(pte) – Ingenieure der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) haben Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) mit kleinen Mengen an Kunststoff stabilisiert, mit denen sie einen Teil der Poren füllen. Er wirkt wie eine Stütze, die den Zusammenbruch verhindert. MOFs sind wahre Multitalente. Sie sind extrem gute Filter, die Wasser von Keimen, Schwermetallen und anderen Schadstoffen befreien. Sie trennen auch Gase voneinander. Sie haben nur einen Nachteil: Weil sie extrem porös sind, mangelt es ihnen an Stabilität.

Gigantische innere Oberfläche
MOFs bestehen aus anorganischen Molekülen, die von organischen Molekülen zusammengehalten werden. Sie sind mit unvorstellbar vielen feinsten Poren ausgestattet. Rekordhalter ist ein Material, das eine innere Oberfläche von 7.800 Quadratmetern hat – bei einem Gewicht von gerade einmal einem Gramm. Dessen Poren haben einen Durchmesser von weniger als zwei Nanometern.

Die Schweizer Forscher haben sich allerdings mit MOFs befasst, deren Porendurchmesser größer ist als zwei Nanometer. Sie haben gegenüber mikroporösen MOFs einige Vorteile, sind aber weniger stabil, was die technische Nutzung erschwert oder gar unmöglich macht. Weil immer wieder Poren kollabieren, reduziert sich mit der Zeit die innere Oberfläche, sodass die Effizienz nachlässt.

Stabilität statt nur Verstopfung
Li Peng, der am EPFL-Labor für anorganische Funktionsmaterialien arbeitet, hat kleine Mengen an Kunststoff in die Poren gefüllt. Dieser verstopft sie nicht, weil er Tragbalken bildet, die als Stützen wirken, den Durchmesser der Poren aber nur verkleinern. Derart stabilisiert halten diese MOFs Temperaturen von 150 Grad Celsius aus, die sie normalerweise kollabieren ließen. Die Forschungsarbeit hat Wendy Lee Queen, die Chefin des Labors, geleitet.

„Wir stellen uns vor, dass die Stabilisierung auf Kunststoffbasis die Herstellung neuer MOFs möglich macht, die sich bisher nicht nutzen lassen“, unterstreicht Queen. Diese porösen Materialien könnten für neue hochinteressante Anwendungen genutzt werden. Dazu gehören die Trennung und Umwandlung großer Moleküle.

(KIT) – Sich als Neuankömmling oder Gelegenheitsnutzer dem Öffentlichen Nahverkehr anzuvertrauen, kann schnell in Stress ausarten. Seit einigen Jahren helfen Apps dabei, immer den richtigen Bus oder die passende Bahn zu nehmen. Was viele nicht wissen: Die digitalen Helfer nennen uns – wenn man etwa die Zahl der Umstiege oder gar weitere Verkehrsmittel wie Auto oder Fahrrad einbezieht – keineswegs die jeweils beste Route. Forscherinnen und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) schaffen hier Abhilfe.

„Heutige Routenplaner beziehen zum Beispiel Fußwege nicht mit ein“, sagt Dorothea Wagner, Leiterin des Instituts für Theoretische Informatik des KIT. Dabei könne es unter dem Strich durchaus schneller sein, zehn Minuten zur Bushaltestelle zu laufen, als um die Ecke in die U-Bahn zu steigen, so die Professorin für Algorithmik. Ähnlich verhält es sich, wenn zusätzlich verschiedene Verkehrsträger wie Taxi oder Fahrrad eingebunden werden sollen. Oder auch bei Park-and-Ride-Szenarien, wenn Reisende das eigene Auto in der Nähe von Haltestellen des Öffentlichen Nahverkehrs abstellen und mit Bus und Bahn weiterfahren.

Wagner rückt dem Problem mit besonders effizienten Algorithmen zu Leibe. „Den schnellsten Weg zu identifizieren, ist algorithmisch nicht sonderlich anspruchsvoll“, sagt die Expertin. Entsprechende Programme gebe es seit 20 Jahren. Bei den komplexer werdenden Beförderungsszenarien sei die Masse an Daten das Problem. „Wir müssen also schneller werden.“ Dies soll gelingen, indem geschickte Vorberechnungen mit schnellen Algorithmen zum Ermitteln der besten Verkehrsverbindungen kombiniert werden. Erste Ergebnisse sind ein Durchbruch in diesem Gebiet und werden im September bei der internationalen Konferenz ALGO 2019 in München präsentiert.

