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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)

Das neue Gesicht der Wirklichkeit

Der Theologe Adolf von Harnack (1851- 1930) hat die theoretischen Physiker als die wahren Philosophen des 20. Jahrhunderts bezeichnet. Die Notwendigkeit zu philosophieren ergab sich vor allem durch die Schlüsselposition, die der Beobachter in der Quantentheorie einnimmt. Im täglichen Leben wird niemand behaupten, dass der Mond nur dann am Himmel steht, wenn wir ihn anschauen. Aber in der Mikrowelt entscheidet sich das Ergebnis eines Experiments tatsächlich erst durch die Messung. Oder anders herum: Bevor eine quantenphysikalische Größe gemessen wird, hat sie keinen bestimmten Wert. Beispielsweise kann ein Elektron in einem von der Umgebung isolierten Atom sich gleichzeitig auf zwei verschiedenen Kreisbahnen um den Kern bewegen [man spricht von der ‘Überlagerung der Zustände’]. Damit besitzt es keinen bestimmten Energiewert – solange, bis der Physiker eine Messung vornimmt. Misst man direkt nach dieser Messung das Elektron noch einmal, kommt wieder der Wert aus der ersten Messung heraus. Denn durch die erste Messung ist der vorher unbestimmte Zustand eindeutig festgelegt worden.

In modernen Experimenten ist es bereits gelungen, Atome zu erzeugen, die sich gleichzeitig in zwei verschiedenen Zuständen befinden. Unlängst gelang es sogar Forschern im US-amerikanischen Stony Brook, einen supraleitenden Strom zu erzeugen, der gleichzeitig in zwei verschiedenen Richtungen floss. Solche Versuche sind besonders knifflig, da man eine Möglichkeit finden muss, die überlagerten Zustände auf indirektem Weg nachzuweisen, denn eine direkte Messung würde die Überlagerung aufheben.

Der Einfluß des Beobachters ist in der Quantenwelt entscheidend. Wie aber sein „Eingreifen“ genau zu verstehen ist und wo die Grenze zwischen Alltags- und Quantenwelt tatsächlich liegt, ist bis heute nicht geklärt. Besitzt der Beobachter eine Sonderstellung, die ihn über die Materie erhebt, oder ist er selbst eine Überlagerung quantenmechanischer Zustände? In den Anfängen der Quantentheorie wurde von einigen Wissenschaftlern tatsächlich die „Geist-über-Materie“- Interpretation vertreten: das menschliche Bewusstsein sei, so behaupteten sie, nicht den Regeln der Quantenmechanik unterworfen, da diese nur für Materie gälten. Auf Grund dieser Sonderstellung könnten wir durch bloße Beobachtung bewirken, dass Objekte von unbestimmten Zuständen in ein konkretes Dasein treten. Solch eine Erklärung würde aber bedeuten, dass Messapparate alleine keine eindeutigen Ergebnisse bei einem Experiment produzieren könnten. Es wäre immer ein menschlicher Beobachter nötig, der diese Ergebnisse registriert und sie dadurch erst von der quantenmechanischen Überlagerung in die Eindeutigkeit der Alltagswelt überführt. Diese Interpretation der Quantenphysik hätte natürlich bizarre Konsequenzen: Ein Wissenschaflter könnte dann nämlich ein Messprotokoll – ohne es anzuschauen – vervielfältigen und an Physikinstitute in aller Welt verschicken. Die Ergebnisse auf den Papieren blieben solange vieldeutig, bis der erste Physiker sein Exemplar des Protokolls angesehen hätte. In diesem Augenblick wären auch die Ergebnisse auf allen anderen Kopien wie durch Zauberei festgelegt. Ein Effekt, der dem Fall der Zwillingsphotonen ähnelt, diesmal aber Objekte aus der Alltagswelt betreffen würde!

Einen noch phantastischer klingenden Vorschlag zur Interpretation des Messprozesses machte 1957 der amerikanische Physiker Hugh Everett. Er ging davon aus, dass der Beobachter sich in mehrere Kopien seiner selbst aufspaltet und dadurch jeden möglichen Ausgang eines Experiments sieht. Der Beobachter merkt nur deshalb nichts davon, weil jede Kopie nach der Beobachtung in ihrem eigenen, parallel existierenden Universum weiterlebt. Da für jedes denkbare Ergebnis jeder quantenmechanischen Wechselwirkung Kopien des jeweiligen Beobachters entstehen, existieren Everetts Theorie zufolge eine fast unendliche Zahl paralleler Universen nebeneinander.

