Archiv der Kategorie: Physik, Chemie, Technik

Direkt-Methanol-Brennstoffzelle verbessert

(pte) – Eine aus dem Gewürz Kurkuma gewonnene Substanz könnte bei Direktethanol-Brennstoffzellen den Durchbruch bringen, wie Forscher des Clemson Nanomaterials Institute (CNI) http://scienceweb.clemson.edu/cni und des Sri Sathya Sai Institute of Higher Learning http://sssihl.edu.in sagen. Die von ihnen entwickelte Elektrode ist eigenen Angaben nach 100 Mal effektiver als bisher eingesetzte. Die Experten haben Curcumin, Hauptbestandteil von Kurkuma, und Nanopartikel aus Gold kombiniert. „Von allen Katalysatoren für die Alkoholoxidation ist derjenige, den wir entwickelt haben, der bisher beste“, sagt CNI-Gründungsdirektor Apparao Rao.

Spiel der Elektronen

Konzentration auf Anode

„Um die Direktethanol-Brennstoffzelle zu einem kommerziellen Produkt zu machen, müssen die Elektroden hocheffizient sein. Wir wollten auch keine sehr teuren Elektroden oder synthetischen Polymersubstrate einsetzen, die nicht umweltfreundlich sind“, erklärtCNI-Forschungsassistent Lakshman Ventrapragada. So kamen die Fachleute auf die goldbeschichteten Curcumin-Partikel, die die Aktivität an der Anode deutlich verbessern. Dort wird das Ethanol oxidiert. Elektronen werden abgegeben, die als elektrischer Strom genutzt werden. Da Gold in Form von Nanopartikeln verwendet wird, ist die Menge äußerst gering, sodass dieser Katalysator deutlich billiger ist als Platin, das bisher bevorzugt erprobt wurde.

Der neue Katalysator ist auch deutlich haltbarer, die Lebensdauer steigt also massiv an. Daran ist im Wesentlichen das Curcumin beteiligt. Es verhindert, dass die Goldteilchen miteinander verklumpen, sodass sich die wirksame Oberfläche verringert und weniger Ethanol oxidiert, was den Stromfluss schwächt. Das Gewürzextrakt sorgt dafür, dass die Partikel ein stabiles Netzwerk auf der Oberfläche der Anode bilden. „Im nächsten Schritt wollen wir den Prozess skalieren und mit einem industriellen Partner zusammenarbeiten, der die Brennstoffzellen tatsächlich herstellen kann“, verdeutlicht Rao abschließend.

Methanol, Anwendung Vorteile Nachteile

Du fängst den Wind niemals ein, der Wind will nicht gebunden sein, rastlos weht er über Stadt und Land und hält nicht an. Ein Liedtext von Howard Carpendale, Fred Jay und Wilhelm Brech aus dem Jahre 1974. Man kann den Wind nicht einfangen, aber die Windenergie nutzen.

Energie aus Windkraft kann man natürlich nur gewinnen, wenn der Wind weht. Da gibt es ein kleines Problem: Oft entsteht die Energie, wenn man sie gar nicht benötigt und benötigt man Energie, dann geht kein Wind. Die überschüssige Energie muss also gespeichert und transportiert werden.

Nun gibt es seit mehreren Jahren bereits die Idee Wasserstoff als Energieträger zu benutzen. Also die Energie in Wasserstoff zu speichern. Da gibt es aber das nächste Problem! Wasserstoff lässt sich in der Elektrolyse zwar relativ gut erzeugen, ist anschließend aber weder als Gas noch als Flüssigkeit einfach genug handhaben.

Ein Umweg könnte der Metha-Cycle sein: Aus der Elektroenergie durch Windkrafträder oder Photovoltaikanlagen wird Wasserstoff erzeugt. Dieser wiederum wird mit CO2 in Methanol umgewandelt. Methanol kann man in geschlossenen Behältern speichern und transportieren. Gelinde gesagt, ein recht großer Umweg. Aber wo wir gerade beim Thema sind

Warum nutzt man nicht Methanol als Kraftstoff?

Der Methanol-Kraftstoff hat viele Bezeichnungen: M100, Methol, Spritol, Methyloxyhydrat, Methynol, Pyroholzether, Spiritol, Holzin, Holzalkohol, Holzspiritus, Karbinol, Holzgeist, Carbinol, Methylalkohol sind die gängigsten Synonyme für den Kraftstoff.

Die chemische Summenformel von Methanol ist CH₃OH, die Dichte beträgt 0,79 kg/l wir haben einen Heizwert von 4,4 kWh/ l und einen Brennwert von 5,0 kWh/l. Die Daten sind von reinem Methanol.