Die Ergebnisse sollen auch den Planerinnen und Planern des öffentlichen Verkehrs helfen, ihre Fahr- und Einsatzpläne zu optimieren. Denn die sich ändernden Kundenbedürfnisse haben Einfluss darauf, auf welchen Strecken und zu welcher Zeit sinnvollerweise mehr oder weniger Fahrzeuge eingesetzt werden sollen.

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert die ortsverteilte Forschungsgruppe FOR 2083 zum Thema „Integrierte Planung im öffentlichen Verkehr“ für weitere drei Jahre bis 2021. Beteiligt sind neben dem KIT die Universität Stuttgart, die Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg und das Fraunhofer Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik Kaiserslautern. Die Förderung für die drei Jahre beträgt rund 1,5 Millionen Euro, die Fördersumme verteilt sich auf die vier Standorte.

(pte) – Der Proteinriegel kommt künftig aus der Fabrik und wird mit Rohstoffen, die Mikroorganismen produzieren, hergestellt. Sie ernähren sich von Wasserstoff und CO2 sowie Nährstoffen. Wasserstoff wird per Elektrolyse aus Wasser und Strom aus erneuerbaren Quellen produziert, CO2 aus der Luft gewonnen. Power-to-Food nennen die Entwickler der Lappeenranta University of Technology und des Technischen Forschungszentrums Finnland (VTT) das Verfahren.

Erste Fabrik für 2021 geplant
Aus der Hochschule ausgegründet produziert Solar Food in Lappeenranta bereits Nahrungsmittel. Das Unternehmen wirbt für sein Verfahren unter anderem mit dem geringen Wasserverbrauch. Dieser liege, um ein Kilogramm Nahrungsmitteln zu erzeugen, bei zehn Litern. Bei Soja sind es 2.500 Liter, bei Fleisch sogar 15.500 Liter. Ackerland ist überflüssig, so die Experten. Die Bioreaktoren könnten in Containern untergebracht werden, die sich auch auf unfruchtbaren Böden aufstellen lassen.

Die Pilotanlage produziert bereits ein Kilogramm Nahrungsmittel pro Tag. Die erste Fabrik, die 50 Mio. Mahlzeiten pro Jahr herstellen wird, soll 2021 in Betrieb gehen. Das Produkt schmeckt wie Weizenmehl. Es enthält 50 Prozent Proteine, fünf bis zehn Prozent Fett und 20 bis 25 Prozent Kohlenhydrate.

Idee stammt aus der Raumfahrt
Die Idee, aus Strom, Wasser und CO2 Nahrungsmittel herzustellen, stammt von der US-Weltraumbehörde NASA und ihrem russischen Gegenstück. Der Prozess sollte auf langen Weltraumreisen die Versorgung mit Nahrungsmitteln erleichtern. Die finnischen Forscher haben das Verfahren so verbessert, das der Herstellungstechnik für Hefe ähnelt.

Es gebe nicht nur Bedarf an Gasen und Treibstoffen, bei deren Verbrennung kein zusätzliches CO2 freigesetzt werde, sondern auch nach emissionsfreien Nahrungsmitteln. Das Verfahren, das wir entwickelt haben, ist die Antwort“, so Forscher Jero Ahola. Anders als bei der klassischen Produktion von Nahrungsmitteln gibt es beim biologischen Verfahren keine Abfälle. Es handle sich um einen geschlossenen Kreislauf, aus dem lediglich das fertige Produkt ausgekoppelt wird, ergänzt Michael Lienemann, bei VTT Ingenieur für Biotechnik.

