Alles beginnt im Kopf

Ob man Waschpulver und Brotaufstrich auf Palmölbasis verwendet, verpacktes Obst mit Globetrotter-Patina kauft, das Bad ganztags warm hält oder das Auto beinmuskelschonend startet. Die Impulse dazu kommen immer vom Großhirn. Sie werden an Nervenzellen weitergeleitet, die jeweilige Aktionen nach sich ziehen. Würde man alle Nervenfasern hintereinander verknüpfen, ergäbe dies einen 5,8 km langen Highway. Und der ist rationell: Das Gehirn liebt Gewohnheiten, neue Handlungen werden rasch automatisiert – und belohnt: Da bei routinierten Abhandlungen weniger Stoffwechselenergie und neuronale Prozesse erforderlich sind, werden körpereigene Belohnungsstoffe ausgeschüttet. Mustererkennung für einen präzisen und schnellen Ablauf also. Man könnte fast meinen, eine künstliche Intelligenz schwirre unsichtbar in unserem Gehirn auf Suche nach Effizienz umher. Schließlich haben wir ja rund 90 Mrd. Nervenzellen, die angesprochen werden können. Doch sind solche Denkmuster immer effizient? Würde es sich nicht doch lohnen, das Arbeitsgedächtnis verstärkt zu aktivieren?

Alternative Mobilität

Allzu oft erwischt man sich im Auto, wobei man die Strecke doch beispielsweise mit dem Fahrrad hätte absolvieren können. Die Schweizer bezeichnen es liebevoll Velo, abgeleitet aus dem Lateinischen velox (schnell). Noch treffender beschreiben es die Franzosen mit vélocipède (Schnellfuß) – das Rad als ideales Fortbewegungsmittel. Wenn schon nicht mit dem eigenen, dann zumindest mit einem der vielen Leih-(E-)Bikes, die in größeren Städten geradezu wie aus dem Himmel fallen. Die Idee dahinter hat etwas: Die Bikes sind meist per App mietbar, man kann sie am vereinbarten Ort abholen und abstellen und muss somit keine Bahnen mit Rädern verstopfen. Wichtig dabei ist jedoch die Qualität der Plattformen: nachhaltige Systeme, die geordnete Abgabestellen garantieren, ohne Bürgersteige zu blockieren, und eine Vernetzung mit öffentlichen Verkehrsmitteln ermöglichen.

Hat nicht die junge Generation bereits eine neue Wertvorstellung von Mobilität? Das Auto ist längst kein Statussymbol mehr, vielmehr geht es darum, vernetzt zu sein, immer online. Im Stau fließt es nun mal nicht, ebenso wenig wie auf – möglichst dellenfreier – zeitraubender Parkplatzsuche.

Sinnvoll wäre sicher auch, öffentliche Verkehrsmittel für Studierende und Auszubildende kostengünstig zu stellen. Der Drittwagen der Familie, der sich sonst neben Dienstwagen und Schulhof-Dinosaurier im Carport einzwängt, wäre endlich passé.

Der Startschuss ist längst gefallen

Schon bald können wir unseren geliebten Diesel in Museen bestaunen, mit Infotafeln zu genormten Abgaswert- und Feinstaubangaben, unanfechtbar sicher hinter Glas. Dass der Verbrennungsmotor keine Zukunft hat, ist in Zeiten der erschreckend schnell wiederkehrenden UN-Weltklimakonferenzen klar. Drei Jahre nach der historischen Einigung auf das Pariser Klimaabkommen wurde das „deutlich-unter-zwei-Grad-Ziel“ in Kattowitz erneut deutlich gemacht. Dazu müsste Deutschland zum Beispiel seinen CO₂-Ausstoß bis 2030 um rund 56 Prozent reduzieren, für das 1,5 Grad-Ziel sogar bis zu 75 Prozent. Und weltweit? Die bisher zugesagten Maßnahmen reichen selbst für das weniger ehrgeizige Zwei-Grad-Ziel oft nicht aus, die aktuell schlechtesten Einzelwerte haben Russland, China, Kanada und Argentinien. Und Deutschland wird seiner Vorreiterrolle nicht gerecht. Warum sollten wir Einzelne dann etwas tun? Weil die Welt uns alle angeht, schließlich agieren wir alle ökonomisch im globalen Netz, auch wenn die Folgen woanders spürbarer sind. Es gilt, die kohlenstoffarme Ressourcen- und Energieversorgung zu fördern. Auch auf dem afrikanischen Kontinent werden in den nächsten 40 Jahren 1,5 Milliarden Menschen zusätzlich an die Stromversorgung angeschlossen – ihr gutes Recht und ihre Chance. Schaffen wir die Schubumkehr nicht, dann ist die Hoffnung, mit dem Pariser Klimaabkommen global handlungsfähig zu bleiben, sehr zu hinterfragen. Die westlichen Industrienationen nehmen also eine klimapolitische Verantwortungsrolle ein, ohne das Verständnis der einzelnen Menschen ist sie jedoch nicht umsetzbar. Wir benötigen Pioniere, um die klassischen Energiemärkte aufzufrischen.

