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Proton-Paradoxon: Sind Physiker auf unbekanntes Naturgesetz gestoßen?

Heidelberg. Zwei Experimente lieferten verschiedene Werte für den Radius des Protons. Messfehler halten die Physiker mittlerweile für praktisch ausgeschlossen. Sind sie auf ein bislang unbekanntes physikalisches Phänomen gestoßen?

Das Proton muss doch längst perfekt verstanden sein! Es ist einer der Hauptbestandteile aller Materie, die uns umgibt, der Brennstoff der Sterne im Universum. Es ist der positiv geladene Kern des Wasserstoffatoms, des am besten untersuchten Atoms überhaupt. Das Teilchen wurde in zahllosen Experimenten genauestens vermessen, und auch am Large Hadron Collider (LHC) des europäischen Teilchenforschungszentrums CERN bei Genf sind es Protonen, die wir bei höchsten Energien miteinander kollidieren lassen, um neue Teilchen wie das Higgs-Boson entstehen zu lassen.

Kann das Proton also keine Überraschungen mehr für uns bereithalten? Weit gefehlt. Zusammen mit anderen Physikern haben Jan Bernauer und Randolf Pohl, die Autoren von “Das Proton-Paradox”, Titelgeschichte der April-Ausgabe 2014 von Spektrum der Wissenschaft, in den letzten Jahren die bislang präzisesten Messungen des Radius dieses Partikels vorgenommen. Anfangs erwarteten sie, durch die zwanzigfach höhere Genauigkeit dem lange bekannten Wert des Protonenradius lediglich die eine oder andere Nachkommastelle hinzuzufügen. Das war ein Irrtum. Vielmehr lieferten die beiden Experimente, bei denen unterschiedliche Messverfahren zum Einsatz kamen, zwei Werte, die deutlich voneinander abweichen: nämlich um mehr als das Fünffache der so genannten kombinierten Messunsicherheit. Die Wahrscheinlichkeit, dass dies nur ein Zufall ist, beträgt weniger als eins in einer Million.

Während Jan Bernauer seine Messungen als Doktorand am Institut für Kernphysik der Universität Mainz durchführte – heute forscht er am Laboratory for Nuclear Science des Massachusetts Institute of Technology in Boston –, arbeitete Randolf Pohl vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching an einem Beschleuniger des Paul Scherrer Instituts im schweizerischen Villigen. Immer neue technische und organisatorische Probleme hatten die Realisierung des neuartigen Messverfahrens, auf das er seine Hoffnungen setzte, auf Jahre verzögert. Statt mit gewöhnlichem Wasserstoff arbeitete er mit Wasserstoff, in dem statt eines Elektrons dessen 200-mal schwerer Vetter, ein Myon, das Proton umkreist.

Als aber endlich doch alles funktionierte, war das Resultat frustrierend: Die Forscher maßen kein einziges Signal. “Wir überlegten fieberhaft”, berichtet Pohl. “Könnten die Ursachen unseres Problems tiefer liegen als wir bis dahin vermutet hatten? Was wäre denn, wenn wir nach dem Protonenradius an der falschen Stelle, also bei den falschen Wellenlängen unseres Lasers, suchten? Wir beschlossen, unseren Suchradius zu erweitern. Doch in welche Richtung? Gemeinsam fassten wir den Entschluss, nach einem größeren Protonenradius Ausschau zu halten. Doch etwas später an diesem Abend kam mein Kollege Aldo Antognini in den Kontrollraum des Beschleunigers und meinte, wir sollten stattdessen nach einem kleineren Protonenradius suchen. Zu diesem Zeitpunkt arbeiteten wir längst in 20-Stunden-Schichten.”

Da den Forschern die ihnen am Beschleuniger zugestandene Zeit davonlief, steuerten sie die experimentellen Parameter schließlich sogar in Richtung noch kleinerer Werte, als jemals vermutet worden waren. Dann die Überraschung: Die ersten Hinweise auf ein Signal tauchten auf! Die Wissenschaftler waren elektrisiert – doch das Ergebnis wich um vier Prozent von bisherigen Messungen ab; eine drastische Diskrepanz. Das Proton im myonischen Wasserstoff war deutlich kleiner als irgendjemand erwartet hätte.

