23 Millionen Euro.

Eine Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterie könnte der Elektromobilität schon in wenigen Jahren den entscheidenden Anstoß geben. Davon ist Professor Helmut Ehrenberg, Koordinator der Plattform Charakterisierung im Kompetenzcluster FestBatt vom Institut für Angewandte Materialien (IAM) des KIT überzeugt: „Festkörperbatterien kommen ohne flüssige und brennbare Elektrolyten aus, ihre Chemie ermöglicht höhere Energiedichten sowie kürzere Ladezeiten. Zudem kann auf giftige und seltene Materialien wie Kobalt verzichtet werden.“ Das 2018 gestartete Kompetenzcluster FestBatt entwickelt im Auftrag der Bundesregierung diese Schlüsseltechnologie und startet nun in die zweite Förderphase. Die Arbeiten finden in einem starken internationalen Wettbewerb statt – um Zukunftsmärkte auch für Europa möglichst rasch zu öffnen, hat die Bundesregierung mit FestBatt die Kompetenzen von 17 wissenschaftlichen Einrichtungen gebündelt. Darunter befinden sich Universitäten, Helmholtz-Institute sowie Institute der Fraunhofer-Gesellschaft und der Max-Planck-Gesellschaft, gesamtheitlich werden die Arbeiten durch die Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) koordiniert.

Erste Schritte auf dem Weg zur Massenproduktion
Im Mittelpunkt der neuen Förderphase von FestBatt wird die Entwicklung von Zellkomponenten und ganzen Festkörperbatteriezellen auf der Basis vielversprechender Elektrolyte stehen, außerdem sollen Material- und Prozesstechnologien für deren Produktion entwickelt werden. Bis zu einer Massenproduktion von Festkörperbatterien gilt es allerdings noch eine Reihe von wissenschaftlichen und technologischen Herausforderungen zu lösen. Die vom KIT koordinierte Plattform Charakterisierung unter Beteiligung der Universität Marburg, dem Forschungszentrum Jülich sowie der JLU wird dabei unter anderem Charakterisierungen von Kontakt- und Grenzflächen mit Röntgen-, Synchrotron und Neutronenstrahlung sowie verschiedener Mikroskopietechniken an komplexen Mehrphasensystemen durchführen. Am KIT wird unter anderem eine Forschungsgruppe die mit besonderen Schutzschichten versehenen Kathodenmaterialien den Partnern innerhalb der Plattform und dann als Referenzmaterial allen anderen an FestBatt beteiligten Verbundprojekten zur vollständigen Charakterisierung zur Verfügung stellen.

Vorsprung durch systematische Charakterisierung

In der ersten Förderphase von FestBatt haben mehr als 100 Forschende in transdisziplinär aufgestellten thematischen Plattformen daran gearbeitet, geeignete Materialien zu identifizieren und unterschiedliche Festelektrolyte zu synthetisieren. Die Plattform Charakterisierung hat die Materialien dabei systematisch untersucht: Dabei konnten die wichtigsten Einflussgrößen bei der Synthese von Festelektrolyten und kritische Materialveränderungen in Kompositen identifiziert werden. Darauf baut nun die Weiterentwicklung der Feststoffbatterien in der zweiten Förderphase von FestBatt auf. Erst durch die Entwicklung von standardisierten Messprotokollen gelang eine zuverlässige Bestimmung der Leistungskenndaten und eine Einordnung der sehr unterschiedlichen Zellkonzepte, die weltweit mit großer Intensität entwickelt werden.

Wird Deutschland in der Stromversorgung zum Entwicklungsland?

Prof. Dr.-Ing. Harald Schwarz ist Lehrstuhlinhaber an der BTU Cottbus-Senftenberg und einer der profiliertesten Fachleute und Spezialisten für die sichere Versorgung und Verteilung ganz Europas mit elektrischer Energie. Er hat der Deutschen Welle ein beachtenswertes Interview zu den Gefahren gegeben, die dem deutschen  Verteilungsnetz zur Versorgung mit Elektrizität drohen – insbesondere, wenn jetzt alle Kern- und Kohlekraftwerke abgeschaltet werden. Selbst im Status quo sind wir in der letzten Zeit ganz nah an einem gefährlichen Black out vorbeigeschrammt, denn bei Übernahme der Versorgungslücken durch regeneratives Fotovoltaik-Strom und Wind-Energie gibt es ein physikalisches und nicht wegzudiskutierendes Problem, es fehlen effiziente Stromspeicher-Anlagen. Derzeit verfügt Deutschland über eine Speicherreserve, die höchstens für eine Stunde Stromversorgung erreicht.