Umstritten ist im Rahmen dieser Theorie die Frage, ob wir andere Universen besuchen könnten. Der britische Physiker David Deutsch bejaht dies und kommt zu dem überraschenden Schluss, dass Zeitreisen in Everetts „Viele-Welten-Theorie“ ohne Widersprüche möglich wären. Eines der wichtigsten Argumente gegen Ausflüge in die Vergangenheit ist nämlich, dass der Zeitreisende in der Vergangenheit seine eigene Geburt verhindern und somit ein Paradoxon erzeugen könnte. Dieses Argument ist aber in einem „Multiversum“ nicht stichhaltig: Denn ein Zeitreisender könnte sich in die Vergangenheit jedes parallelen Universums begeben und dort die Geburt seines „Doubels“ verhindern, ohne dass ein logischer Fehler auftreten würde.

Die meisten Physiker sind der Überzeugung, dass die beiden vorgestellten extremen Sichtweisen bei der Interpretation der Quantentheorie noch nicht der Weisheit letzter Schluss sind. Und letztendlich ist dies eben eine philosophische Diskussion. Bereits Niels Bohr vertrat die pragmatische Sichtweise, die Physik könne lediglich Aussagen über Dinge machen, die der Messung zugänglich sind. Über den Rest empfahl er zu schweigen. Oder, wie Wolfgang Pauli es formulierte: „Ob etwas, worüber man nichts wissen kann, doch existiert, darüber soll man sich … doch wohl ebensowenig den Kopf zerbrechen, wie über die alte Frage, wieviele Engel auf einer Nadelspitze sitzen können.“ (Quelle: Themenheft »Entdeckung des Zufalls«, BMBF, Dezember 2000)

Eine völlig neue Erklärung für das rätselhafte Verhalten der Photonen und für andere Phänomene der Quantenphysik findet sich im Buch Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen. Dort wird wohl zum ersten Mal der physikalische Nachweis geführt, dass Bewusstsein eine Energieart ist, auf der alles was existiert, aufbaut. Mit dieser Erkenntnis bekommt unsere Wirklichkeit eine neues Gesicht.

Die Entdeckung des Zufalls

Als Max Planck vor 100 Jahren mit einem Vortrag vor der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Berlin den Grundstein zur Quantentheorie legte, brachte er damit eine tiefgreifende Umwälzung des physikalischen Weltbilds in Gang. Hatten die Wissenschaftler bis dahin geglaubt, die Natur gleiche einem überdimensionalen Uhrwerk mit vorhersehbaren Abläufen, so wurden sie im Zuge der quantenmechanischen Revolution mit der Entdeckung des Zufalls konfrontiert.
Die Erkenntnis, dass es zum Beispiel für den Zeitpunkt des Zerfalls eines radioaktiven Atoms keinerlei Ursache gibt, war für die Physiker zu Beginn des 20. Jahrhunderts keineswegs erfreulich. Die sogenannte deterministische, klassische Physik hatte es ihnen ermöglicht, die Natur zu verstehen und Ereignisse wie Springfluten oder Mondfinsternisse vorherzusagen. Das gab ihnen über viele Jahrhunderte ein Gefühl von Sicherheit und Macht. Das Ende des Determinismus, der Vorhersagbarkeit, war daher nur schwer zu akzeptieren.
Dabei hatten statistische Theorien, die lediglich Aussagen über die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses machen, die Physiker in früheren Zeiten nicht beunruhigt. Man wusste, hochkomplexe Systeme wie Gase ließen sich nur über statistische Aussagen in den Griff bekommen. Denn es ist einfach unmöglich, die Orte und Geschwindigkeiten aller Teilchen eines Gases zu kennen. Würde aber ein „Superhirn” existieren, das über sämtliche nach dem Urknall entstandenen Teilchen Bescheid wüsste, dann müsste es den Lauf der Welt vorausberechnen können – so die damalige Meinung. Nun stellte sich heraus, dass dem Zufall in der Quantentheorie mit dieser Art von Allwissenheit nicht beizukommen war. Die sogenannte Unbestimmtheitsrelation machte es grundsätzlich unmöglich, Ort und Geschwindigkeit eines Gasatoms zur gleichen Zeit exakt zu messen.
Die Quantentheorie brachte aber nicht nur den Zufall ins Spiel. Es stellte sich heraus, dass quantenmechanische Dinge ein merkwürdig schemenhaftes Dasein führen, das erst durch eine Messung, also den Eingriff eines Beobachters, in einen eindeutigen Zustand überführt wird. Der Zustand eines Elektrons ist ohne eine Messung, die uns diesen Zustand offenbart, nicht nur nicht bekannt, sondern einfach nicht definiert. Hieraus ergab sich die Notwendigkeit, über erkenntnistheoretische Fragen nachzudenken. Denn nachdem sicher war, dass es keine vom Beobachter losgelöste Realität gibt, stellte sich die zentrale Frage, was wir dann überhaupt über die Natur wissen können. Was treibt ein Elektron, wenn ihm keiner zusieht? Auf diese Frage gibt es schlichtweg keine Antwort.
Die Quantenmechanik ist die am besten überprüfte und bestätigte Theorie überhaupt. Gleichzeitig sind ihre möglichen Konsequenzen wie Zeitreisen, „geisterhafte Fernwirkungen” oder die Quanten- Teleportation mit unserem an der Alltagswelt geschulten Verstand kaum zu erfassen. Die Quantentheorie bildet die Grundlage der gesamten modernen Physik, denn erst durch sie wurde ein tieferes Verständnis der Materie möglich. Mit ihrer Hilfe können wir beispielsweise erklären, warum Atome stabil sind, wie ein Laser funktioniert und warum Metalle den Strom besser leiten als die meisten Kunststoffe. Und nicht nur für die Elektronik, Optik oder Nanotechnologie ist die Quantenphysik entscheidend – auch die Vorgänge in der Chemie und Molekularbiologie sind letztlich auf Quanteneffekte zurückzuführen. „Bei der Interpretation der Quantentheorie mag es Schwierigkeiten geben”, schreibt der britische Elementarteilchenphysiker Robert Gilmore, „aber sie funktioniert zweifellos aufs beste.”
(Quelle: Themenheft »Entdeckung des Zufalls«, BMBF, Dezember 2000)