(Rice University) – Forscher der Rice University können Abwärme nun äußerst effizient recyceln. Der neue Ansatz basiert auf einer speziellen Anordnung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, durch die Strahlung im mittleren Infrarotbereich kanalisiert wird. Dies erhöht die Effizienz von Solarenergiesystemen deutlich. Die Methode hat das Potenzial, den Wirkungsgrad von Solarmodulen von 22 Prozent auf ein Maximum von 80 Prozent zu steigern.

(KIT) – Drahtlose Datennetze der Zukunft müssen höhere Übertragungsraten und kürzere Verzögerungszeiten ermöglichen und dabei immer mehr Endgeräte versorgen. Dies erfordert Netzwerkstrukturen aus vielen kleinen Mobilfunkzellen. Zur Anbindung dieser Zellen bedarf es leistungsfähiger Übertragungsstrecken bei hohen Frequenzen bis in den Terahertz-Bereich. Außerdem gilt es, die Übertragungsstrecken möglichst nahtlos mit Glasfasernetzen zu verbinden. Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) setzen ultraschnelle elektro-optische Modulatoren ein, um Datensignale von der Terahertz-Übertragung zur optischen Übertragung zu konvertieren. Sie berichten in der Zeitschrift Nature Photonics (DOI: 10.1038/s41566-019-0475-6)

Während der neue Mobilfunkstandard 5G noch getestet wird, arbeiten Forscherinnen und Forscher bereits an Technologien für die nächste Generation der drahtlosen Datenübertragung. „6G“ soll noch deutlich höhere Übertragungsraten, kürzere Verzögerungszeiten, eine größere Gerätedichte sowie die Integration Künstlicher Intelligenz ermöglichen. Auf dem Weg zur sechsten Mobilfunkgeneration sind viele Herausforderungen zu meistern, was sowohl die einzelnen Komponenten als auch ihr Zusammenwirken betrifft. So werden die drahtlosen Netze der Zukunft aus einer Vielzahl kleiner Mobilfunkzellen bestehen, innerhalb derer hohe Datenmengen schnell und energieeffizient übertragen werden können. Zur Vernetzung dieser Zellen werden Funkstrecken benötigt, mit denen sich Dutzende oder gar Hunderte von Gigabit pro Sekunde auf einem Kanal übertragen lassen. Dazu bieten sich Frequenzen im Terahertz-Bereich an, die im elektromagnetischen Spektrum zwischen den Mikrowellen und der Infrarotstrahlung liegen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, drahtlose Übertragungsstrecken nahtlos mit Glasfasernetzen zu verbinden, um die Vorteile beider Technologien zu vereinen – hohe Kapazität und Zuverlässigkeit mit Mobilität und Flexibilität.

Einen vielversprechenden Ansatz zur Konversion der Datenströme von der Terahertz-Übertragung zur optischen Übertragung haben Wissenschaftler an den Instituten für Photonik und Quantenelektronik (IPQ), Mikrostrukturtechnik (IMT) sowie Hochfrequenztechnik und Elektronik (IHE) des KIT und dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg entwickelt: Wie sie in der Zeitschrift Nature Photonics berichten, verwenden sie ultraschnelle elektro-optische Modulatoren, um ein Terahertz-Datensignal direkt in ein optisches Signal umzuwandeln und damit die Empfängerantenne direkt an eine Glasfaser anzukoppeln. Die Wissenschaftler nutzen in ihrem Experiment eine Trägerfrequenz von circa 0,29 THz und erreichen eine Übertragungsrate von 50 Gbit/s. „Der Modulator beruht auf einer plasmonischen Nanostruktur und hat eine Bandbreite von mehr als 0,36 Terahertz“, erklärt Professor Christian Koos, Leiter des IPQ und Mitglied der kollegialen Leitung des IMT. „Die Ergebnisse zeigen das enorme Potenzial nanophotonischer Bauteile für die ultraschnelle Signalverarbeitung.“ Das von den Forschern demonstrierte Konzept kann die technische Komplexität von zukünftigen Mobilfunk-Basisstationen drastisch reduzieren und Terahertz-Verbindungen mit enorm hohen Datenraten ermöglichen – vorstellbar sind mehrere Hundert Gigabit pro Sekunde.

Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 9 300 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 25 100 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen.