Dieses Interview sollten sich alle verantwortliche Politiker anhören, die geschworen haben, Unheil vom Deutschen Volk abzuwenden. Es enthüllt alle, die wider besseres Wissen auf Wolkenkuckucksheime setzen. Auch das engverzweigte europäische Hochspannungsnetzt – und das ist einer seiner Hauptaussagen am Beispiel konkreter Ereignisse – kann das Problem nicht lösen. Später kann niemand mehr sagen, er hätte es nicht gewusst. Wo bleibt da die Verantwortung der Politik für das Ganze? Es geht dabei nicht um ein Glack out um ein oder zwei Stunden, sondern um mehrere Tage, wenn das Kind in den Brunnen gefallen ist. Wer weiß, welch große Bedeutung die Kontinuität der Stromversorgung für unsere Volkswirtschaft ist, kann sich den teilweise nicht reparierbaren Schaden für unsere gesamte Gesellschaft nicht vorstellen.

Hier nun der Link zu dem empfehlenswerten Video, welches wegen der Komplexität des Themas ca. 1 Stunde dauert. Doch es kann jeden Politiker und interessierten Bürger die Notwendigkeit und bei Nichtbeachtung die drohenden Gefahren plastisch vor Augen führen:

Hier geht’s zum Youtube-Video

Jean Pütz

Richtigstellung eines Berichtes in der Tagesschau zur Einstellung von drei der letzten sechs Kernkraftwerke in Deutschland zum Jahresende 2021

Meine persönliche Bemerkung:

Professor Dr. Sigismund Kobe ist als Professor der Physik einer der führenden Fachleute auf dem Gebiet der Versorgung Deutschlands mit sicherer Energie. Prof. Kobe hat mich auf ein fundamentalen Fehler aufmerksam gemacht, der sogar in der renommierten Tagesschau der ARD  am 26.12.2021 zunächst ohne Widerspruch und Korrektur ausgestrahlt. Offenbar ist das von den Fernseh-Publikum geglaubt worden, sonst wären sie auf die Barrikaden gestiegen. Das ist das große Problem der heutigen Energiepolitik, ein Populismus mit unerträglichem Wunschdenken hat in Deutschland die öffentliche Meinung erfasst. Weil nur wenige Menschen die Zusammenhänge naturwissenschaftlicher Gesetze deuten können, entstehen große Gefahren für die deutsche technische Kultur, auf der unser Wohlstand beruht.

‚Denke ich an Deutschland in der Nacht, so werde ich um den Schlaf gebracht‘ (Heinrich Heine). Gott sei Dank gibt es einige warnende Fachleute, die noch den Überblick bewahren, aber derzeit wenig Resonanz bei Politikern finden.

Der erste langfristige Blackout in Versorgung mit elektrischer Energie steht bevor, weil sich die Politik im Wunschdenken verloren hat. Das sagen nicht nur Pessimisten.

Ich weiß, längere Texte werden heute nicht mehr gelesen, aber diesmal lohnt es sich besonders, um Unheil vom deutschen Volk abzuwenden:

Jean Pütz

(Sigismund Kobe) – In dem Beitrag stellt tagesschau folgende Behauptung auf:

„Rein rechnerisch entspricht die installierte Leistung der jetzt abzuschaltenden Blöcke der von 1000 Windrädern.“

Mit dem Vergleich von Äpfeln mit Birnen, hier der installierten Leistung von Kernkraftwerken mit der installierten Leistung von WEA, soll offenbar  dem Leser/Zuhörer vermittelt werden, man könne die Abschaltung von drei KKW zum Jahresende durch die Errichtung von nur 1000 Windräder kompensieren.