In der Forschergemeinde verursachte dies einige Aufregung. Die meisten Physiker glaubten zwar schlicht, dass ein Fehler im Spiel sein müsste. Schon bald meldete sich eine ganze Reihe von ihnen mit Vorschlägen, wo er stecken könnte. Doch eine Erklärung nach der anderen schlug fehl – und jedes Mal wuchs die Bedeutung der Messergebnisse.

Mittlerweile glauben die meisten Forscher, dass die Diskrepanz tatsächlich existiert, und arbeiten an neuen, noch präziseren Experimenten. Ihre große Hoffnung: Die Ergebnisse von Bernauer und Pohl könnten auf bislang unbekannte Naturgesetze hindeuten, indem sie Hinweise auf Teilchen und Kräfte liefern, die über das so genannte Standardmodell der Teilchenphysik hinausgehen. Vielleicht enthält das Universum ja ein bislang unentdecktes Elementarteilchen, das mit Myonen anders wechselwirkt als mit Elektronen? Denn das Myon hat sich auch an anderer Stelle verdächtig gemacht: Messungen seines so genannten magnetischen Moments passen nicht zu den theoretischen Berechnungen.

Im besten Fall stoßen die Wissenschaftler in den kommenden Jahren sogar auf eine Antwort, die beide Rätsel auf einen Schlag löst.  (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, April 2014)

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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)

Kontrollierte Kernfusion: Neuer Ansatz zur Energieerzeugung?

Seit Jahren entwickeln Physiker Hochenergie-Laser, um in winzigen Kügelchen durch Implosion Energie aus Kernfusion zu gewinnen. Das Vorhaben ist bei Fachleuten als “Trägheitsfusion” bekannt. Sie ist eine Spielart der so genannten kontrollierten Kernfusion, in der millimeter-große Brennstoffkügelchen von Lasern mehr als tausendfach komprimiert werden. Dadurch beginnen ab einem bestimmten Punkt Atomkerne miteinander zu verschmelzen – sie fusionieren. Der Prozess ähnelt den Vorgängen im Innern der Sonne und setzt wie dort Energie frei. Falls diese die eingesetzte Laserenergie übersteigt, lässt sich das System als Grundlage für einen Fusionsreaktor nutzen. Kontrollierte Kernfusion: Neuer Ansatz zur Energieerzeugung? weiterlesen

Sonnenenergie tanken

Der Solarofen des PSI kann die Strahlung der Sonne bis zu 5000-fach konzentrieren. Damit können Hochtemperatur-Solarreaktoren getestet werden.

Konzentrierte Sonnenenergie kann technisch nicht nur zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt werden, man kann mit ihrer Hilfe auch Brennstoffe wie Wasserstoff oder indirekt sogar flüssige Treibstoffe produzieren. Nun wurde einer der Pioniere auf diesem Gebiet, Professor Aldo Steinfeld vom Paul Scherrer Institut (PSI) und der ETH Zürich, mit dem Yellott Award, dem Preis des amerikanischen Ingenieursverband ASME für Arbeiten zu erneuerbaren Energien ausgezeichnet.

Sonnenenergie ist im Wesentlichen uneingeschränkt vorhanden und ihre Verwendung ökologisch sinnvoll. Allerdings ist die auf die Erde treffende Solarstrahlung stark verdünnt, nicht dauernd verfügbar sowie ungleichmässig über die Erdoberfläche verteilt. Diese Nachteile können überwunden werden, wenn die Sonnenenergie konzentriert und in chemische Energieträger umgewandelt wird, und zwar in Form von solaren Brenn- und Treibstoffen, die über lange Zeit gespeichert und über weite Distanzen transportiert werden können.

