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Künstliche Fotosynthese: Lösung aller Energieprobleme?

Heidelberg. Die Sonne ist eine unerschöpfliche und zudem saubere Energiequelle. Fotovoltaikanlagen und Solarthermiekraftwerke zapfen sie bereits an und gewinnen aus Sonnenlicht Strom. Der ist jedoch nur sehr begrenzt speicherbar und muss sofort verbraucht werden. Sein Transport über weite Strecken ist zudem mit großen Verlusten verbunden. Nur über den Umweg der Wasserelektrolyse lässt sich elektrischer Strom in den breiter einsetzbaren Energieträger Wasserstoff umwandeln, was aber sehr ineffektiv ist.

Eine wesentlich elegantere Lösung macht uns die Natur seit jeher vor: die Fotosynthese. Dabei erzeugen Pflanzen, Algen und gewisse Bakterien mit Hilfe von Sonnenlicht aus Kohlendioxid und Wasser direkt energiereiche Zuckermoleküle. Schon seit einiger Zeit versuchen Forscher deshalb, den Vorgang künstlich nachzuahmen. Dabei geht es ihnen vor allem um den ersten Schritt der Fotosynthese: die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff.

Die bisher erzielten Erfolge sind beachtlich. So präsentierte Daniel Nocera vom Massachussetts Institute of Technology vor zwei Jahren ein “künstliches Blatt”. Es besteht aus einer Solarzelle, in der auftreffendes Sonnenlicht freie Elektronen und “Löcher” (Elektronenfehlstellen) erzeugt. Die dem Licht zugewandte Seite ist mit einem cobalthaltigen Katalysator beschichtet, der mit Hilfe der Löcher aus Wasser Sauerstoff freisetzt. Die zurückbleibenden Protonen wandern zur anderen Seite und werden dort von einer Legierung aus Nickel, Molybdän und Zink mit Hilfe der Elektronen zu Wasserstoff reduziert. Der Wirkungsgrad liegt mit 2,5 bis 4,7 Prozent – je nach genauer Konfiguration – schon recht hoch. Pflanzen verwerten das auftreffende Sonnenlicht sogar nur zu 0,3 Prozent.

Allerdings ist dieses “Blatt” wegen der enthaltenen Metalle noch ziemlich teuer und auch nicht lange beständig. Markus Antonietti vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm hat sich deshalb auf ein anderes Material verlegt, das nicht nur sehr stabil, sondern auch einfach und preiswert herstellbar ist: graphitisches Kohlenstoffnitrid. Schon Justus Liebig kannte die Substanz im 19. Jahrhundert. Sie ist entfernt mit dem Chlorophyll des Blattgrüns verwandt und ähnelt stark dem Graphen – einer maschendrahtartigen Anordnung von Kohlenstoffatomen, der viele eine große Zukunft in der Elektronik vorhersagen.

Kohlenstoffnitrid als solches ist allerdings nicht sehr aktiv, was unter anderem an seinem zu geringen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen liegt. Wie Antonietti in Spektrum der Wissenschaft berichtet, konnte seine Gruppe aber bereits eine Steigerung um das Zehnfache erreichen, indem sie gezielt die Porosität des Materials erhöhte.

Eine weitere Verbesserung ließ sich durch Dotieren mit Schwefel oder Barbitursäure erreichen. Auf diese Weise konnten die Forscher die Quantenausbeute der Oxidation von Wasser zu Protonen und Sauerstoff für violette Strahlung einer Wellenlänge von 440 Nanometern immerhin auf 5,7 Prozent steigern. Hilfreich war auch die Zugabe von Nanoteilchen aus Cobaltoxid. Dadurch erhöhte sich die Quantenausbeute für die Wasserspaltung insgesamt auf 1,1 Prozent.

Alles in allem sehen die bisherigen Ergebnisse also ermutigend aus. Zwar veranschlagt Antonietti bis zur praktischen Einsatzreife seines Systems noch mindestens 20 Jahre. Doch die Aussichten wären verlockend. Wenn sich mit künstlichen Fotosynthesesystemen 10 Prozent der Solarenergie nutzen ließen, müssten sie nur 0,16 Prozent der Erdoberfläche bedecken, um den für 2030 vorausgesagten globalen Energiebedarf von 20 Terawattstunden zu decken. Als Standorte kämen dabei in erster Linie Wüsten in Frage, wo die Sonne fast immer scheint und keine Konkurrenz zu Agrarnutzflächen besteht. Ein Zehntel der Sahara, die 1,76 Prozent der Erdoberfläche einnimmt, würde bereits genügen.