Die Wahrheit sieht aber so aus:

Die Grafik vom ISE Fraunhofer-Institut Freiburg zeigt den Jahresertrag 2021 (bis zum 28.12.) von Elektroenergie:

6 KKW (links, rot)                  = 64,83 TWh
ca. 30 000 WEA onshore (rechts) = 87,63 TWh

 

Damit ergibt sich folgende Abschätzung

Jahresertrag von drei KKW:         ca. 30 TWh

Jahresertrag von 1000 WEA:       ca.    3 TWh

Rein rechnerisch benötigt man also nicht 1000, sondern 10 000 WEA.

Dieser Vergleich bezieht sich allerdings nur auf die Jahresbilanz, d.h. auf die jeweils jahreskumulierten Stromerträge.

Um die volatile Erzeugung der WEA zu kompensieren, benötigt man zusätzlich Großspeicher.

Wir haben als Großspeicher in Deutschland nur Pumpspeicherwerke zur Verfügung. Sämtliche Pumpspeicherwerke

lieferten 2021 ca. 10 TWh. Dies entspricht auch etwa der benötigten Speicherkapazität, um die durch 10 000 WEA  erzeugte Elektroenergie verbrauchergerecht (so wie die KKW es bisher geschafft habe) bereitzustellen.

Fazit:  Um allein drei KKW durch onshore-WEA zu substituieren, werden zu den 30 000 vorhandenen noch weitere 10 000 WEA benötigt. Dies ALLEIN reicht aber nicht aus: Zusätzlich müsste nur für diese 3 KKW auch der Gesamtbestand an PSW in Deutschland verdoppelt werden.

Mit freundlichen Grüßen

Sigismund Kobe
(Prof. em. S. Kobe, TU Dresden)

Siliziumfreie Perowskit-Fotovoltaik-Zelle auf dem Vormarsch – preisewert und mittlerweile auch langzeitbeständig

(pte) – Forscher des Helmholtz Instituts Erlangen-Nürnberg und des Forschungszentrums Jülich haben eine Perowskit-Variante entwickelt, die durch ihre besondere Stabilität hervorsticht. In Tests bei erhöhter Temperatur um die 65 Grad Celsius und Beleuchtung behielt die neue Zelle über 1.450 Betriebsstunden hinweg 99 Prozent ihres anfänglichen Wirkungsgrads bei. Details wurden in „Nature Energy“ publiziert.

Außergewöhnliche Stabilität

„Die Achillesferse der Perowskit-Solarzellen ist ihre geringe Haltbarkeit. Klassische Silizium-Module sind recht langlebig. Selbst nach mehr als 20 Jahren im praktischen Einsatz büßen sie nur wenig von ihrer Leistungsfähigkeit ein. Solarzellen aus Perowskit verlieren dagegen meist schon nach wenigen Tagen oder Wochen an Effizienz. Früheren Modellen konnte man beim Altern regelrecht zuschauen: der Wirkungsgrad sank innerhalb von Sekunden oder Minuten nach dem Anschalten der Beleuchtung im Labor“, so Forscher Christoph Brabec.

Die neue Zelle besticht den Experten nach durch ihre außergewöhnliche Stabilität. „Die Werte gehören sicher zu den besten, die jemals für eine planare Perowskit-Solarzelle in einem Langzeittest gemessen wurden. Eine Langzeitprognose ist immer schwierig. Aber die Perowskit-Solarzelle, die wir jetzt entwickelt haben, könnte unter normalen Umständen sicherlich schon über 20 000 Betriebsstunden betrieben werden“, sagt Brabec.

Elektrode in einer Schutzhülle

„Um die Stabilität an der Kontaktstelle zu verbessern, haben wir die gesamte Elektrode in eine Art Schutzhülle gepackt“, erklärt Yicheng Zhao, Kollege von Brabec. Eine neue Doppelschicht-Polymer-Struktur, deren Unterseite undotiert und deren Oberseite mit einem nicht-ionischen Dotanden dotiert ist, schütze vor Zersetzung und sorge dafür, dass die Kontaktierung erhalten bleibt. Diese Architektur beschützt auf der einen Seite die sehr sensible Grenzfläche zum Perowskit und zeigt auf der anderen Seite eine außerordentlich stabile Leitfähigkeit, auch bei erhöhten Temperaturen, heißt es.