Sonnenlicht erfolgreich konzentrieren

Dazu werden durch hochkonzentriertes Sonnenlicht chemische Reaktionen angeregt, deren Produkte als Treibstoffe dienen können – im einfachsten Fall kann man etwa Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten und mit dem gewonnenen Wasserstoff in einer Brennstoffzelle elektrischen Strom erzeugen. Die Arbeit von Steinfeld und seinen Kollegen konzentriert sich darauf, thermochemische Hochtemperatur-Prozesse zu erforschen und besonders effiziente Solarreaktoren zu entwickeln, in denen die Vorgänge unter den extremen Bedingungen der hochkonzentrierten Sonneneinstrahlung stattfinden können. “Die Technologien zum Konzentrieren der Sonnenenergie werden bereits erfolgreich im Megawatt-Massstab in solarthermischen Kraftwerken eingesetzt. Dabei heizt konzentriertes Sonnenlicht eine Flüssigkeit auf, die wiederum Dampf erhitzt, womit eine Turbine angetrieben und über den angeschlossenen Generator elektrischer Strom erzeugt wird. Man müsste also nur einen entsprechenden chemischen Reaktor in den Brennpunkt eines Solarturm-Kraftwerks einbauen, um unser Verfahren zu nutzen” erklärt Steinfeld einen der praktischen Vorteile und das Potenzial seiner Technologie. Solarthermische Kraftwerke werden bereits in mehreren Ländern genutzt und sind in den letzten Wochen durch die Idee, in Afrika erzeugten Strom nach Europa zu transportieren, wieder ins öffentliche Bewusstsein gerückt.

Zink als Sonnenspeicher

Die Forschenden von Steinfelds Arbeitsgruppen am PSI und an der ETH arbeiten an verschiedenen chemischen Verfahren, um solare Treibstoffe herzustellen. Besonders attraktiv ist die am PSI entwickelte Methode, Zinkoxid mit Hilfe von konzentrierter Sonnenenergie in metallisches Zink und Sauerstoff aufzuspalten. Bringt man das Zink später mit Wasserdampf in Kontakt, entsteht dabei wieder Zinkoxid sowie Wasserstoff, der als Treibstoff genutzt werden kann. Der Vorteil dieses thermochemischen Kreisprozesses besteht darin, dass Sauerstoff und Wasserstoff in getrennten Reaktionen entstehen und man so nicht mit einem explosiven Gasgemisch hantieren muss. Ausserdem kann die zweite Reaktion erst an dem Ort stattfinden, an dem der Wasserstoff benötigt wird – man muss also kein Wasserstoffgas lagern oder transportieren.

Sonnenenergie tanken

Als weiteres Beispiel nennt Steinfeld die solare Produktion von Synthesegas – einer Mischung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid – das mit bekannten chemischen Verfahren in flüssigen Treibstoff umgewandelt und somit an den vorhandenen Tankstellen wie gewöhnliches Benzin getankt werden kann. “Solare Brenn- und Treibstoffe machen es möglich, Kraftwerke, Fahrzeuge und Betriebe der chemischen Industrie mit umweltfreundlicher Energie zu versorgen und leisten damit einen Beitrag zur Lösung der Klimaproblematik.” betont Steinfeld.

Um die neu entwickelten Solarreaktoren testen zu können, betreibt das Labor für Solartechnik am PSI einen Solarofen, in dem die Sonnenenergie an einem Punkt bis zu 5000-fach konzentriert werden kann und in dem Temperaturen von über 2000°C erreicht werden können. Quelle: idw; Foto: Paul Scherrer Institut

Geist in der Materie entdeckt?

Der Nobelpreisträger Max Planck (1858-1947) war einer der Pioniere der Quantenphysik und deshalb nicht verdächtig einem esoterischen Weltbild anzuhängen. Er vermutete hinter der Kraft, welche die Atomteilchen in Schwingung bringt und die Materie zusammenhält »einen bewussten, intelligenten Geist«. Diesen hielt er für den »Urgrund aller Materie«. Das waren seine Worte auf einem Vortrag, den er 1944 in Florenz hielt. Er sagte außerdem noch, dass es »keine Materie an sich gibt«.

