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Die Photovoltaik liefert nicht nur grünen Strom, sondern offenbart auch ein weiteres, oft übersehenes Potenzial im Kampf gegen den Klimawandel. Eine neue Studie zeigt, dass Solarparks als CO2-Speicher fungieren und tote Sandböden wiederbeleben können. Wie Schatten und Putzwasser das karge Erdreich in einen effektiven Kohlenstoffspeicher verwandeln.

Ein Forscherteam der Xi’an University of Technology in China veröffentlichte kürzlich Daten aus der Praxis. Über drei Jahre hinweg analysierten die Wissenschaftler den riesigen Talatan-Solarpark am Rande des Qinghai-Tibet-Plateaus. Im Mittelpunkt stand die Frage, wie großflächige Photovoltaikanlagen den Wüstenboden und seine Fähigkeit, Kohlendioxid dauerhaft zu binden, verändern können.

Die Messergebnisse zeigen in eine klare Richtung. Der gesamte Kohlenstoffgehalt im Boden stieg durch die Solarmodule um exakt 125,89 Prozent im Vergleich zur unberührten Wüste. Und der organisch gebundene Kohlenstoff vervierfachte sich nahezu. Dabei handelt es sich etwa um Reste abgestorbener Pflanzenteile und Bodenlebewesen.  Auch der anorganische Kohlenstoff in Form von Carbonaten nahm um knapp 70 Prozent zu. Das zeigt, dass die Module die Versteppung verzögern oder gar stoppen und auf diesem Weg das karge Erdreich füttern können.

Mikroklima und Feuchtigkeit: Warum Putzwasser und Schatten den Sand beleben

Doch wie verwandelt die Technologie die kargen Sandböden in effektive Kohlenstoffspeicher? Die Erklärung liegt im Zusammenspiel aus einer mikroklimatischen Abschirmung und Feuchtigkeitsregulierung. Solarmodule agieren tagsüber wie ein gigantisches Sonnensegel, das die extreme Hitze vom Boden fernhält. Nachts wiederum wirken sie wie eine schützende Decke gegen die frostige Wüstenkälte. Dazu kommt ein weiterer Faktor: Putzwasser. Reinigungstrupps befreien die Solarpanels regelmäßig von Staub. Dadurch sickert Wasser direkt in den geschützten Untergrund.

Weil der Schatten die Verdunstung bremst, bleibt die Feuchtigkeit im Sand gespeichert. Unter halbbeweglichen Solarmodulen kletterte der durchschnittliche Feuchtigkeitsgehalt laut den Angaben auf 14,56 Prozent. Das Wasser soll so schlafende Mikroorganismen aufwecken und erste Gräser sprießen lassen. Die Verwendung von Putzwasser führt also nicht zu Abfall, sondern funktioniert als hocheffiziente Tröpfchenbewässerung. Nachführsysteme, die sich wie Sonnenblumen nach dem Lauf der Sonne drehen, reichern den Boden laut den Wissenschaftlern am stärksten mit Kohlenstoff an.

Die Messungen belegen, dass sich der organische Kohlenstoff in den obersten zehn Zentimetern der Erdschicht sammelt, während der anorganische Kohlenstoff in tiefere Bodenschichten (20–40 cm) wandert. Zwar ist die Anreicherung unmittelbar unter den Modulen am höchsten, doch auch in den Lücken zwischen den Reihen weist der Boden einen deutlich erhöhten Kohlenstoffgehalt auf. Weltweit sollen in Wüsten fast 2.000 Milliarden Tonnen Kohlenstoff gespeichert sein. Das entspricht rund 80 Prozent des globalen anorganischen und 32 Prozent des organischen Bodenkohlenstoffs.

Klima-Doppelagenten mit Risiko: Was die Solarparks als CO2-Speicher für die Zukunft bedeuten

Für die Zukunft bedeutet das, dass Wüsten sich zu echten Doppelagenten beim Klimaschutz entwickeln könnten. Sie liefern oberhalb der Panels grünen Ökostrom und absorbieren unter diesen das Treibhausgas wie ein Filter aus der Luft. Rund 50 Millionen Quadratkilometer Wüstenfläche bedecken unseren Planeten. Wenn Planer Solarparks künftig gezielt mit drehbaren Nachführsystemen errichten, könnte ein großer Hebel gegen die Erderwärmung entstehen. Aber das System birgt auch Risiken.