Reines Methanol hat tatsächlich zahlreiche Vorteile. Methanol ist leicht entzündlich und verbrennt an der Luft sauber (ohne sichtbare Flamme) zu Kohlendioxid und Wasser. Technisches Methanol reduziert durch einen höheren Wasseranteil die Heiz- und Brennwerte. Methanol verfügt über eine hohe Klopffestigkeit (ROZ 106-114). Das erlaubt ein höheres Verdichtungsverhältnis im Vergleich zu klassischen Benziner oder Diesel-Motoren.

Wegen den Vorteilen wird Methanol oft als westlicher Bestandteil von Rennkraftstoffen eingesetzt. Im Vergleich zu Benzinmotoren könnte eine bis zu 10 % höhere Motorleistung und ein etwa 15 % besserer thermischer Wirkungsgrad erzielt werden, der Kraftstoffverbrauch müsste sinken. Methanol könnte vom Prinzip her alle flüssigen Kraftstoffe, die heute in der Infrastruktur im Einsatz sind, langfristig ersetzen. Selbst Flugbenzin könnte man aus Methanol herstellen.

Methanol gibt es bereits als Kraftstoff!

Methanol (M100) ist als Kraftstoff in der EU bereits genormt und enthält mindestens 82% Methanol. In China ist man etwas weiter. Dort gibt es bereits M100-Tankstellen sowie die passenden Fahrzeuge, die nun in einem Feldversuch den Kraftstoff erproben. Die Herstellungskosten für den M100 Kraftstoff sind günstiger als bei den klassischen flüssigen Kraftstoff, auch die Herstellungskosten der Fahrzeuge könnten gesenkt werden. Der Kraftstoff Methanol ist darüberhinaus noch gut biologisch abbaubar.

Methanol kann also aus einer breiten Palette von Rohstoffen hergestellt werden, was es zu einem der flexibelsten chemischen Rohstoffe und Energiequellen macht. Methanol ist darüber hinaus der weltweit am häufigsten verschiffte chemische Rohstoff und gehört zu den fünf am häufigsten gehandelten Chemikalien der Welt. Es wird seit über 100 Jahren sicher gelagert, transportiert und gehandhabt. Methanol weist viele wünschenswerte Eigenschaften auf, die es zu einem ausgezeichneten Kraftstoff für Ottomotoren machen, darunter eine hohe Oktanzahl und eine verbesserte Effizienz.

Für Automobilhersteller enthält Methanol Sauerstoff für eine sauberere Kraftstoffverbrennung, eine niedrigere Siedetemperatur für eine bessere Kraftstoffverdampfung und eine höhere Mischoktanzahl für eine sanftere Verbrennung und eine bessere Motor-Innenkühlung.

Im Vergleich zu Benzin hat Methanol eine geringere Flüchtigkeit, Dampfdichte und Wärmefreisetzungsrate bei einem Poolbrand. Es erfordert auch eine höhere Konzentration, um ein brennbares Gemisch in der Luft zu bilden. Ein weiterer Vorteil von Methanol ist jedoch, dass dank seiner Mischbarkeit reine Methanolbrände mit Wasser gelöscht werden können. Methanol-Benzin-Mischungen werden auf der ganzen Welt verwendet, vor allem in China, wo die Nachfrage weiter steigt. Methanol ist eine Schlüsselkomponente bei der Herstellung von Biodiesel.

Wo viel Licht, da gibt es natürlich auch Schatten: Die Nachteile von Methanol

Methanol kann sehr gefährlich und giftig sein, vor allem wenn man es nicht sorgfältig und sicher handhabt. Das gilt übrigens auch für andere alternative Kraftstoffe sowie für Benzin und Diesel, aber die Einnahme von Methanol kann zur Erblindung oder bei höheren Dosen auch zum Tod durch Atemlähmung führen. Das Gefährliche ist, dass sich Methanol in Geruch und Geschmack nicht von Ethanol unterscheiden lässt. Deshalb funktioniert unsere eingebaute Gefahrenerkennung bei Methanol nicht.

Wo wir gerade bei einer Atemwegerkrankung sind: Methanol ist ein Industrieprodukt, welches giftig ist und aus dem Grund auch nicht in Handdesinfektionsmitteln und Flächendesinfektionsmitteln verwendet werden darf, wenn die Gefahr einer Exposition durch Hautkontakt, Einatmen oder Verschlucken besteht. Also vor Corona bzw. einer COVID-19 Infektion wird uns Methanol nicht schützen.

Tanken wir in der Zukunft anstatt Wasserstoff vielleicht Methanol?