Das materialistische Weltbild des 19. Jahrhunderts, dessen Nachbeben wir bis heute spüren, sah Materie als etwas an, das aus ewigen, unteilbaren und unvergänglichen Atomen aufgebaut ist. Über das, was es mit der angeblichen Unteilbarkeit von Atomen auf sich hat, weiß die Allgemeinheit zumindest seit Hiroshima Bescheid. Was die Allgemeinheit weniger weiß ist, dass die Atomspaltung nicht nur mit Zerstörung gleichzusetzen ist, sondern einhergeht mit Erkenntnissen, denen wir das Handy, den CD-Player, den PC und den Scanner in den Supermarktkassen verdanken. Wie von Zauberhand erscheinen nach dem Scannen der Ware Preise auf dem Kassendisplay. Welchen Vorstellungen von der Materie verdanken wir diese Errungenschaften unserer Wissenschaft, die einen mittelalterlichen Magier zum größten Zauberer seiner Zeit gemacht hätten, wenn er sie nur hätte vorführen können?

Für die heutige Physik gehört alles zur Materie, was aus Elektronen und Quarks und zwar aus Up-Quarks und Down-Quarks aufgebaut ist. Das muss man erst einmal verinnerlichen: Materie ist alles, was aus nur drei elementaren Bestandteilen besteht! Egal ob Gold, Blei, Wasserstoff oder Kohlenstoff. Egal ob ein Holzstuhl oder ein Hamburger. Alles besteht nur aus drei sogenannten Elementarteilchen: den Elektronen und zwei Sorten Quarks.

Elektronen kann man leicht erzeugen und beobachten. Die alten Röhrenfernseher liefern ein Zeugnis davon. Bei den Quarks ist das anders. Noch nie hat jemand Quarks beobachten, geschweige denn vorführen können. Und dennoch sollen die Protonen und Neutronen im Kern des Atoms aus diesen Quarks bestehen. Die Physiker schließen auf die Existenz von Quarks aufgrund von Beobachtungen, die sie machen, wenn sie in den Teilchenbeschleunigern wie CERN Protonen des Atomkerns mit anderen Teilchen und hoher Geschwindigkeit zusammenstoßen lassen. Das ist so, als würde man davon ausgehen, dass ein Fliegengewichtsboxer, der ein Schwergewicht K. O. schlägt, ein Hufeisen in seinem Boxhandschuh versteckt habe. Bevor man nicht in den Boxhandschuh reinschauen kann, weiß man es aber nicht.

Noch seltsamer mutet einem die Vorstellung von Materie an, wenn man weiß, dass Atome fast ausschließlich aus leerem Raum bestehen. Der Atomkern, in dem man die Protonen mit den Quarks finden kann, macht höchstens den zehntausendsten Teil des Atomdurchmessers aus. Der Raum um den Kern herum ist der Bereich, für den es eine größere Wahrscheinlichkeit gibt, dass man dort ein Elektron findet. Aber das gilt nicht als sicher. Die Regeln der Quantenphysik besagen, dass man das Elektron eines bestimmten Atoms genauso gut auch in New York oder sonst wo im Weltall finden kann, wenn auch mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit. Aber unmöglich ist es nicht.

Völlig unerklärlich ist, dass Atome, Elektronen oder Protonen bei bestimmten Untersuchungen überhaupt nichts Materielles mehr an sich haben. Sie scheinen Welleneigenschaft zu besitzen und auf dem Beobachtungsschirm tauchen Wellenmuster auf. So verflüchtigt sich auf einmal das noch verbliebene Materielle an der Materie. Wenn es »keine Materie an sich gibt«, wie Planck sagte, was ist es dann, was die Materie ausmacht? Ist es eine Art Geist?

