Archiv der Kategorie: Technik

Technik – Fluch und Segen zugleich. Setzen wir sie zum Wohlergehen der Menschen ein!

Bernd Sternal

Das künstliche Blatt – eine reale Vision?

In Sachen Energiegewinnung können wir Menschen von der Natur viel lernen. Ein prägnantes Beispiel ist die Photosynthese: Zwar ist diese sehr uneffizient, denn sie setzt maximal ein Prozent der Sonnenenergie in gespeicherte Energie um. Das jedoch machen die Pflanzen auf einfachste Art und Weise und mit unnachahmlicher Umweltverträglichkeit. In zwei Halbreaktion spalten die Pflanzen Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Um diese Reaktionen zu beschleunigen verwenden sie Katalysatoren. Die beiden Halbreaktionen laufen separiert durch eine Membran ab, die den Wasserstoff und den Sauerstoff zwar trennt, Ionen jedoch passieren lässt. Durch diesen Kunstgriff der Natur wird verhindert, dass der leichtbrennbare Wasserstoff bei Anwesenheit von Sauerstoff spontan verbrennt.

Plagiomnium affine, Laminazellen, Rostock, Urheber: Kristian Peters -- Fabelfroh, 2006
Photosynthese – Plagiomnium affine, Laminazellen, Rostock, Foto- Wikipedia Urheber: Kristian Peters – Fabelfroh, 2006

Klingt eigentlich recht unspektakulär, ist es aber dennoch nicht. Seit vielen Jahren stehen zahlreiche Forscher weltweit im Wettstreit um das sogenannte künstliche Blatt. Bisher ergebnislos, jedoch zeichnen sich deutliche Fortschritte ab.
Zwei der weltweit führenden Protagonisten in diesem Forscherwettstreit sind Nathan Lewis und Daniel Nocera. Lewis ist Professor am California Institut of Technologie und Leiter der Forschungsgruppe Joint Center of Artificial Photosynthesis. Prägnant und provokant zugleich ist seine Aussage zur Photovoltaik: „Kein Speicher? Kein Strom nach 16 Uhr.“
Das von den USA finanzierte Forschungsprojekt hat ein Ziel: das künstliche Blatt. Und dieses soll die effektivsten Pflanzen übertreffen.
Prinzipiell muss das künstliche Blatt prozessmäßig sich an das natürliche anlehnen. Bionik nennt sich dieser Wissenschaftszweig. Dennoch kann man die Natur natürlich nicht nachahmen, sondern nur ihr Funktionsprinzip erkennen und technologisch eine vergleichbares entwickeln. Geforscht wird mit PEC – Photoelektrochemische Zellen -, die das Wirkprinzip des Blattes gewissermaßen zu kopieren versuchen. Dazu werden Photoelektroden, die in Wasser getaucht werden, eingesetzt. Welches Licht des Sonnenspektrums dabei genutzt wird ist noch nicht endgültig geklärt. Für die Anode, die Sauerstoff erzeugen soll, wird bläuliches Licht favorisiert, für die Wasserstoff-Kathode eher rötliches Licht.
Damit eine neue Technologie sich verbreiten kann, muss sie mehrere Eigenschaften erfüllen: preisgünstig, effizient, sicher und zudem langlebig. Auch ist auszuschließen, dass dieses „Künstliche Blatt“ auch nur entfernt Ähnlichkeit mit einem Natur-Blatt haben wird; es wird nur dessen elektrochemischen Prozesse zur Energiegewinnung aus Wasser zu reproduzieren versuchen. Als vergleich kann man das Flugzeug heranziehen, das sich wohl als eines der ersten Technikobjekte an dem Flug der Vögel orientierte, optisch – ohne Federn – jedoch kaum noch mit einem Vogel vergleichbar ist.Reiseführer kostenlos anfordern