Wie heutige Solarzellen ließen sich künstliche Fotosynthesesysteme aber auch auf Dächern installieren. Bei einer Lichtausbeute von 10 Prozent könnten sie beispielsweise 300 Tonnen Methanol pro Hektar und Jahr liefern. “Wären nur 100 Quadratmeter des eigenen Grundstücks damit bedeckt, bräuchte selbst ein leidenschaftlicher Autofahrer bei heutigem Treibstoffverbrauch nie mehr zur Tankstelle”, erklärt Antonietti.  (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, September 2013)

Steht eine neue Eiszeit bevor? – Die Rolle der Sonnenzyklen beim Klimawandel

Vergletscherung
Vor allem der Ausstoß von Kohlendioxid, verursacht durch die Menschen, ist für die globale Erwärmung verantwortlich – das ist die vorherrschende Meinung in der Debatte um den Klimawandel. Aber auch andere Faktoren wirken auf das Klima: Der Physiker Prof. Werner Weber, Inhaber des Lehrstuhls für Theoretische Festkörperphysik der TU Dortmund, untersucht, welche Rolle die Sonnenzyklen beim Klimawandel spielen. Anhand von langjährigen Daten zur Sonneneinstrahlung fand er starke Hinweise dafür, dass die Sonnenaktivität die Aerosolbildung in der Atmosphäre und damit die Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche beeinflusst.

Seine Erkenntnisse wurden nun im Fachmagazin »Annalen der Physik« veröffentlicht. Dass die Sonnenaktivität einen Einfluss auf unser Klima hat, wird schon lange vermutet, nur ist bisher umstritten, wie hoch er ist. Eine Theorie lautet, dass der Klimawandel direkt mit der Sonnenabstrahlung zusammenhängt: Während eines meist elf Jahre dauernden Zyklus der Sonnenaktivität verändert die Sonne auch ihre mittlere Temperatur. Bei steigender Aktivität wird sie etwas heißer und strahlt mehr Licht ab. Da in den letzten 50 Jahren mehrere starke Sonnenzyklen auftraten, hat auch die Sonnenabstrahlung zugenommen. Dieser Beitrag allein kann aber den Klimawandel nicht erklären. Doch es gibt eine weitere indirekte Beeinflussung, und zwar durch die kosmische Strahlung, erklärt Dr. Patrick Grete, der an Webers Lehrstuhl mitarbeitete und dessen Ergebnisse im populärwissenschaftlichen Onlinejournal SOLONline veröffentlicht hat.

Diese Strahlung, in der Regel Protonen und Alpha-Teilchen, wird durch die Magnetfelder der Sonne abgelenkt und damit teilweise von der Erde ferngehalten. Auch das hängt von der Sonne ab: In Zeiten schwacher Sonnenaktivität sind auch die solaren Magnetfelder schwach und lassen mehr kosmische Strahlung zur Erde durch. In der Erdatmosphäre erzeugt sie Ionen von Luftmolekülen, die sich sofort mit einer Hülle von Wassermolekülen umgeben. Dies ist seit langem bekannt. Weber allerdings nimmt an, dass diese Wasserhülle die positiv und negativ geladenen Ionen davon abhält, sich beim Zusammentreffen durch Ladungsaustausch auszulöschen – sie bleiben als neutrale Wassertröpfchen bestehen, die beide Ionensorten enthalten. Die Ionen der Luftmoleküle sind also im Wasser in gleicher Weise gelöst wie die Ionen eines Salzes. So sind sie sehr stabil und können sich als Aerosole lange in der Atmosphäre aufhalten.

Ist die Sonne schwach aktiv, lassen also die solaren Magnetfelder viel kosmische Strahlung zur Erde durch, werden besonders viele Aerosole in der Atmosphäre gebildet. Sie streuen und absorbieren das einfallende Sonnenlicht – darum kommt bei geringer Aktivität deutlich weniger Licht auf der Erdoberfläche an als in aktiven Zeiten. Die Auswertung der Messdaten aus 100 Jahren zeigt, dass dieser Effekt etwa zehnmal so stark auf die Erderwärmung wirkt wie die Änderung der direkten Sonnenabstrahlung.
Das solare Minimum zwischen dem Ende des letzten und dem Beginn des jetzigen Zyklus der Sonnenaktivität dauerte sehr lange. Auch im neuen Zyklus, der 2008 begann, ist die Sonne bisher sehr ruhig. Darum, so glaubt Werner Weber, wird die globale Erwärmung in den kommenden Jahren stagnieren, vielleicht sogar in eine Abkühlphase umschlagen.