Eine Form von Geist, der in der Materie steckt, ist Information. Das kann man sich klar machen, wenn man ein Beispiel betrachtet, das drei Bausteine zum Gegenstand hat und damit dem Aufbau der Atome aus drei Elementarteilchen entspricht. Beispielsweise kann man sich zwei Kinder, einen Jungen und ein Mädchen vorstellen. Sie besitzen einen Eimer voll mit Lego-Bausteinen. Es sind drei Sorten Steine, nämlich solche mit zwei, vier und acht Noppen. Aus diesen Steinen baut das Mädchen ein kleines Puppenhaus mit zwei Zimmern, Möbeln, Ofen usw. Der Junge baut dagegen eine große Burg mit mächtigen Mauern, Zinnen, Toröffnung und Graben.

Die Frage ist nun, worin sich Puppenhaus und Burg unterscheiden? Beide Bauwerke sind aus den gleichen Steinen hergestellt. Die einzige Unterscheidung zwischen Puppenhaus und Burg ist die Zahl und Anordnung der Steine. Das gleiche gilt für unsere Welt, in der die unterschiedlichen Elemente Gold, Blei, Wasserstoff oder Kohlenstoff usw. sich nur in der Zahl und Anordnung der Elementarteilchen unterscheiden. Da alle Materie aus den Elementen aufgebaut ist, unterscheidet sich alles, was materiell existiert nur durch die Zahl und Anordnung der Elementarteilchen.

Die Anordnung ist nichts anderes als Information. Die Formen, anhand denen man erkennt, ob es sich um ein Puppenhaus oder eine Burg handelt, sind Informationen und auch die unterschiedlichen Formen und Muster der materiellen Welt sind alles Informationen. Aber Information ist sicher nicht der Geist, den Planck meinte. Denn Information ist nichts Lebendiges. Information ist passiv. Planck sprach dagegen von einem bewussten, intelligenten Geist und ein bewusster Geist ist etwas Lebendiges.

Einen Hinweis auf diesen bewussten Geist finden wir in der Interpretation der physikalischen Experimente mit Quanten. Quanten sind winzige Energiepakete, die sich je nach Art der Messung als Wellen oder Teilchen zeigen. Wegen dieses Verhaltens gelten Atome, Elektronen, Photonen (Lichtteilchen) und dergleichen – gleichgültig, ob die Objekte zur Materie zählen oder nicht – alle als Quanten. Zu einem der wichtigsten Experimente der Quantenphysik gehört jenes, bei dem man Lichtteilchen oder Elektronen auf eine Wand schickt, in der sich ein kleiner Doppelspalt befindet. Dahinter fängt man auf einem Beobachtungsschirm auf, was durch die Spalte hindurchkommt. Auf diese Weise beobachtet man das Verhalten der Quantenobjekte und kann es interpretieren.

Um Bewusstsein bei Quanten feststellen zu können, muss man wissen, anhand welcher Kriterien man Bewusstsein überhaupt feststellen kann. Bewusstsein ist kein Untersuchungsgegenstand der Quantenphysik. Deshalb findet man in dieser Disziplin keine geeigneten Kriterien zur Erkennung von Bewusstsein. Hier muss die Psychologie aushelfen. Die Psychologie hat mithilfe geeigneter Kriterien schon bei zahlreichen Tierarten Bewusstsein nachgewiesen. Das Hauptkriterium zur Erkennung einer primären Form von Bewusstsein, das allerdings noch nicht das höhere Ich-Bewusstsein einschließt, ist erstens die Fähigkeit, sich auf unerwartete Veränderungen der Wirklichkeit einzustellen und zweitens ein nicht sicher vorhersehbares, eigengesteuertes Verhalten.

Das ist aber genau das, was man an dem Verhalten von Lichtteilchen oder anderen Quanten feststellen kann, die offensichtlich selbst entscheiden, welchen Weg sie an einem Strahlenteiler durchlaufen oder welche Polarisierung sie bei einer Polarisationsmessung annehmen. Es gibt keine Formeln oder physikalischen Gesetze, anhand derer man dieses Verhalten vorausberechnen könnte. Man hat nur die Möglichkeit das Verhalten mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit vorauszusagen. Sicherheit gibt es aber nicht. Und das entspricht beim Kriterium für primäres Bewusstsein, dem nicht sicher vorhersehbaren, eigengesteuerten Verhalten.