Die Probleme bei diesen Prozessen sind die einsetzbaren Materialien, welche die geforderten Eigenschaften erfüllen können. Tausende davon sind heute bekannt, doch welche sind geeignet und dazu preisgünstig, effizient, sicher und langlebig? Computer sind dabei sehr hilfreich, dennoch müssen die so ermittelten Materialien und Verbindungen getestet werden. Und letztlich gehört auch zur Wissenschaft nicht nur umfangreiches Wissen und viel Fleiß, sondern auch eine Portion Glück – eben das Glück des Tüchtigen. Die Forschergruppe von Professor Lewis hatte diesen glücklichen Moment – zumindest teilweise. Bei ihren Forschungen und Experimenten stießen sie auf einen preiswerten Katalysator, der in der Erdölindustrie Schwefel aus den Produkten entfernt und zudem sehr geeignet ist, auch die Wasserstofferzeugung zu beschleunigen. Jedoch gibt es bisher wohl noch einen Wermutstropfen: der Katalysator für die Sauerstofferzeugung wird noch gesucht. Was für Lewis dennoch nicht ganz so tragisch ist, denn sein Schwerpunkt liegt in der Herstellung von Wasserstoff als Energieträger sowie in der Nutzung von Kohlendioxiden, die zu Kohlenwasserstoffen umgewandelt werden sollen.
Nathan Lewis hat einen großen Konkurrenten: Daniel Nocera. Er lehrt auch in den USA, und zwar in Harvard an der Ostküste, verfolgt jedoch einen ganz anderen Lösungsansatz. Nocera setzt nicht wie sein Forscherkollege auf die Produktion von Wasserstoff, sondern will diesen Schritt – hin zu Kohlenwasserstoffen – überspringen. Diese sollen konventionelle Erdölprodukte vollständig ersetzen. Nocera nutzt dabei die zuvor gesammelten Erfahrungen bei der Einführung neuer Technologien und den Verharrungswiderstand der Gesellschaft dagegen. Für Kohlenwasserstoffe könnte die gesamte weltweit vorhandene Erdölinfrastruktur weiterhin genutzt werden – sicherlich ein unschätzbarer Vorteil.




Jedoch ist die Erzeugung selbst einfachster Kohlenwasserstoffe unglaublich komplexer, als die von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser und auch die ist bisher nur im Laborbetrieb gelungen. Dennoch konnte Prof. Nocera in den letzten Jahren einige außergewöhnliche Erfolge erzielen. Er baute ein Gerät mit einem anorganischen Katalysator, das zunächst Wasserstoff aus Wasser erzeugte. Diesem wurde dann zudem Kohlendioxid zugeführt und mittels gentechnisch veränderter Bakterien wurden aus dem Stoffgemisch flüssige Brennstoffe produziert: Alles jedoch nur unter Laborbedingungen. Die Bakterien vertrugen sich allerdings nicht mit Katalysator, aber irgendwas ist ja immer.
Also wurde nach einem neuen Katalysator gesucht, der sich mit den fleißigen Bakterien vertrug, und er wurde gefunden. Laut Nocera können die Bakterien, in Verbindung mit dem neuen Kobalt-Phosphor-Katalysator, verschiedene Kohlenwasserstoffe produzieren. 2017 setze er mit seinem Team noch einen drauf, in dem er demonstrierte, dass sein technologischer Ansatz auch in der Lage sei, aus dem Stickstoff der Atmosphäre Ammoniak herzustellen. Gelänge das industriell, so würden riesige Mengen an Energie zur Herstellung von Stickstoff-Düngemittel eingespart.
Interessante Aussichten: Dennoch bleibt die Frage, ob gentechnisch veränderte Bakterien die Lösung energetischer Probleme darstellen können, zumal diese sehr fragil sind. Da scheint zunächst die Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser erfolgversprechender. Doch wer vermag technologische Entwicklungen schon vorauszusehen?

Drohnen im Einsatz: moderne Technologie rettet Leben

Mit fortschreitenden medizinischen Kenntnissen fällt es Ärzten, Sanitätern und anderem medizinischen Personal leichter,Leben zu retten, als es noch vor einigen Jahren der Fall war. Auch wenn längst nicht alle Krankheiten geheilt und Verletzungen kuriert werden können, lässt der stetige Fortschritt hoffen, dass in der Zukunft noch viel mehr möglich sein wird als heute. Das gilt aber nicht nur für die Kenntnisse und Heilungsmethoden, sondern auch für die Technologie, die zum Einsatz kommt.