Methanol könnte aber der Kraftstoff der Zukunft sein, bei Bedarf kann man aus dem Methanol wieder den Wasserstoff ziehen und anschließend zur Stromerzeugung nutzen. Die Energie ist ja nie weg, sie ist immer nur anders gespeichert. Im physikalischen Sinne kann Energie nicht verlorengehen, sie wird nur nicht genutzt.

Klingt zu schön um wahr zu sein, oder?

Es gibt bereits eine Testanlage zur Wasserstofferzeugung aus Methanol. Errichtet wurde diese an der Friedrich-Alexander-Universität (FAU) in Erlangen-Nürnberg. Die Brennstoffzelle als Teil des Demonstrators produzierte dauerhaft Strom mit einer Leistung bis zu 39 Watt. Das reicht zum Beispiel um eine Leuchtstofflampe aufleuchten zu lassen, vielleicht sollten wir doch über andere Kraftstoffe nachdenken?

Auf der IAA 1997 stand der Mercedes-Benz NECAR3, der von einer Methanol-Brennstoffzelle versorgt wurde. Bedingt durch den Platzbedarf des Methanol-Reformers hatte das Fahrzeug allerdings nur zwei Sitze. Ein Methanol-Reformer wird in der Brennstoffzellentechnik verwendet, um aus einem Methanol-Wasser-Gemisch unter Freisetzung von Kohlendioxid reinen Wasserstoff zu erzeugen. Mit dem Mercedes-Benz NECAR 3, der auf der A-Klasse der Baureihe 168 basierte, konnte eine Höchstgeschwindigkeit von 120 km/h erzielt werden. Die Idee kein Wasserstoff in Druckgastanks mitzuführen ist also ein alter Hut.

Cyanobakterien wandeln Licht in Strom um

(pte) – Forscher der University of Cambridge http://cam.ac.uk sind ein gutes Stück auf dem Weg hin zur lebenden Batterie vorangekommen. Sie haben per 3D-Druck unzählige eng beieinanderstehende Nanotürmchen gebaut, in denen sich Cyanobakterien wohlfühlen. Diese wandeln Sonnenlicht in elektrische Energie um, die sie selbst verbrauchen. Der chinesisch-australischen Chemikerin Jenny Zhang, die derzeit in Cambridge forscht, und ihrem Team ist es gelungen, einen Teil der Elektronen, die die Bakterien erzeugen, abzuzweigen und als elektrischen Strom zu nutzen.

Material gibt den Ausschlag

Das ist auch anderen Forschern schon gelungen, doch die Ausbeute bei den Mikroorganismen in den Nanotürmchen ist weitaus größer. „Es gab einen Engpass in Bezug darauf, wie viel Energie man tatsächlich aus fotosynthetischen Systemen extrahieren kann, aber niemand verstand, wo der Engpass war. Die meisten Wissenschaftler gingen davon aus, dass der Engpass auf der biologischen Seite lag, in den Bakterien, aber wir haben festgestellt, dass er auf der materiellen Seite lag“, so Zhang.

Um zu wachsen und Elektronen zu erzeugen, brauchen Cyanobakterien viel Sonnenlicht. Um die Energie, die sie durch Fotosynthese produzieren, zu extrahieren, müssen die Bakterien an Elektroden befestigt werden. Die Türmchen, zwischen denen die Cyanobakterien leben und sich pudelwohl fühlen, bestehen aus einem leitfähigen Metalloxid, fungieren also als Elektroden, die die produzierten Elektronen ableiten, sodass sie nutzbar sind. Verglichen mit anderen Techniken erhöhte sich die Ausbeute um eine ganze Größenordnung.

Alleskönner Cyanobakterien

„Ich war selbst überrascht, dass wir eine so hohe Ausbeute haben“, sagt Zhang. Doch schon vor vielen Jahren seien Prognosen abgegeben worden, dass derartige Zahlen erreicht werden können. „Dies ist jedoch das erste Mal, dass diese Zahlen experimentell bestätigt wurden.“ Das lasse auch für andere Prozesse hoffen, in die Cyanobakterien verwickelt sind. Diese Mikroorganismen seien lebende chemische Fabriken, die sich auch zur Herstellung von Kraftstoffen und Chemikalien nutzen lassen. Zhang glaubt, dass die neuen Erkenntnisse die Ausbeute auch bei diesen Prozessen verbessern.

Musk-Satelliten stürzen ab und verglühen

(Morning Briefing) – Vergangene Woche stürzten gleich 40 Internet-Satelliten der US-Firma Starlink des Elon Musk ab und verglühten in der Erdatmosphäre. Warum? Ein Sonnensturm hatte das Magnetfeld der Erde verstärkt. Da die Satelliten sich nach dem Start noch in einer ungewöhnlich niedrigen Umlaufbahn befanden, wurden sie zurück zur Erde gezogen und verglühten wie ein Meteoritenschauer in der Atmosphäre.