Immer wenn Lichtteilchen sich unbeobachtet glauben, bilden sie ein Wellenmuster auf dem Beobachtungsschirm beim Doppelspaltexperiment. Sie sind allerdings sehr eigenwillig: Wenn man nämlich einzelnen Quanten nachspürt, um mehr zu erfahren, verschwindet das Wellenmuster und es bleiben nur noch zwei Streifen übrig. Das gleiche gilt, wenn man abwechselnd einen der Spalte schließt, um mit Sicherheit sagen zu können, durch welchen Spalt ein bestimmtes Lichtteilchen gegangen ist. Die Quanten stellen sich auf alle Veränderungen der Wirklichkeit sofort ein. Ein Psychologe würde aus dem eigenwilligen Verhalten schließen, dass Quanten primäres Bewusstsein zeigen.

Planck kannte natürlich die grundlegenden Experimente der Quantenphysik einschließlich des Doppelspalt-Experiments. So ließ ihn möglicherweise das in den Experimenten offengelegte Verhalten der Materie zu dem Schluss kommen, dass ein bewusster, intelligenter Geist der »Urgrund aller Materie« ist. – Klaus-Dieter Sedlacek

Der Text enthält zum Teil Inhalte aus dem Sachbuch mit dem Titel »Unsterbliches Bewusstsein – Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen« (ISBN 978-3837043518 )

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

Einzigartiger Weg zur Wasserstofferzeugung aus Wasser gefunden

Professor David Milstein Weizmann Institute of Science
Professor David MilsteinWeizmann Institute of Science
(idw). Die Entwicklung eines effizienten künstlichen Katalysators, mit dessen Hilfe durch Sonnenlicht Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten werden kann, ist ein Hauptziel in der Erforschung sauberer, erneuerbarer Energiequellen. Wissenschaftler vom Weizmann Institut haben ein neues Verfahren entwickelt, bei dem in mehreren Einzelschritten und ohne Zusatz von schädlichen Chemikalien Wasser durch Sonnenlicht in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten wird.

Die Entwicklung eines effektiven, mit Sonnenlicht angetriebenen Systems zur Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gehört heute zu den wichtigsten Herausforderungen der wissenschaftlichen Forschung, insbesondere mit Hinblick auf das Langzeitpotenzial von Wasserstoff als sauberen, umweltfreundlichen Treibstoff. Die existierenden künstlich entwickelten Systeme sind sehr ineffizient und benötigen zumeist den Einsatz zusätzlicher chemischerWirkstoffe, weshalb die Entwicklung neuer Methoden zur Aufspaltung von Wasser so wichtig ist.

Prof. David Milstein und seine Kollegen vom Fachbereich Organische Chemie am Weizmann Institut haben einen einzigartigen Ansatz entwickelt, der wichtige Stufen zur Bewältigung dieser Herausforderung bietet. Das Forschungsteam konnte eine neue Art der Bindungsentstehung zwischen Sauerstoffatomen nachweisen und sogar ihren Mechanismus bestimmen. Den Flaschenhals beim Aufspaltungsprozess von Wasser stellt eigentlich die Erzeugung von Sauerstoffgas durch die Formation einer Bindung zwischen zwei Sauerstoffatomen aus Wassermolekülen dar. Die Forschungsergebnisse des Teams wurden kürzlich in Science veröffentlicht.

Die Natur hat einen anderen Weg eingeschlagen und dabei ein sehr produktives Verfahren entwickelt: die Photosynthese in den Pflanzen ist die Quelle allen Sauerstoffs auf der Erde. Obwohl es deutliche Fortschritte im Verständnis der Photosynthese gegeben hat, ist noch immer unklar, wie dieses System funktioniert; weltweit bemüht man man sich intensivst – jedoch ohne große Erfolge – um die Entwicklung eines künstlicher photosynthetischer Systeme, welche auf Metallkomplexen basieren, die als Katalysatoren dienen. (Ein Katalysator ist eine Substanz, die eine chemische Reaktion steigern kann, ohne selbst verbraucht zu werden.)