Drohnen erfreuen sich in zahlreichen Bereichen großer Beliebtheit. Die fliegenden Objekte lassen sich zu unterschiedlichen Zwecken einsetzen, und das nicht nur zur eigenen Belustigung,sondern auch in sehr ernsten Angelegenheiten. So gestaltet sich beispielsweise die Überwachung mithilfe der einfach zu steuernden Objekte besonders einfach und komfortabel. Drohnen können aber auch in der Lage sein, Menschenleben zuretten – so geschehen zum Beispiel in Australien, wo zwei junge Männer beim Schwimmen von einer starken Strömung überrascht wurden und in Seenot gerieten. Eine erst kürzlich erworbene Drohne wurde daraufhin von den Rettungsschwimmern losgeschickt, um die Verunglückten zu finden und zu retten. Das Pilotprojekt,das erst wenige Tage zuvor gestartet war, war ein Erfolg auf ganzer Linie.

Für die lebensrettende Drohne war es kein Problem, den Seekilometer binnen nur einer Minute zurückzulegen. Rettungsschwimmer hätten bei ruhiger See dafür die sechsfache Zeit benötigt – bei der vorherrschenden Strömung war an ein Heranschwimmen aber gar nicht zu denken! Als die Drohne die jungen Männer erreicht hatte, warf sie eine Schwimmhilfe ab, an der sie sich fest- und über Wasser halten konnten. Die Rettung der in Seenot geratenen Jugendlichen gelang so problemlos. Aufgrund des erfolgreichen Einsatzes werden Drohnen in Zukunft häufiger im Bereich Seerettung eingesetzt werden. Und das ist noch nicht alles; auch in der Bergrettung erweisen sich die Flugobjekte als überaus sinnvoll. Hier können aufgrund der geringen Größe und hohen Wendigkeit der Drohnen Regionen erreicht werden, in die Menschen nicht vordringen können.Im Vergleich zu Helikoptern haben sie daher einen entscheidenden Vorteil.Darüber hinaus lassen sie sich auch bei schlechter Sicht oder bei Nacht einsetzen.

Auch im Alltag gibt es für Drohnen zahlreichen Verwendungsmöglichkeiten in der Menschenrettung. Verirrt sich etwa ein Alzheimer-Patient, kann dieser mithilfe der vielseitigen Flugobjekte gezielt gesucht und gefunden werden – und das effektiver und mit deutlich weniger Aufwand als mit einem Suchtrupp. Denkbar ist auch der Einsatz bei einem Hauseinsturz mit Verschütteten. Feststeht, dass Drohnen in Zukunft immer häufiger und vielseitiger im Rettungsbereich als vielseitiger Helfer Verwendung finden werden.

Autoreifen aus russischer Pusteblume

Ein moderner Autoreifen besteht heute aus vielen verschiedenen Materialien, entscheidender Hauptbestandteil ist jedoch seit Anbeginn der Reifenherstellung Naturkautschuk.
Der Naturkautschuk wird heute sowohl in Südostasien wie in Mittel- und Südamerika hauptsächlich aus dem ursprünglich nur im Amazonasbecken vorkommenden Kautschukbaum (Hevea brasiliensis) gewonnen.
Damit ist eine enorme Importabhängigkeit verbunden, die bereits im Zweiten Weltkrieg zu Problemen führte. Bereits seit den 1930 Jahren gab es daher in der Sowjetunion, und später in Hitler-Deutschland, Versuche und Bestrebungen diesen Kautschuk aus einheimischen Pflanzen zu gewinnen. Im Fokus stand dabei die Pusteblume – gewöhnlicher Löwenzahn -, jedoch mangelte es damals an genügend geeigneten Pflanzen sowie an der Extraktionstechnik.