(KIT) – Die Sonne ist eine unerschöpfliche und nachhaltige Energiequelle. Deshalb nimmt die Photovoltaik bei der Energieerzeugung in Deutschland eine immer wichtigere Rolle ein. Zu den vielversprechenden Materialien für Solarzellen – mit einem hohen Wirkungsgrad und kostengünstig in der Herstellung – gehören die metallorganischen Perowskite. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben eine neuartige, hocheffiziente Lochleiterschicht aus Nickeloxid entwickelt, die großflächig abscheidbar ist und in diesen Solarzellen zu Rekordeffizienzen führt.

Mit Wirkungsgraden von über 24 Prozent im Labor gehören Perowskit-Solarzellen heute zu den effizientesten Dünnschichttechnologien der Photovoltaik. Sie versprechen im Vergleich zu den Silizium-Solarzellen, die derzeit den Markt dominieren, eine deutlich günstigere und einfachere Herstellung.

Trifft Sonnenlicht auf den Perwoskit-Absorber, lösen sich dort Elektronen aus ihrem gebundenen Zustand und werden energetisch angeregt. Gleichzeitig bleiben positiv geladene Fehlstellen als „Löcher“ zurück. „Um Energie aus der Solarzelle entnehmen zu können, müssen diese Elektronen und Löcher an unterschiedlichen Seiten des Absorbers abgeführt werden. In Perowskit-Solarzellen geschieht dies durch selektive Ladungsträgerschichten, also Membranen, die entweder nur die Elektronen oder nur die Löcher passieren lassen“, erklärt Tobias Abzieher, Doktorand am Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT. „Damit erfordern effiziente Perowskit-Solarzellen nicht nur eine Optimierung der lichtabsorbierenden Perowskit-Schicht, sondern auch dieser ladungsträgerselektiven Schichten.“

Zusammen mit weiteren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des KIT hat Abzieher eine neuartige, hocheffiziente Lochleiterschicht für Perowskit-Solarzellen auf Basis von Nickeloxid (NiOx) entwickelt. Diese Schicht ist nicht nur kostengünstig, sondern auch im Gegensatz zu den üblichen organischen Materialien unempfindlicher gegenüber Temperaturen von mehr als 70 Grad Celsius. „Um diese auf dem Substrat abzuscheiden, nutzen wir eine Vakuumprozesstechnik – die Elektronenstrahlverdampfung. Dabei lagert sich das Metalloxid mittels Bedampfung auf einem Substrat ab. Mit dieser Technik können wir die Schicht großflächig homogen, sowie dank der geringen Anzahl an Prozessparametern mit gleichbleibend hoher Qualität herstellen“, so Abzieher.

Wirkungsgrade erzielen Weltrekord
Für vollständig vakuumprozessierte Perowskit-Solarzellen erzielt das Team Wirkungsgrade von bis zu 16,1 Prozent und demonstriert damit eine der effizientesten Perowskit-Solarzellen auf Basis dieser Methode. Neben der reinen Vakuumabscheidung bildet das hocheffiziente Substrat auch einen idealen Ausgangspunkt für die Abscheidung des Absorbers per Tintenstrahldruck – das heißt mittels einer Drucktechnik wie man sie von daheim kennt. Mit diesem Verfahren stellen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen Weltrekord auf: Sie erzeugen mit tintenstrahlgedruckten Absorberschichten Wirkungsgrade bis zu 18,5 Prozent. „Aktuell dominiert in der Entwicklung die Abscheidung per Drehrotationsbeschichtung, für die Wirkungsgrade über 24 Prozent erzielt wurden. Allerding lässt sich diese praktisch nicht auf große Flächen übertragen“, sagt Tobias Abzieher.

„In unserer Arbeit konzentrieren wir uns auf skalierbare Herstellungsverfahren. Wir arbeiten mit Nachdruck daran, die Perowskit-Photovoltaik aus dem Labor in die Fabriken zu bringen“, so Dr. Ulrich W. Paetzold, Leiter der Arbeitsgruppe Advanced Optics and Materials for Next Generation Photovoltaics am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) und dem Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT.