Er hält es auch für möglich, den von ihm postulierten Effekt für die strategische Bekämpfung der Erderwärmung einzusetzen: Unter dem Oberbegriff »Geo-Engineering« werden schon heute Methoden erdacht, gezielt in die Kreisläufe der Erde einzugreifen um den Klimawandel abzuschwächen. Der Abkühlungseffekt könnte verstärkt werden, wenn solche Ionen zur Aerosolbildung zusätzlich in die Atmosphäre eingebracht würden. Es wäre womöglich nicht das erste Mal: Während des Kalten Krieges gelangte im Zuge der Kernwaffenversuche ähnlich viel ionisierende Strahlung in die Atmosphäre wie sonst durch die kosmische Strahlung. Die globale Kälteperiode von 1950 bis 1970 nannten die Medien damals „kleine Eiszeit“. (Quelle:idw, Foto: cc-by Stephen Hudson)

Außerirdisches Leben auf dem Saturnmond Enceladus?

Ein lebhafter kleiner Saturnmond

Enceladus, der sechstgrößte Trabant des Ringplaneten, steckt voller Überraschungen – und könnte Spuren von Leben bergen
Im Inneren des kleinen Saturnmonds Enceladus vermuten Planetenforscher organische Verbindungen, Kanäle oder gar Seen mit flüssigem Wasser. Energie, Kohlenstoffverbindungen, Wasser: die drei Voraussetzungen für Leben, wie wir es kennen. Die Erforschung dieses fremdartigen und fernen Orts bringt uns – nach unserem Nachbarplaneten Mars, dem Saturnmond Titan und dem Jupitermond Europa – eine weitere Welt im Sonnensystem nahe, die sich vielleicht für lebende Organismen eignet. Als die Raumsonde Cassini vor einigen Jahren die Südhalbkugel von Enceladus überflog, enthüllte sie eine Landschaft, die im Sonnensystem nicht ihresgleichen hat. Einen Eindruck von der Begeisterung, die dies unter Planetenforschern auslöste, vermittelt Carolyn Porco, Leiterin des Cassini-Kamerateams, in der Juniausgabe von Spektrum der Wissenschaft.

Bei Cassinis Wanderung über die Südpolregion fing der Staubanalysator winzige Partikel auf, die offenbar von dort emporgeschleudert worden waren. Zwei andere Instrumente entdeckten Wasserdampf sowie Anzeichen für Kohlendioxid, Stickstoff und Methan. Außerdem spürte die Infrarotkamera lokale Bodentemperaturen bis zu minus 90 Grad auf – weit mehr als die minus 200 Kelvin, die durch bloße Sonneneinstrahlung zu erwarten wären. Auf Fotos des Horizonts im Gegenlicht der Sonne sahen die Planetenforscher außerdem eine gewaltige Wolke kleiner Eispartikel, die sich um mehrere hundert Kilometer über den Südpol erhob.Seither hat die Cassini-Sonde mehrere Vorbeiflüge an Enceladus absolviert und ist in wenigen Kilometern Höhe in dichtere Regionen der Eruptionsfahne vorgedrungen. Bei einer besonders engen Passage im März 2008 entdeckte Cassini zusätzlich zu Wasserdampf, Stickstoff, Kohlendioxid und Methan kleine Beimengungen anderer Kohlenstoffverbindungen wie Azetylen und Cyanwasserstoff sowie Spuren von Ethan, Propan, Benzol, Formaldehyd und anderen organischen Verbindungen. Woher nimmt Enceladus die Energie für seine geologische Aktivität? Irdisches Gestein enthält radioaktive Substanzen, die Wärme erzeugen. Zweifellos gilt für Enceladus das Gleiche, aber all sein Gestein reicht nicht aus, die beobachtete Wärme zu produzieren. Ansonsten kommen als plausible Wärmequelle nur Gezeitenkräfte in Frage. So wie die Schwerkraft von Sonne und Mond unseren Planeten ein wenig deformiert und das Wechselspiel von Flut und Ebbe hervorruft, knetet Saturns Gravitation Enceladus durch. Wegen dessen exzentrischer Bahn variiert sein Abstand von Saturn. Je näher er ihm kommt, desto mehr wird er deformiert. Diese Variation erzeugt innere Verschiebungen und somit Wärme.