Jetzt hat der Reifenhersteller Continental einen neuen Anlauf genommen und dazu Spezialisten mit ins Boot genommen: die Westfälische Wilhelms-Universität Münster, das Frauenhofer-Institut für Molekularbiologie sowie das Julius-Kühn-Institut Quedlinburg (Bundesforschungs-Institut für Kulturpflanzen).
Was aber ist Naturkautschuk eigentlich, der für Reifen bis heute unersetzlich ist?
Es ist eine kolloide Dispersion in einer wässrigen Lösung (Serum). Hauptbestandteil des Kolloids ist ein Polymer aus Isopren-Einheiten, das cis-1,4-Polyisopren; andere Stoffe sind Proteine und Harze, die die Kolloide stabilisieren. Viele andere Pflanzenarten liefern ebenfalls cis-1,4-Polyisopren von unterschiedlicher Qualität, werden jedoch wenig oder nicht genutzt. Es fehlt bei diesen potentiellen Lieferanten einfach die Menge an Pflanzen und/oder die entsprechenden Gewinnungstechnologien.
Nach jahrelanger Arbeit gibt es nun eine erste Alternative: Der Russische Löwenzahn (Taraxacum kok-saghyz) ist eine Pflanzenart aus der Gattung Löwenzahn (Taraxacum) in der Familie der Korbblütler (Asteraceae). Sie ist ursprünglich in Kasachstan und im westlichen Xinjiang beheimatet. Der Kautschuk ist beim Löwenzahn – der Pusteblume – in der Wurzel enthalten – wir alle kennen diesen weißen klebrigen Saft. Der russische Löwenzahn ist gegenüber dem einheimischen kleiner und hat einen viel hören Kautschukgehalt. Seine Wurzel besteht zu 15 Prozent aus Kautschuk.
Der Leiter dies Forschungsteam, Professor Dirk Prüfer, von der Universität Münster berichtet, das schon bei den ersten Experimenten klar war, dass der Kautschuk des Löwenzahns genau so gut ist, wie der vom Kautschukbaum. Inzwischen ist der Löwenzahn vom Quedlinburger Züchterinstitut so optimiert worden, dass der Kautschuk-Gehalt stabil ist.




Bei der Standortwahl für das Versuchslabor kam der Zufall zu Hilfe. Professor Prüfer stellte diese Idee 2013 auf Biotechnologie-Tagen in Anklam vor und stieß in der Stadt auf großes Interesse. Es gab ausreichend geeignete Böden in der Umgebung und auch Landwirte, die bereit waren dieses „Unkraut“ auch anzubauen. Zudem kannte man sich aus, mit der Verarbeitung von Wurzeln, denn in Anklam produziert die einzige Zuckerfabrik in Mecklenburg-Vorpommern.
Technologien wurden entwickelt, Extraktionsverfahren, der russische Löwenzahn wurde züchterisch behandelt und versuchsweise angebaut. 2017 bauten Landwirte von vier Unternehmen rund um das nahe gelegene Ducherow erstmals im landwirtschaftlichen Kontext Löwenzahn auf etwa 30 Hektar an. Vor kurzem wurde nun die Ernte eingefahren. Das Blattgrün blieb dabei auf dem Acker, die Wurzeln wurden nach Anklam gebracht. Über eine Auswilderung dieses Löwenzahns muss man sich nach Aussagen von Prof. Prüfer nicht sorgen, dies sei züchterisch gelöst worden. Jedoch bestehe das Ziel größere Wurzeln zu bekommen und einen Ertrag von einer Tonne Kautschuk pro Hektar Anbaufläche zu erzielen; das würde dem Ertrag von Kautschuk-Plantagen entsprechen.
Jetzt wurde in Anklam von Continental ein Forschungs- und Versuchslabor eröffnet. Dort werden die Löwenzahn-Wurzeln in Mahlwerken mir Wasser zerquetscht, wobei der Kautschuk herausgewaschen wird. Dazu seien keine giftigen Lösungsmittel notwendig, wie versichert wird. Die Rückstände sollen dann zukünftig in Biogasanlagen verarbeitet werden.
Eine tolle Idee, die sich hoffentlich wirtschaftlich umsetzen lässt: Es wäre unserer Landwirtschaft zu wünschen und auch ökologisch wäre es ein Schritt nach vorn.