An dem Projekt ist neben dem KIT auch das Innovation Lab in Heidelberg beteiligt. Die Forschung wurde unterstützt durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), die Initiierungs- und Vernetzungsförderung der Helmholtz-Gemeinschaft sowie die Karlsruhe School of Optics & Photonics (KSOP).

(pte) – Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) http://www.mit.edu haben eine Methode entwickelt, um die Leistung von Solarzellen über das bislang angenommene Limit hinaus zu steigern. Ihnen ist es gelungen, mit einem einzigen energiereichen Photon gleich zwei Elektronen freizusetzen. Diese bilden, wenn sie in großen Mengen auftreten, einen elektrischen Strom, der sich für Solarzellen nutzen lässt. Damit könnte sich deren theoretisch möglicher Wirkungsgrad verdoppeln.

Die gewöhnliche Funktionsweise von Solarzellen ist laut dem Forschungsteam zu ineffizient. Jedes Lichtteilchen (Photon) befreit genau ein Elektron aus dem photoelektrischen Material einer Solarzelle, auch wenn es weit mehr Energie enthält, als für die Aktion eigentlich nötig ist. Diese bisher gültige Tatsache begrenzt den theoretisch möglichen maximalen Wirkungsgrad auf 29,1 Prozent – in der Praxis sind es gut 20 Prozent. Die neue Methode soll das wahre Potenzial von Solarzellen entfesseln.

Excitonen absorbieren Licht
Der Schlüssel für die neue Methode liegt in Halbleiter-Materialien, die Excitonen enthalten. Das sind Elektronen-Loch-Paare, die energetisch angeregt sind. „Diese fließen wie Elektronen in einem elektrischen Schaltkreis“, sagt Marc Baldo, Elektrotechniker am MIT. Das Material absorbiert Lichtteilchen, wobei Excitonen entstehen, die sich teilen lassen. Jedes Teil enthält dadurch die Hälfte der Energie, die das Photon abgegeben hat.

Damit ist allerdings noch kein Strom erzeugt. Dazu ist es nötig, die halben Excitonen ins benachbarte Silizium zu transferieren. Dies gelang den Forschern mit allerlei physikalischen Tricks. Im Silizium setzten die angeregten Teilchen jeweils ein Elektron frei. Damit produzierte ein einziges Photon letztlich zwei Elektronen. Weil das nicht immer hundertprozentig gelingt, schätzen die Forscher den damit möglichen Wirkungsgrad auf 35 Prozent.

Methode hat noch Raum für Verbesserung
Der von den Forschern gewünschte Wirkungsgrad ist jedoch noch lange nicht erreicht. Die Koppelung zwischen dem Excitonen-Material und dem Silizium müsse noch verbessert werden, sagt das Forschungsteam. Zusätzlich ist geplant, auf diese spezielle Zelle ein Perowskit-Modul zu setzen, das transparent ist, sodass Photonen die darunter liegende photoelektrische Schicht ungehindert erreichen können, nachdem ein Teil davon in der Perowskit-Schicht bereits Strom erzeugt hat. Diese sogenannte Tandemzelle hätte einen noch höheren Wirkungsgrad.

(Businessinsider) – Am 15.01.2020 um 19 Uhr könnte Deutschland schon nicht mehr in der Lage sein, Extremsituationen im Stromnetz selbst zu bewältigen. Die vier großen Übertragungsnetzbetreiber 50 Hertz, Amprion, Tennet und TransnetBW prognostizieren dies in ihrem „Bericht der deutschen Übertragungsnetzbetreiber zur Leistungsbilanz 2016-2020“, über den die „Welt“ berichtet. In diesem Bericht werden voraussichtliche Stromeinspeisung und Stromverbrauch gegenübergestellt und ein Stichtag und -Uhrzeit gewählt, an dem erwartungsgemäß der höchste Deckungsbedarf und der niedrigste Speicherwert im Stromnetz herrscht. Unter Betrachtung dieses „Extremwertes“ können die Netzbetreiber „die voraussichtlich kritischste Situation“ im Stromnetz bewerten. Eine Aussage der Eintrittswahrscheinlichkeit trafen die Netzbetreiber nicht.