Wertschöpfungskette nach dem Glied der Batterieforschung kappen?

Das Elektroauto ist nur so lange eine Alternative, wie der überwiegende Anteil des Stroms aus erneuerbaren Energien kommt. Deshalb rücken Batterie-Neuentwicklungen sowie die Energiespeicherung einer volatilen Energieerzeugung immer stärker in den Vordergrund. Hot Themes sind hierbei Feststoffbatterien, die dreimal mehr Energie speichern können als eine vergleichbare Lithium-Ionen-Batterie. Erst kürzlich verkündete kein geringerer als der ehemalige Erfinder der Lithium-Ionen-Batterie, John Goodenough, von seinen neuen Entwicklungen: In seinem Labor in Austin forschen Wissenschaftler an Feststoffkörpern aus Glas anstelle flüssiger Elektrolyte. Die Vorteile: Sie laufen weniger Gefahr, sich zu entzünden. Da eine Kühlung überflüssig ist, kann man auf dem gleichen Raum mehr Akkuzellen unterbringen und die Reichweite für Elektroautos könnte sich damit signifikant erhöhen. Zudem kommen nachhaltige Materialien wie kostengünstiges Natrium zum Einsatz.

Auch Weiterentwicklungen der Lithium-Ionen-Batterien laufen auf Hochtouren. Dem klassischen System mit Graphit als Anode sind schon rein chemisch-physikalisch Grenzen gesetzt, da das Graphit lediglich ein Lithiumion pro sechs Kohlenstoffatome binden kann. Es ist eine komplexe Puzzle-Aufgabe: Eine Vielzahl and Kathoden- als auch Anodenmaterialien werden in Reaktion miteinander getestet, um optimale Eigenschaften wie hohe Energiedichte, Kapazität, Stabilität und Lebensdauer sowie den Einsatz ausreichend verfügbarer und ungiftiger Rohstoffe zu gewährleisten.

Während hierzulande Produktionsanlagen zur Batterieforschung seit Jahren laufen (z. B an der TU München/Garching am Lehrstuhl IWB; an der RWTH Aachen und am Zentrum für Solar- und Wasserstofforschung (ZSW) in Ulm), findet die Massenproduktion weiterhin vorwiegend in Asien statt: 9 von 10 Batterien werden dort produziert (70% allein in China). Der deutsche Entwickler und Hersteller von Lithium-Ionen-Akkumulatorzellen, Li-Tec Battery GmbH, hatte 2015 die Zellfertigung abgegeben. Der Grund: Trotz hochtechnischer Qualität wurde der Absatz nur durch Daimler gedeckt und die Zellen aufgrund der geringen Stückzahlen auf dem Weltmarkt waren nicht konkurrenzfähig. Doch das Argument der niedrigen Arbeitslöhne betrachtet nicht alle Aspekte. Die Forderung nach dem baldigen Aufbau einer großen deutschen Fertigung an Zellen wird nicht nur durch den Verband der Deutschen Maschinen- und Anlagenherstellern (VDMA) immer drängender. Denn nur so kann den potenziellen Abnehmern in Asien und USA vorgeführt werden, dass die Technologien, entwickelt aus dem hohen Know-how deutscher Institutionen, auf dem einheimischen Markt funktionieren. Eine Referenz aus dem eigenen Fertigungsstandort. Prozesse lassen sich am besten unter Produktionsbedingungen im eigenen Land optimieren. Enge Kontakte zwischen Forschung und Zellenherstellern sowie kurze Transportwege mit wegfallenden Beschränkungen wegen strenger Gefahrgut-Vorschriften im Ausland sind stichhaltige Argumente.

Bessere Batterien führen auch zu einem Umdenken im System der Energiespeicherung. Prospektive Ansätze liefern dazu sogenannte Redox-Flow-Batterien, die mittels Reduktions-Oxidations-Reaktionen chemische Energie in elektrische Energie wandeln und in zwei getrennten Elektrolytkreisläufen ablaufen. Dadurch werden Energiedichte und Leistung entkoppelt. Das Ausmaß an gelieferten Strom hängt demnach nur von der Größe des Elektrolytreservoirs ab. In Deutschland werden sie als stationäre Energiespeicher bereits mit Windkraftanlagen getestet. Ob sich die Technologie mit der Elektromobilität koppeln lässt, ist noch unsicher. Aktuell wird die Forschung an Lithiumbatterien als Übergang vom Verbrennungs- zum Elektromotor vorangetrieben.

Gerade heute, am 25. 01.2019, geht das Batterieforum Deutschland zu Ende, das zum siebten Mal vom Kompetenznetzwerk Lithium-Ionen-Batterien (KLiB) mit Unterstützung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) veranstaltet wird. Man darf gespannt sein, welche neuen Erkenntnisse dabei zutage kommen.