Der neue Ansatz des Weizmann-Teams unterteilt sich in eine Serie von aufeinanderfolgenden thermalen und durch Licht beeinflussten Reaktionen, die zur Freilassung von Wasserstoff und Sauerstoff in Stufen führen. Die Reaktionen werden durch einen einzigartigen Zusatz katalysiert: ein besonderer Metallkomplex, den das Milstein-Team in vorherigen Forschungsstudien entwickelte. Darüber hinaus ist der von ihnen entworfene Metallkomplex, der auf dem Element Ruthenium beruht, ein “schlauer” Komplex, in dem das Metallzentrum und der angeheftete organische Teil bei der Aufspaltung des Wassermoleküls zusammenwirken.

Das Team fand heraus, dass beim Vermischen des Komplexes mit Wasser, die Bindung zwischen einem Wasserstoffatom und dem Sauerstoffatom im Wassermolekül aufbricht, wobei das Wasserstoffatom sich an den organischen Teil anbindet, während das verbliebene Wasserstoff- und Sauerstoffatom (OH-Gruppe) sich an das Metallzentrum des Komplexes binden.

Diese modifizierte Version des Komplexes stellt die Grundlage für den nächsten Abschnitt in dem Verfahren dar: der “Heizabschnitt”. Wenn die Wasserlösung auf 100 Grad Celsius erhitzt wird, wird das Wasserstoffgas aus dem Komplex freigelassen (eine potenzielle Quelle für sauberen Treibstoff ) und eine weitere OH-Gruppe wird dem Metallzentrum hinzugefügt.

“Aber der interessanteste Abschnitt ist der dritte, der “Lichtabschnitt”,” sagt Milstein. “Wenn wir diesen dritten Komplex bei Zimmertemperatur dem Licht aussetzten, wird nicht nur Sauerstoffgas produziert, sondern der Metallkomplex fällt zurück in seinen Ursprungszustand und läßt sich dann für weitere Reaktionen wieder verwenden.”

Diese Ergebnisse sind deshalb so bemerkenswert, weil die Erzeugung einer Bindung zwischen zwei Sauerstoffatomen durch einen künstlich hergestellten Metallkomplex ein sehr seltenes Ereignis ist und bisher unklar war, wie dies überhaupt geschieht. Auch haben Milstein und sein Team es geschafft, einen bisher unbekannten zugrundeliegenden Mechanismus solcher Verfahren zu identifizieren. Weitere Experimente haben gezeigt, dass in diesem dritten Abschnitt Licht die notwendige Energie bietet, um die beiden OH-Gruppen zusammen zu bringen, die dann Wasserstoffperoxid (H2O2) bilden, dass schnell in Sauerstoff und Wasser auseinander bricht. “Weil Wasserstoffperoxid als ein relativ instabiles Molekül bekannt ist, haben Wissenschaftler diesen Abschnitt stets mißachtet und als implausibel erachtet; aber wir haben das Gegenteil bewiesen,” sagt Milstein. Darüber hinaus hat das Forschungsteam gezeigt, dass die Anbindung zwischen den beiden Sauerstoffatomen in einem einzigen Molekül entsteht – und nicht zwischen den Sauerstoffatomen in separaten Molekülen, wie bisher angenommen – und dass sie von einem Metallzentrum ausgeht.

Die Entdeckung eines effizienten künstlichen Katalysators für die von Sonnenlicht angetriebene Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff ist ein Hauptziel der Erforschung erneuerbarer, sauberer Energie. Bisher hat Milsteins Team einen Mechanismus für die Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser vorgeführt, mit Hilfe von Licht und ohne den Einsatz eines chemischen Wirkstoffs. Für ihre nächste Studie planen sie diese Abschnitte miteinander zu verbinden, um ein effektives Katalysatorsystem zu schaffen, das die Erforschung alternativer Energien einen wichtigen Schritt in Richtung ihrer praktischen Anwendung voranbringen soll.