Nach der Jahreshöchstlast 2016, welche am 7. Dezember eintrat, war eine Reservelast von 27,5 Gigawatt vorhanden, begünstigt durch unerwartet hohe Zufuhr an Windenergie. Am Referenztag 2017 betrug dieser Wert nur noch 3,5 Gigawatt und laut Prognosen soll er in weniger als 24 Monaten im negativen Bereich, bei -0,5 Gigawatt, liegen – und dabei sind Reservekraftwerke schon mit einberechnet. Das Ausmaß einer in diesem Falle eintretenden Unterdeckung ist schwer einzuschätzen.

Prognose der Bundesnetzagentur
Der Bundesverband für Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW) rechnete bisher mit einer Unterdeckung erst zur Abschaltung des letzten Atomkraftwerks und Sicherheitsreserve der Braunkohle im Jahr 2023. Die Bundesnetzagentur äußert sich ebenfalls zu dem Thema. Sie beurteilt die Rechnung der Übertragungsnetzbetreiber als unwahrscheinlich: Die berechnete minimale Erzeugung erneuerbarer Energien sei sehr gering, die angenommene Anzahl der Ausfälle konventionelle Kraftwerke sehr hoch. Beide Ereignisse müssten mit der Jahresspitzenlast zusammenfallen, was „mit größter Wahrscheinlichkeit am 15. Januar 2020 um 19 Uhr so nicht gegeben ist“.

Die Gleichzeitigkeit der Jahresspitzenleistung mit der extrem niedrigen Zugabe von erneuerbaren Energien ist im Winter aufgrund des Klimas dennoch nicht ganz so unwahrscheinlich Durch die niedrigen Temperaturen steigt der Stromverbauch an, die Sonne scheint nur sehr wenig auf die Fotovoltaik-Anlagen und durch die Hochdrucklage generieren auch die Windräder nur sehr wenig Strom.

Was sind die Maßnahmen im Fall einer Unterdeckung?
Sollte der beschriebene Fall der aufgebrauchten Reserven eintreten, müsse man dieses Defizit durch Strom-Importe aus dem europäischen Verbundsystem kompensieren. Durch einen solchen Import kommt es allerdings zu einem Kontrollverlust, denn es besteht keine Garantie, dass in anderen Ländern Überschüsse zum Export bereitstehen. Selbst der Strom-Riese Frankreich muss im Winter Strom importieren. Deshalb bezeichnen die Übertragungsnetzbetreiber eine Untersuchung zur Verlässlichkeit solcher ausländischen Versorgungsbeiträge als notwendig.

Die wachsende Unsicherheit der deutschen Stromversorgung wirft die Frage auf, ob weitere Kohlekraftwerke wirklich kurzfristig stillgelegt werden sollten oder ob die Energiewende noch warten muss. Die Union zeigte sich in Sondierungsgesprächen bereit, durch solche Stilllegungen von Kohlekraftwerken sieben Gigawatt bis 2020 einzubüßen. Das SPD-geführte Wirtschaftsministerium sah in diesem Vorhaben keine Gefahr für die Versorgungssicherheit.

Ab 2023 wird es kritisch
Stefan Kapferer, Vorsitzender der BDEW-Hauptgeschäftsführung, erklärte gegenüber der „WELT“, dass die deutschen Übertragungsnetzbetreiber wahrscheinlich auch für 2019 und 2020 Reserveleistungen im Ausland einkaufen werden, um den Wert der „verfügbaren Leistung“ im positiven Bereich zu halten. Kritisch sah er die Situation ab 2023: „Bis dahin wird die gesicherte Leistung vollständig abgebaut sein“. Die BDEW prognostiziert die Jahreshöchstlast für 2023 auf etwa 81,8 Gigawatt, die gesicherten Leistungen würden aber nur Werte bis etwa 75 Gigawatt erreichen. Durch ähnliche Entwicklungen im Ausland sei „die Hoffnung, die Lücke vollständig durch Import-Strom zu schließen, trügerisch.“
Jonas Grundler