Alles beginnt im Kopf. Das Aufbrechen von festen Denkmustern ist eine Herausforderung. Doch lieben wir nicht alle Herausforderungen? In unseren Genen ist es zumindest verankert, das Mobil-sein von Kopf bis Fuß. Man wusste ja schließlich nie, ob um die nächste Ecke der nächste Säbelzahntiger lauerte.

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update 01.03.2020: Im Artikel „Staatsgeheimnis Zellchemie“ vom 01. März 2020 kann man die Funktionsweise zu Lithium-Ionen-Batterien nachlesen sowie den Grund, warum sie weiterhin am E-Bike noch immer die Batterien der Wahl sind.

Der Beitrag Elektromobilität und Batterien der Zukunft erschien zuerst auf Redaktion Text Idee.

Wasser auf dem Planet Erde

Unser blauer Planet ist an seiner Oberfläche zu ca. 70 Prozent mit Wasser bedeckt. Erst kürzlich haben Wissenschaftler in der Fachzeitschrift SciencesAdvances ihre Ergebnisse zu Untersuchungsmodellen veröffentlicht. Demnach würde das Wasser auf der Erde aus wasserreichen Asteroiden stammen, die vor rund 4 Milliarden auf die Erde prallten.

Klingt alles nach Wasserreichtum. Doch 97 Prozent der auf der Erde verfügbaren Reserven sind Salzwasser. Lediglich 3 Prozent sind Süßwasser. Darunter liegt ein großer Teil noch im gefrorenen Zustand vor, nur ein kleiner Teil davon wird direkt als Trinkwasser genutzt.

Wasser auf der ISS

Der Mensch selbst besteht – altersabhängig – zu ca. 70 Prozent aus Wasser. Ein Wasserverlust von bereits 15 Prozent ist für ihn tödlich. Sauberes Trinkwasser in ausreichender Menge ist somit eine Grundvoraussetzung. Für uns eine Selbstverständlichkeit. Für die Besatzung der Internationalen Raumstation ISS ein kostbares Gut. Aber sie hat sich gewappnet: 80 Prozent des von den Astronauten verbrauchten Wassers wird aus Kondensat, Abfluss und Urin recycelt. Dazu werden spezielle Aufbereitungsanlagen und Filter eingesetzt, um keimfreies Trinkwasser zu generieren.

Kluges Wassermanagement

Ein kluges Wassermanagement wäre auch in vielen anderen Teilen der Welt überaus sinnvoll. Bereits über 2 Milliarden Menschen haben schon heute keinen Zugang zu sauberem Wasser, Tendenz steigend. Vielen Ländern fehlt es an Geld, um die Verbesserung der Versorgung zu bewerkstelligten.

Dabei ist es ist der freie Zugang zu sauberen Trinkwasser ein Menschenrecht. Es scheint erstaunlich, dass dies erst im Juli 2010 von der UN-Generalversammlung als solches anerkannt wurde. Vor allem in Anbetracht der Tatsache, dass andere Menschenrechte ohne das Recht auf Wasser gar nicht umsetzbar wären. Wie sollte das Recht auf Leben ohne Wasser möglich sein? Oder das Recht auf Nahrung, wenn der Hauptteil des Trinkwassers in der Produktion von Lebensmitteln steckt? Zur Produktion von nur einem Kilogramm Getreide etwa werden 1000 Liter Wasser verbraucht, und um einen Hamburger herzustellen ca. 2400 Liter. „Virtuelles Wasser“ nennt man diese versteckte Ressource, da sie nicht unmittelbar als Trinkressource dient.

In der molekularen Pflanzenzüchtung gibt es bereits Ansätze, wie man den Wasserverbrauch senken kann. Allerdings stecken in der Gentechnologie – neben Chancen – noch einige Hürden und Risiken.

Blick aus der ISS

Alexander Gerst hat während seiner Horizon-Mission im August den aktuellen Zustand unserer Wasserressourcen auf der Erde mit Fotos dokumentiert. Es geht uns alle an, ein funktionierendes Ökosystem zu gewährleisten. Vor allem die westlichen Industrienationen, die diese Ressource im Überfluss verbrauchen, ebenso wie die emporsprießenden Megacities aus Schwellenländern. Effizientes Wassermanagement ist weltweit gefragt. Innovative Instandhaltung von bestehenden Wasserleitungen, Entsalzungsanlagen, und Wasseraufbereitungsmethoden müssen verstärkt in den Fokus von Anlegern rücken.

Und was könnten wir als Endverbraucher tun, um sparsam mit dem kostbaren Gut umzugehen? Eine Bewusstseinsstärkung darüber, wo das virtuelle Wasser steckt, woher das Trinkwasser kommt und wo das Lebensmittel produziert wird, wäre ein erster wichtiger Schritt.

Brauchen wir eigentlich im Winter tatsächlich Erdbeeren?

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