Die vielen Satelliten im Orbit wachsen zu einer kritischen Infrastruktur heran. Künftige Sonnenstürme könnten der Weltgemeinschaft sowohl das Licht und als auch das Telefon ausknipsen. Es ist an der Zeit, sie so aufmerksam zu beobachten wie Tsunamis im Pazifik oder Sturmfluten in der Nordsee. Das Team des Tech Briefings spricht eine akute Unwetterwarnung aus.

Stahlbetonbrücken mit Versiegelung haltbarer

(pte) – Stahlbeton lässt sich künftig besser gegen eindringende Feuchtigkeit schützen. Forscher der Washington State University  haben eine Versiegelung aus nanometergroßen Partikeln entwickelt, die die Poren des Betons verschließt, sodass weniger Feuchtigkeit und Salz eindringen kann. Das sind die ärgsten Feinde des Betons. Sie sind für die Sperrung von Brücken für schwere Fahrzeuge und den Abriss und Neubau schon nach 50 oder 60 Jahren mitverantwortlich. Das Problem ist nicht nur in den USA virulent, sondern auch in Deutschland. Zuletzt musste dort die erst 54 Jahre alte Talbrücke Rinsdorf gesprengt werden.

Wasserabweisung steigt um 75 Prozent

Die neuartige Versiegelung verbessert die Wasserabweisung um 75 Prozent und reduziert das Eindringen von Salz um 44 Prozent, wie sich in Laborversuchen gezeigt hat. Auch bereits existierende Brücken und andere Bauwerke könnten, wenn sie noch keine großen Schäden aufweisen, behandelt werden, sodass sich die Lebensdauer verlängert. Das Eindringen von Feuchtigkeit in Beton ist besonders gefährlich, insbesondere wenn diese salzig ist, etwa im Winter, wenn die Straßen gestreut werden. Erreicht die Feuchtigkeit die Armierung, beginnt diese zu rosten. Rost hat ein größeres Volumen als Stahl und Eisen, sodass Betonstücke oft abgesprengt werden.

„Wir haben uns auf einen der Hauptschuldigen konzentriert, der die Integrität und Haltbarkeit von Beton beeinträchtigt, nämlich Feuchtigkeit. Wenn man Beton trocken hält, gibt es kaum noch Probleme mit der Haltbarkeit“, sagt Entwicklungsleiter Xianming Shi. Er und sein Team haben eine kommerziell bereits angebotene Versiegelung auf Silikonat-Basis mit den Nanomaterialien Graphenoxid und Montmorillonit versetzt, einem Bestandteil des natürlich vorkommenden Tonminerals Bentonit. Silikonat entsteht als Abfallprodukt bei der Herstellung von Silikonharzen und wird deshalb sehr preiswert angeboten. Jetzt untersuchen die Forscher, wie die auf Nanomaterialien basierenden Versiegelungen dazu beitragen können, Beton auch vor mikrobiellen Schäden und Abrieb zu schützen, dem täglichen Verschleiß, der das Material in stark frequentierten Bereichen schädigt.

Regenerative Stromversorgung: Professor Kobe und das grüne Wunschdenken

Brief eines fachkundigen Physik-Professors, Prof. Dr. Sigismund Kobe aus Dresden an seinen ehemaligen Lehrer.

Professor Kobe sorgt sich um die für unsere Volkswirtschaft so wichtige Stabilität der kontinuierlichen Versorgung mit elektrischer Energie. er belegt mathematisch warum eine Einspeisung ausschließlich mit regenerativen Energien in unser Stromnetz nicht möglich ist – vor allen Dingen, weil die Einrichtungen von Tausenden Terawatt-Stunden zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie fehlen und daher die Mär dieser Energiequelle aus Sonne und Wind – ausschließlich in Deutschland gewonnen – in die Katastrophe führt. Seit Jahren bin ich mit Professor Kobe befreundet. Wir tauschen uns über Möglichkeiten und Unmöglichkeiten auf dem Weg zur Klimarettung regelmäßig aus.