Da Enceladus unter der Oberfläche fast sicher Wasser birgt, stehen wir vor der faszinierenden Möglichkeit, dass sich in dem kleinen Mond zumindest Vorstufen von Leben regen. Einem Ökosystem auf Enceladus würden auf der Erde am ehesten unterirdische vulkanische Schichen ähneln, in denen Wasser in völliger Finsternis heißes Gestein umspült. Hier findet man Organismen, die entweder Wasserstoff und Kohlendioxid aufnehmen, um daraus Methan zu erzeugen, oder Wasserstoff und Sulfate; Energie beziehen sie nicht von der Sonne, sondern aus der Erdwärme.

Ob so etwas auch auf Enceladus existiert? Dafür müsste eine Sonde auf dem Saturnmond landen und sein Innenleben noch genauer untersuchen. Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Juni 2009

Atmosphärisches Kohlendioxid: Die ultimative Biokraftstoffquelle der Zukunft?

Video: Biokraftstoffe

(idw). Unabhängigkeit von den Erdöl exportierenden Ländern, Reduzierung der freigesetzten Treibhausgase, Schonung der zu Neige gehenden Ressourcen: Viele Gründe sprechen für einen Abschied von der Nutzung fossiler Brennstoffe. Wasserstofftechnologie und Solarenergie werden höchstwahrscheinlich die Antwort auf das globale Energieproblem sein – aber erst auf längere Sicht. Für eine erste, rasche Abhilfe könnte Bioenergie sorgen. Aus Biomasse lassen sich alternative kohlenstoffbasierte flüssige Kraftstoffe herstellen und so die gängige Technik automobiler Verbrennungsmotoren und die vorhandene Infrastruktur weiter nutzen. Gleichzeitig würde die chemische Industrie mit den als Rohstoffe benötigten Kohlenstoffverbindungen beliefert. Mark Mascal und Edward B. Nikitin von der University of California, Davis (USA), haben jetzt eine interessante neue Methode entwickelt, Cellulose direkt in furanbasierte Biokraftstoffe umzusetzen. Wie sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, liefert das einfache, kostengünstige Verfahren Furanverbindungen in bisher beispielloser Ausbeute.

Atmosphärisches Kohlendioxid sollte die ultimative Kohlenstoffquelle der Zukunft sein. Am effektivsten “geerntet” wird es durch die pflanzliche Photosynthese. Biotreibstoffe werden derzeit vor allem aus Stärke gewonnen, die zu Zuckern abgebaut und zu Ethanol fermentiert wird. Die am weitesten verbreitete Form von photosynthetisch fixiertem Kohlenstoff ist aber Cellulose. Das Problem: Die Spaltung von Cellulose in seine einzelnen Zuckerbausteine, die dann fermentiert werden könnten, ist ein langsamer, kostenintensiver Prozess. “Ein weiteres Problem ist die geringe Kohlenstoff-Wirtschaftlichkeit der Glucose-Fermentation,” erläutert Mascal, “für 10 g produziertes Ethanol werden zusätzlich 9,6 g CO2 freigesetzt.”

Könnte man auf Cellulosespaltung und Fermentation verzichten? Man kann, wie Mascal und Nikitin zeigen. Sie haben ein einfaches Verfahren entwickelt, mit dem Cellulose direkt in “Furanics” (Furan-basierte organische Flüssigkeiten) umgewandelt werden können. Furane sind Moleküle, deren Grundkörper von einem aromatischen Ring aus vier Kohlenstoffatomen und einem Sauerstoffatom gebildet wird. Hauptprodukt unter den von den Forschern entwickelten Reaktionsbedingungen ist 5-Chlormethylfurfural (CMF).

CMF lässt sich mit Ethanol zu Ethoxymethylfurfural (EMF) verknüpfen oder mit Wasserstoff zu 5-Methylfurfural umsetzen. Beide Verbindungen eignen sich als Kraftstoffe. EMF wurde bereits früher in Mischungen mit Diesel von Avantium Tecnologies, einem Spin-off von Shell, untersucht und als interessant eingestuft.