(KIT) – Die chemische Verbindung Kohlendioxid kennt die Allgemeinheit als Treibhausgas in der Atmosphäre und wegen seines klimaerwärmenden Effekts. Allerdings kann Kohlendioxid auch ein nützlicher Ausgangsstoff für chemische Reaktionen sein. Über eine solche ungewöhnliche Einsatzmöglichkeit berichtet nun eine Arbeitsgruppe des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) in der Fachzeitschrift ChemSusChem. Sie nutzt Kohlendioxid als Ausgangstoff, um das derzeit sehr intensiv untersuchte Technologiematerial Graphen herzustellen. (DOI: 10.1002/cssc.201901404)

Die Verbrennung fossiler Energieträger wie Kohle und Erdöl liefert Energie für Strom, Wärme und Mobilität, aber führt auch zum Anstieg der Kohlendioxidmenge in der Atmosphäre und damit zur Klimaerwärmung. Diese Kausalkette zu durchtrennen, motiviert Wissenschaftler alternative Energieträger zu suchen, aber auch alternative Nutzungsformen für Kohlendioxid. Eine Möglichkeit könnte sein, das Kohlendioxid als günstigen Ausgangsstoff für die Synthese von Wertstoffen zu sehen und somit in den wirtschaftlichen Verwertungskreislauf – unter Umständen sogar gewinnbringend – wiedereinzuführen.

Ein Vorbild dafür findet sich in der Natur: Bei der Fotosynthese in den Blättern von Pflanzen entsteht aus Licht, Wasser und Kohlendioxid wieder Biomasse und der natürliche Stoffkreislauf ist geschlossen. In dem Prozess ist es die Aufgabe des metallbasierten Enzyms RuBisCo, das Kohlendioxid aus der Luft aufzunehmen und für die weiteren chemischen Reaktionen in der Pflanze nutzbar zu machen. Von dieser metallenzymbasierten natürlichen Umwandlung inspiriert stellen nun Forscherinnen und Forscher am KIT einen Prozess vor, in dem das Treibhausgas Kohlendioxid zusammen mit Wasserstoff mit Hilfe von speziell präparierten, katalytisch aktiven Metalloberflächen bei Temperaturen bis zu 1000 Grad Celsius direkt in das Technologiematerial Graphen überführt wird.

Graphen ist die zweidimensionale Form des chemischen Elementes Kohlenstoff, welches interessante elektrische Eigenschaften aufweist und daher für zukünftige, neuartige Elektronikbauteile in Frage kommt. Seine Entdeckung und Handhabbarmachung im Jahre 2004 führte zu weltweiter, intensiver Forschung und brachte den Entdeckern Andre Geim und Konstanin Novoselov 2010 den Nobelpreis für Physik ein. Die beiden nahmen das Graphen händisch per Klebeband von einem Block Graphit ab.

Eine Zusammenarbeit mehrerer Arbeitsgruppen am KIT stellt nun in der Fachzeitschrift ChemSusChem eine Methode vor, Graphen mittels einem Metal-Katalysator aus Kohlendioxid und Wasserstoff abzuscheiden. „Wenn die Metalloberfläche das richtige Verhältnis von Kupfer und Palladium aufweist, findet die Umwandlung von Kohlendioxid zu Graphen direkt in einem einfachen einstufigen Prozess statt“, erklärt der Leiter der Studie, Professor Mario Ruben, vom Arbeitskreis Molekulare Materialien am Institut für Nanotechnologie (INT) und am Institut für Anorganische Chemie (AOC) des KIT. In weiteren Experimenten gelang es den Forschern sogar, das Graphen mit mehreren Schichten Dicke herzustellen, wie es für mögliche Anwendungen in Batterien, elektronischen Bauteilen oder Filtermaterialien interessant sein könnte. Das nächste Forschungsziel der Arbeitsgruppe ist es nun, aus dem gewonnen Graphen funktionierende elektronische Bauteile zu formen. Kohlenstoffmaterialien wie Graphen und magnetische Moleküle könnten die Bausteine für zukünftige Quantencomputer sein, die ultraschnelle und energieeffiziente Berechnungen ermöglichen, aber nicht auf der binären Logik heutiger Computer fußen.