Jean Pütz

Lieber Helmut,

Eigentlich hätte ich Dir auch handschriftlich antworten müssen, denn Du hast dies ja
auch getan. Ich erinnerte mich sofort an Dein exaktes und sehr vertrautes Tafelbild,
als ich die Karte las.
Mit Exaktheit von Mathematik und Physik, für die Du mich begeistert hast, beschäftige ich mich auch im Moment. Es gibt ja Leute, die meinen, es reicht aus, wenn Zwei mal Zwei so ungefähr Vier ist oder mit hoher Wahrscheinlichkeit Vier zu sein scheint. Nach den Plänen der neuen Regierung soll innerhalb weniger Jahre Klimaneutralität erreicht werden. Als Weg zu diesem Ziel wird der Ausbau von Windenergie- und PVAnlagen vorgeschrieben.

Nun habe ich mir sehr viele der Studien und Szenarien etwas genauer angesehen. Es
zeigt sich, dass darin physikalische Gesetze verletzt werden. Die Politik benutzt also
sogenannte „wissenschaftliche“ Analysen, die diese Bezeichnung nicht verdienen. Dabei geht es um Stoff des Physik-Unterrichts der 8. Klasse: Knotensatz der Elektrizitätslehre:
„Die Summe der Stromstärken der zufließenden ist gleich der Summe der
abfließenden Ströme.“

Das öffentliche Stromnetz dient der „leitenden Verbindung“ zwischen Erzeuger und
Verbraucher. Von außen betrachtet ist es ein Knoten. Die Summe der Ströme aller
Erzeuger muss in jedem Augenblick gleich sein der Summe der Ströme zu allen
Endverbrauchern. Das ist das physikalische Gesetz (Gesetz 1). So weit so gut. Über die letzten hundert Jahre war es nicht besonders schwierig, dieses „Gleichgewicht“ in jedem Augenblick aufrecht zu erhalten, denn die Kraftwerke lieferten gleichmäßig Strom und ihre Einspeisung konnte dem augenblicklichen Bedarf der Verbraucher problemlos angepasst werden.
Als Folge der Gültigkeit des Knotensatzes in jedem Augenblick ist dann die Summe der im ganzen Jahr von den Kraftwerken eingespeisten auch gleich der Summe der in dieser Zeit von allen Stromabnehmern verbrauchten Elektroenergie. Diese Aussage (Aussage 2) ist kein physikalisches Gesetz, sondern ergibt sich aus Gesetz 1.

In der „neuen Zeit“ werden konventionelle Kraftwerke durch Erzeuger wie Windenergie- und Photovoltaikanlagen ersetzt. Diese stellen Energie stochastisch nach Wetterlage bereit. Bisher konnte trotzdem die zweite Bedingung (Gleichheit der jahreskumulierten Energien von Erzeugung und Verbrauch) und meistens auch das Gesetz 1 erfüllt werden.

Für alle Prognosen, Szenarien etc., z.B. Klimaneutralität für 2045, genügt den
Autoren allerdings die Einhaltung der „Aussage 2“, also die Jahresbilanz der Energie.
Sie unlassen es, nachtraglich zu prüfen, ob ihre Ergebnisse auch mit „Gesetz 1“, dem
Knotensatz, kompatibel ist.

Dies ist ein schwerer Fehler und wird uns Milliarden Euro kosten. Warum? Ist nämlich der stochastische Anteil der Erzegung durch Wind und Sonne hinreichend groß, so gibt es extrem starke Schwankungen. Die Einspeisung kann NULL sein (nachts, Windstille). Anderseits gibt es den Fall, dass mehr Wind- und Sonnenstrom eingespeist werden muss als in diesem Moment Verbraucher am Netz sind: (Verletzung des Knotensatzes 1).

Fazit: Der Zubau von Wind- und PV-Anlagen ist begrenzt (60…80 Prozent Erneuerbare gehen physikalisch nicht, stehen aber im Koalitionsvertrag). Bei all diesen Überlegungen musste ich immer wieder an meinen Mathematikunterricht als Oberschüler der Schiller-Schule denken. Zum ersten Mal habe ich von Dir erfahren und auch verstanden, wie wichtig der Unterschied zwischen „notwendigen Bedingungen“ und „notwendigen und hinreichenden Bedingungen“ ist.