Buchtipp:
Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen

Energie: Strom aus der Steckdose für Apparate bald überflüssig?

Wissen Sie wie Strom aus der Steckdose für Apparate überflüssig werden kann? Hier jetzt die Antwort!

Mit dem Handy telefonieren, ganz ohne Akku, nur durch die Wärme der Hand? Das ist noch Zukunftsmusik. Doch dank neuer Schaltungen lässt sich bereits jetzt die Hitze des Körpers nutzen, um Strom zu gewinnen.

Auf der Intensivstation sind am Körper des Patienten viele Apparate angeschlossen. Sie überwachen Herzfrequenz, Blutdruck, Körpertemperatur, Puls oder Atemfrequenz. Für gewöhnlich herrscht ein großes Kabelgewirr, denn sämtliche Geräte müssen mit Strom versorgt werden. In Zukunft kommen medizinische Sensoren möglicherweise ohne den Strom aus der Steckdose aus. Stattdessen zapfen sie Energie allein aus der Wärme des menschlichen Körpers. Per Funksignal senden sie dann die entsprechenden Daten an die zentrale Überwachungsstation.

Forscher vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen haben mit ihren Kollegen von den Fraunhofer-Instituten für Physikalische Messtechnik IPM und für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM eine Methode entwickelt, um die natürliche Körperwärme zur Energiegewinnung zu nutzen. Grundlage sind thermoelektrische Generatoren, kurz TEG, aus Halbleiterelementen. Die TEGs gewinnen elektrische Energie allein aus der Temperaturdifferenz zwischen heißer und kalter Umgebung. Normalerweise sind Unterschiede von mehreren zehn Grad notwendig, um ausreichend Strom zu erzeugen. Die Unterschiede zwischen der Außentemperatur des Körpers und seiner Umgebung betragen aber nur wenige Grad. “Mit solchen Differenzen lassen sich nur geringe Spannungen erzeugen”, erklärt Peter Spies, Teilprojektleiter am IIS. Etwa 200 Millivolt liefert ein gewöhnlicher TEG. Für die Versorgung von elektronischen Geräten sind jedoch mindestens ein bis zwei Volt erforderlich. Für dieses Problem haben die Ingenieure eine Lösung parat: “Wir haben Schaltungen entwickelt, die mit 200 Millivolt auskommen, indem wir verschiedene Bauteile ganz neu kombiniert haben”, sagt Spies. “So konnten wir ganze elektronische Systeme bauen, die keine interne Batterie benötigen, sondern allein durch Köperwärme ihre Energie gewinnen.” Dieses System verbessern die Wissenschaftler weiter: Es existieren bereits Schaltungen, die bei 50 Millivolt “anschwingen”, wie es in der Fachsprache heißt. Peter Spies glaubt, dass durch weitere Verbesserungen der Schaltsysteme in Zukunft ein Temperaturunterschied von nur 0,5 Grad für die Stromerzeugung ausreichend sein wird.