“Unsere Methode scheint die effektivste bisher beschriebene Umsetzung von Cellulose in einfache, hydrophobe organische Verbindungen zu sein,” so Mascal. “Außderdem wird die Kohlenstoffausbeute der Glucose- und Sucrose-Fermentation bei weitem übertroffen. Furanics könnten sich sowohl als Autokraftstoffe als auch als chemische Rohstoffquelle der Zukunft etablieren.”

Autor: Mark Mascal, University of California, Davis (USA)

Klimawandel: Wie Bioreaktoren und Algen den Klimawandel aufhalten sollen

Wird es gelingen den Klimawandel aufzuhalten? – WISSEN DER ZUKUNFT berichtet über das Wunderwelt Wissen. Zum Thema Klimawandel zunächst ein einführendes Video:

(idw) Der Klimawandel gilt als eines der größten Probleme des 21. Jahrhunderts. Hauptverantwortlich ist der hohe CO2-Ausstoß, der vor allem durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe – also Öl, Kohle, Gas oder Holz – entsteht. Um den Treibhauseffekt aufzuhalten, versuchen sich Wissenschaftler an unterschiedlichen technischen Entwicklungen. Eine Lösung macht die Natur vor: Grünpflanzen filtern durch Photosynthese das Treibhausgas aus der Luft. Ähnliches passiert in Bioreaktoren, wo Grünalgen, bekannt für ihr schnelles Wachstum, zugeführtes CO2 zu Biomasse umwandeln. Diesen Prozess wollen Physiker der Uni Duisburg-Essen (UDE) industriell nutzen. Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Hilmar Franke hat einen faseroptischen Photo-Bioreaktor entwickelt. Das bislang einzigartige System filtert Kohlendioxid aus dem Abgas fossiler Energieerzeugung.

Oder anders ausgedrückt: Die Wissenschaftler haben einen Algenreaktor gebaut, der CO2-Emissionen aus Heizungsanlagen zu Biomasse, sprich Sauerstoff und Algen macht. Der CO2-Vernichter funktioniert so: Auf einem Gebäudedach wird über einen Lichtsammler Tageslicht eingefangen. Dünne hocheffiziente Kabel, so genannte Lichtleitfasern, transportieren das Licht in den Bioreaktor. Hier wird die Algensuppe mit den Emissionen einer Industrieanlage begast. Die Algen verwerten dank des Lichts das CO2 und vermehren sich.

Aus den zwei Effekten – Vernichtung von Treibhausgas und Entstehung von Biomasse – lässt sich trefflich Kapital schlagen, erklärt Prof. Franke: “Stichwort Emissionshandel: Wer durch umweltfreundliche Technologien Kohlendioxid einspart, kann überschüssige Verschmutzungs-Zertifikate verkaufen. Stichwort Biomasse: Algen werden schon jetzt in vielen Industriezweigen verwertet. In unserem Fall ließen sie sich als Biotreibstoff oder für Baustoffe vermarkten.”

Die technische Entwicklung des Algenreaktors ist abgeschlossen. Was den UDE-Forschern noch fehlt, sind interessierte Investoren. Die hoffen sie auf der Hannovermesse zu finden, wo sie im April den Prototypen ihrer Entwicklung, ein gläsernes Modell, vorstellen. “Wir denken da an die Biogastechnologie oder an Betreiber von Klär- oder Heizanlagen”, so Franke und rechnet vor: “Ein 50qm großes Dach würde ausreichen, eine Tonne CO2-Emissionen im Jahr umzusetzen. Ein Hallendach von einem Hektar könnte in Deutschland rund 200 Tonnen Treibhausgas vernichten.”

Und auch das spricht aus Sicht des Physikers für das System made in Duisburg-Essen: “Ein Algenreaktor mit einem Hektar Lichtsammelfläche kann mehr als 200 Mal mehr CO2 umsetzen als ein Buchen- oder Eichenwald gleicher Fläche. Auch die Ausbeute gegenüber einem Hektar Mais ist bis zu 20 Mal höher.”

Für Privathaushalte wird der Bioreaktor erst in zweiter Generation geeignet sein. Ein CO2-Filter für kleine Objekte, zum Beispiel für ein Einfamilienhaus, stelle ganz andere Anforderungen an die Technik, sagt Franke. “Die Idee, dass der Schornsteinfeger nicht den Ruß, sondern Algenpulver aus dem Kamin kehrt, ist allerdings sehr reizvoll.”