Energie und ein kritischer Bürger

  1. Wie beim Mikado traut sich keiner, das A-Wort (oder K-Wort) auszusprechen. Der Bundeswirt-schaftsminister macht Visite in NRW, man parliert über nette Kleinigkeiten. Wie im Kinderbuch sucht man überall nach dem Phoenix der Energielösung. Kein Zauberer hilft. Was man auch dreht und wendet: es erscheint kein Geist aus der Flasche. Sogar Lichtträger Wasserstoff entpuppt sich als erstmal energieverschlingender Beelzebub. Die Nachbarn werden sich den T. tun, in ihrer Knappheit den wärmenden Mantel mit uns zu teilen. Wir müssen schon selbst vom hohen Ross herab.
    Man muss nur die FAZ von heute, Seite 3 einmal überfliegen. Oder Steingart, oder, oder oder…
  2. Warum vertut unser politische Elite ihre kostbare Zeit mit solchen Schattenspielen? Einsicht in die Fakten und tatkräftiges Umsetzen war schon seit langem geboten. Jetzt erst recht, wo kaum noch einer die Gasversorgung als politisch immun ansehen kann. Es mag schwer fallen, den Vorrang an Frankreich abzugeben und von China lernen zu müssen. Aber wir müssen runter vom selbstgewählten Podest.
  3. Das Tabuthema Atomenergie und Kernreaktor muss die Aufwärmphase hinter sich lassen. Nicht nur Vor- und Nachteile diskutieren. Geboten ist mehr als nur hämisch berichten über die Politik der Nachbarn. Die Kartoffel ist heiss, aber geniessbar. Alle, die noch Kenntnis haben, sind schon 20 Jahre in Rente, wenn sie noch leben.  Kennen Sie jemand unter 50, der sich beruflich mit Nutzung der Kernnenergie befassen darf?
  4.  Daher widmen wir uns in Vortrag und Diskussion noch diese Woche mit einer urdeutschen aber schnöde verachtetetn Universallösung – dem TRISO-Kugelbett-Hochtemperatur-Ofen, nicht nur für Strom, auch für Industriewärme, Sprit – und Wasserstoff-Erzeugung. Kein deutsches Medium hat darüber berichtet, aber seit 20. Dezember läuft der weltweit erste dieser Art in China am Netz. (WPK)

Die Masse vom Neutrino

(KIT) – Das internationale KArlsruhe TRItium Neutrino Experiment, kurz KATRIN, am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat die Neutrinomasse erstmals auf unter ein Elektronenvolt (eV) eingegrenzt und damit eine „Barriere“ in der Neutrinophysik durchbrochen. Aus den aktuell in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlichten Daten lässt sich eine Obergrenze von 0,8 eV für die Masse des Neutrinos ableiten. Diese mit einer modell-unabhängigen Labormethode gewonnenen Ergebnisse ermöglichen es KATRIN, die Masse dieser „Leichtgewichte des Universums“ mit bisher unerreichter Präzision einzugrenzen.

Neutrinos sind die wohl faszinierendsten Elementarteilchen in unserem Universum. In der Kosmologie spielen sie bei der Bildung von großräumigen Strukturen eine wichtige Rolle. Auch in der Welt der Teilchenphysik nehmen sie eine Sonderstellung ein, denn ihre winzige Masse weist auf neue physikalische Prozesse jenseits der bisherigen Theorien hin. Ohne eine Messung der Neutrinomasse wird unser Verständnis des Universums unvollständig bleiben.

Hier setzt das internationale KATRIN-Experiment am KIT mit Partnern aus sechs Ländern als weltweit sensitivste Waage für Neutrinos an. Es benutzt den Beta-Zerfall von Tritium, einem instabilen Wasserstoff-Isotop, um aus der Energieverteilung der bei diesem Zerfall erzeugten Elektronen die Masse des Neutrinos zu bestimmen. Dazu ist ein enormer technischer Aufwand notwendig: Das 70 Meter lange Experiment beherbergt die weltweit intensivste Quelle von Tritium sowie ein riesiges Spektrometer, mit dem sich die Energien der Zerfallselektronen mit bisher unerreichter Präzision messen lassen. Die hohe Qualität der ersten Daten nach der Inbetriebnahme im Jahr 2019 konnte in den letzten beiden Jahren kontinuierlich gesteigert werden. „KATRIN läuft als Experiment mit höchsten technologischen Anforderungen nun wie ein perfektes Uhrwerk“, freut sich Professor Guido Drexlin vom KIT, Projektleiter und einer der beiden Co-Sprecher des Experiments. Professor Christian Weinheimer, Universität Münster, der andere Co-Sprecher, ergänzt: „Die Reduktion der Störsignale und die Erhöhung der Signalrate waren entscheidend für das neue Resultat.“

Akribische Datenanalyse: Erster Vorstoß in den Bereich unter einem Elektronenvolt