Die Forscher haben eine Reihe von Anwendungsmöglichkeiten im Visier: “Die Stromerzeugung aus Wärme lässt sich überall dort nutzen, wo eine Temperaturdifferenz auftritt”, sagt Spies. “Sei es am Körper, an Heizungen zur Kalkulation der Heizkosten, zur Überwachung der Kühlkette beim Transport gekühlter Güter oder in Klimaanlagen.”
Quelle: Informationsdienst Wissenschaft (idw)

Ein Jahr lang Strom und Heizung aus drei Flaschen Mineralwasser?

Wissen Sie, ob man mit Wasser heizen kann? Hier jetzt der unglaubliche Bericht!

Das Öl wird immer teurer, doch warum heizen wir nicht mit Mineralwasser? Unsere Klimaprobleme werden immer dramatischer, doch warum gewinnen wir nicht den Strom aus Mineralwasser? Hiroshima, Tschernobyl und die Verpestung der Umwelt verursachen uns Alpträume, doch warum erzeugen wir nicht ungefährliche, saubere Energie aus Mineralwasser?
Was wie ein Scherz oder ein Märchen klingt, könnte in zehn Jahren Realität werden. 2008 beginnen in Cardarache, Südfrankreich die Arbeiten für ein Kernfusionskraftwerk das zur Energieerzeugung weder Uran noch Plutonium benötigt, sondern ganz einfach Wasser. Zehn Jahre später soll es dann soweit sein. Das internationale Zehn-Milliardenprojekt soll zehnmal soviel Energie liefern wie investiert wird und das völlig ungefährlich und frei von Umweltbelastung.
Wie ist das möglich? Die Forscher und Ingenieure, die an dem Projekt arbeiten, haben sich entschlossen den ersten Schritt des Schöpfungsakts bei der Entstehung der Welt im Kleinen nachzuvollziehen. Sie fusionieren Wasserstoffatome zu ungefährlichem Helium in einer Wundermaschine mit Namen: Internationaler Thermonuklearer Experimentalreaktor, kurz ITER. Dazu wird Wasser auf 150-Millionen-Grad erhitzt, zehnmal soviel Grad wie im Inneren der Sonne herrscht. Bei diesen Temperaturen kommen sich die Wasserstoff-Atomkerne so nahe, dass sie zu dem Edelgas Helium verschmelzen. Im Labor wurde das bereits erfolgreich ausprobiert. Das lässt uns für die Zukunft auf unbegrenzte, saubere Energie hoffen. Schon drei Flaschen Wasser sollen ausreichen, um eine vierköpfige Familie ein ganzes Jahr lang mit Energie zu versorgen. Da kann man nur sagen: Ade Kohle! Tschüss Atomkraft! Leb wohl Öl!

Video: ITER Bilder aus Forschung und Entwicklung
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Weitere Links:
Max-Planck-Institut Projekt ITER
100 Produkte der Zukunft

“Paradisienne” – heiter spannende Fantasy

Cover des Buchs

Fantasy – Reiselektüre

Inhalt

  • Paradisienne … 7
  • Die Feuerprobe … 53
  • Rache … 87
  • Das Riff … 103
  • Blutwurst … 113
  • Lemuren … 123
  • Eltern 2050 … 139
  • Starkstrom … 145
  • Ewige Jugend … 153

Insgesamt 172 Seiten.

(Änderungen vorbehalten)

Haushaltsroboter gehen im Kaufhaus Paradisienne Parfüm einkaufen. Plötzlich kippen sie zitternd und zuckend um. Tod! – Eine Wissenschaftlerin schließt einen Pakt mit den Göttern, um auf ewig jung zu bleiben. Jahre geht alles gut, bis sie einen jüngeren Mann trifft.
Insgesamt sind es neun sagenhaft anmutende, lebendig geschriebene Geschichten aus vergangenen bis zukünftigen Zeiten. Ein liebenswert, faszinierender Leckerbissen für die Freunde heiter spannender Fantasy-Geschichten!
Durch sein handliches Format (12×19 cm) und der gut lesbaren 11-Punkt-Schrift eignet sich das Buch besonders für Urlaub und Reisen. Man kann es überall in Bus, Bahn, Flugzeug oder U-Bahn mitnehmen und lesen, denn für jede Reisedauer gibt es eine Geschichte in passender Länge.

Die Geschichte “Eltern 2050” ist schon in der Literaturzeitung “Federwelt” Ausgabe Nr. 60 Oktober/November 2006, ISSN 1439-8362 veröffentlicht worden.

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