Die Auswertung dieser Daten stellte das internationale Team um Dr. Magnus Schlösser vom KIT und Professorin Susanne Mertens vom Max-Planck-Institut für Physik und der Technischen Universität München, die die Analyse koordinieren, vor große Herausforderungen: Jeder Einfluss auf die Neutrinomasse, so klein er auch sein mochte, musste detailliert untersucht werden. „Nur durch diese aufwändige und akribische Arbeit konnten wir eine systematische Beeinflussung unseres Resultats durch andere Effekte wirklich ausschließen. Wir sind ganz besonders stolz auf unser Analyseteam, das sich dieser Herausforderung mit großem Engagement erfolgreich gestellt hat“, so Schlösser und Mertens. Die experimentellen Daten des ersten Messjahres und die Modellierung auf Basis einer verschwindend kleinen Neutrinomasse passten perfekt zusammen: Daraus habe sich eine neue Obergrenze für die Neutrinomasse von 0,8 eV bestimmen lassen, sagen die beiden Wissenschaftler. Erstmals stößt so ein direktes Neutrinomassenexperiment in den kosmologisch und teilchenphysikalisch wichtigen Massenbereich unter einem Elektronenvolt vor, in dem die fundamentale Massenskala von Neutrinos vermutet wird. „Die Teilchenphysik-Gemeinschaft ist begeistert, dass die 1-eV-Barriere von KATRIN durchbrochen wurde”, kommentiert Neutrinoexperte John Wilkerson, University of North Carolina, der Vorsitzende des KATRIN Executive Boards.

„Zum Erfolg trug entscheidend bei, dass alle technischen Komponenten reibungslos zusammenarbeiteten: das Hochfahren der Quelle im Tritiumlabor Karlsruhe auf die nominellen Quellintensitäten sowie der Betrieb von Spektrometer, Detektor und Kryoinfrastruktur. Dies wurde durch den professionellen Einsatz unserer Mitarbeitenden erreicht, durch die dieses Großexperiment getragen wird“, betont Schlösser.

Weitere Messungen sollen Empfindlichkeit verbessern

Die am Projekt KATRIN beteiligten Forschenden beschreiben die kommenden Ziele: „Die weiteren Messungen zur Neutrinomasse werden noch bis Ende 2024 andauern. Um das volle Potenzial dieses einzigartigen Experiments auszuschöpfen, werden wir nicht nur die Statistik der Signalereignisse kontinuierlich erhöhen; wir entwickeln und installieren fortwährend Verbesserungen zur weiteren Absenkung der Störereignisrate“. Dabei spielt die Entwicklung des neuen Detektorsystems TRISTAN, mit dem sich KATRIN ab 2025 auf die Suche nach „sterilen“ Neutrinos im keV-Massenbereich begeben soll, eine besondere Rolle. Solche sterilen Neutrinos wären Kandidaten für die mysteriöse Dunkle Materie, die sich schon in vielen astrophysikalischen und kosmologischen Beobachtungen manifestiert hat, deren teilchenphysikalische Natur aber noch immer unbekannt ist. (jh)

Deutschland und Frankreich: Kernenergie abschalten?

Deutschland und Frankreich gehen nicht nur verschiedene Wege, um die Pariser Klimaziele zu erreichen. Man könnte auch den Eindruck gewinnen, dass die Beziehungen „so schlecht wie nie zuvor“ seien, jedenfalls eröffnete Dr. Marc-Antoine Eyl-Mazzega mit dieser Einschätzung die Diskussion. Zu dieser Einschätzung gelangte er durch die Reaktionen von deutcher und französischer Seite auf den Taxonomie-Vorschlag der Kommission. Frankreich verstehe die Ablehnung der Atomenergie in Deutschland nicht. Der Analyst, der früher einmal bei der Internationalen Energie Agentur tätig war, kritisierte die Lücke zwischen den Klimazielen und deren Umsetzung, die sich durch die Abschaltung der Atomkraftwerke in Deutschland immer weiter öffne. Der vom deutschen Klimaminister angekündigten Verdreifachung des Anteils der erneuerbaren Energien an der Stromproduktion und der Notwendigkeit, die Ausbaugeschwindigkeit deutlich zu erhöhen, zollte er seinen Respekt, hielt aber mit seiner Skepsis, diese Ziele auch zu erreichen, nicht hinter dem Berg.

Der Energieexperte aber zielte auf zwei Schwachpunkte der Klimadebatte: die unterschiedlichen Präferenzen bei der Wahl der Brückentechnologie und die soziale Belastung der Menschen, die sich auf die Akzeptanz der Klimawende auswirke. Er schloss sich grundsätzlich der Auffassung an, dass auch Frankreich den Ausbau der Erneuerbaren vorantreiben müsse und bezweifelte wie seine deutsche Gesprächspartnerin grundsätzlich die Nachhaltigkeit der Atomkraft, vertrat aber die These, dass sie als Brückentechnologie für die Decarbonisierung dringend benötigt werde. Die Substitution von Kernkraft durch Gaskraft sei klimapolitisch ein Fehler, da die Effekte der CO2-Minderung deutlich geringer seien. Deutschlands Abhängigkeit vom Gas berge außerdem geopolitische Risiken. Der Vorteil der Atomkraft liege hingegen darin, dass die Stromkosten für die Bevölkerung durch einen weniger überstürzten Ausbau der erneuerbaren Energiequellen in einem verträglichen Umfang gehalten werden könnten. In Frankeich jedenfalls sah er die Belastungsgrenze für die Bevölkerung erreicht. Die Franzosen seien nicht bereit, den Gürtel enger zu schnallen. Außerdem stünden sie den erneuerbaren Energien weitaus skeptischer gegenüber als die Deutschen. Das Klima stehe bei den Franzosen nicht so sehr im Mittelpunkt der politischen Aufmerksamkeit wie in Deutschland. Macron habe aus dem Gelbwestenprotest gelernt und werde sich auf das deutsche Abenteuer – dem Verzicht auf Energie aus Atom und Kohle – nicht einlassen. Frankreich könne sich die Subventionierung des Ausbaus der erneuerbaren Energiekraftwerke nicht leisten, da es höhere Ausgaben für seine internationalen Verpflichtungen hätte.

Der Absolvent der angesehenen Pariser Sciences Po kritisierte aber auch, dass die Verzichtsdebatte nicht ausreichend geführt werde. Er plädierte dafür, diese Debatte sehr offensiv zu führen und den Blick auf die Gewinne an Lebensqualität zu lenken. Weniger Reisen und Fleischkonsum könne auch als gesünderes Leben mit einer längeren und höheren Lebensqualität einhergehen. Einig zeigten sich beide Gäste der Zukunftswerkstatt, dass auch das Tempolimit kommen werde.

Dr. Charlotte Unger hingegen verteidigte den deutschen Weg und sah dafür auch gute Voraussetzungen in Deutschland, bemängelte aber auch, dass die Umsetzung immer noch deutlich hinter den Ankündigungen zurückliege. Die CO2-Emissionen von Landwirtschaft und Gebäudebestand sah sie als zentrale Herausforderung bei der Bekämpfung des Klimawandels an. Ihre Ablehnung der Atomkraft begründete die in Potsdam forschende Nachhaltigkeitsexpertin damit, dass angesichts eines fehlenden Endlagers die Belastung auf zukünftige Generationen verlagert werde. Der Verzicht allerdings hätte einen Preis: Der Ausbau der Erneuerbaren müsse rascher erfolgen als bislang. Aber auch sie kann sich eine stärkere Verzichtsdebatte im Kontext von Zukunftskonzepten vorstellen und stellte die Frage in den Raum, ob Deutschland darauf überhaupt vorbereitet sei. Auch so kann man die Frage stellen, wie die Politik die Bürgerinnen und Bürger in ihre Zukunftsüberlegungen besser einbinden könne: Durch mehr Transparenz und Kommunikation, dass hätten die Klima- und Bürgerräte in Deutschland und Frankreich gezeigt, müssten die Menschen in die Verzichtsdebatte einbezogen werden. Ihre Ideen zu berücksichtigten bedeute Akzeptanz für Zumutungen zu schaffen. Die Politik müsse ihre Ziele konkret formulieren und vermitteln, dass sie alle Bereiche auf allen Ebenen.

Energie in Frankreich. Macron und die Atomenergie

(Süddeutsche Zeitung) – Die Kernkraft in Frankreich soll wieder aufleben. Um bis 2050 die Klimaneutralität zu erreichen, sollten sechs neue Atomkraftwerke vom Typ EPR 2 gebaut werden, kündigte Präsident Emmanuel Macron am Donnerstag im ostfranzösischen Belfort an. Das erste könnte 2035 in Betrieb gehen; den Bau weiterer acht Meiler werde er prüfen lassen. Zugleich werde die Laufzeit aller bestehenden Kernkraftwerke verlängert, wenn die Sicherheit es erlaube. Wie schon früher angekündigt, möchte Macron die Entwicklung von „Small Modular Reactors“, die kleiner sind und angeblich sicherer, mit einer Milliarde Euro fördern.
Parallel dazu nimmt Frankreich einen wichtigen Teil der Kraftwerkproduktion wieder in die eigene Hand: Für geschätzte 240 Millionen Euro kauft der Energiekonzern EDF den in Belfort beheimateten Turbinenbau des US-Herstellers General Electric zurück, den dieser erst 2015 von Alstom erworben hatte. Macron hielt seine Rede vor einer der dort hergestellten riesigen Arabelle-Turbinen, die in französischen und einigen russischen Meilern verwendet werden.