Denn das Wüsten-Ökosystem reagiert extrem sensibel. Dabei verhält es sich nicht linear. Der sogenannte Schwellenwert-Effekt (Threshold-Effekt) zeigt, dass Bodenfeuchte und Nährstoffe erst ab dem Überschreiten bestimmter Grenzwerte eine netto positive Kohlenstoffspeicherung ermöglichen. Darunter hemmen Mangelbedingungen den Aufbau stabiler Kohlenstoffspeicher. Zudem kann ein unkontrollierter Stickstoffüberschuss während der Frost-Tau-Phasen über den sogenannten Priming-Effekt den Abbau von organischem Kohlenstoff beschleunigen. Daher ist ein präzises Wasser- und Düngemanagement erforderlich.

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Der Beitrag CO2 als Kraftstoff: KI entdeckt, was Chemiker übersehen haben erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.

Ein indisch-singapurisches Forscherteam hat mithilfe künstlicher Intelligenz ein chemisches Reaktionsnetzwerk entschlüsselt. Eine präzise Simulation veränderte das Verständnis der CO2-Umwandlung in grünes Methanol und hinterfragt bisheriges Lehrbuchwissen. Diese Erkenntnisse sollen den Weg zu maßgeschneiderten Katalysatoren bei der Entwicklung nachhaltiger Kraftstoffe ebnen.

Wissenschaftler des Indian Institute of Science haben gemeinsam mit Industriepartnern wie dem HPCL Green R&D Centre und der Forschungsagentur A*STAR aus Singapur die Veränderung von Kohlendioxid auf Kupfer-Katalysatoren untersucht. Denn bisherige Computermodelle bildeten diesen chemischen Prozess nur unvollständig ab.

Der Grund dafür liegt darin, dass die quantenmechanischen Berechnungen aller Teilschritte besonders kosten- und rechenintensiv ist. Werden hingegen wichtige Zwischenschritte durch Forscher weggelassen, arbeiten diese bildlich gesprochen mit einer Navigationskarte, auf der entscheidende Abkürzungen fehlen.

Das veraltete Modell lieferte dementsprechend falsche Ergebnisse. Es prognostizierte Ameisensäure statt Methanol als Hauptprodukt und unterschätzte die umgesetzte Reaktionsmenge deutlich. Erst der gezielte Einsatz von maschinellem Lernen brachte einen Durchbruch. Die Wissenschaftler starteten mit einer Datenbank aus 152 Reaktionen und simulierten mithilfe einer KI schließlich ein Netzwerk aus 9.389 Einzelreaktionen sowie 105 Molekülspezies auf der Katalysatoroberfläche. Die Studie lieferte dabei Erkenntnisse, die bisherigem Lehrbuchwissen widersprechen.

CO2-Umwandlung: Riesiges KI-Netzwerk liefert exakte Ergebnisse

Das erweiterte Modell prognostizierte eine etwa 40-fache Steigerung der CO2-Umwandlungsrate im Vergleich zum bisherigen Minimodell. Noch wichtiger dabei ist aber, dass die Vorhersagen mit den experimentellen Beobachtungen aus dem Labor übereinstimmten. Statt Ameisensäure identifizierte das System Methanol und Kohlenmonoxid als tatsächliche Hauptprodukte. Dieser Fortschritt zeigt, dass komplexe chemische Reaktionen nicht einfach am Computer stark vereinfacht werden sollten. Denn so riskieren Forscher völlig falsche Vorhersagen.

Neben den reinen Zahlen stieß das Team auf einen bisher nicht dokumentierten Reaktionsmechanismus. Entgegen bisherigem Lehrbuchwissen kann Wasserstoff als intaktes Molekül direkt auf Reaktionspartner übertragen werden. Shivam Chaturvedi, Co-Autor der Studie, ordnet die Entdeckung:

Die Idee, dass Wasserstoff als intaktes Molekül übertragen werden kann, ohne sich zuerst in Atome aufzuspalten, widerspricht dem, was den meisten von uns beigebracht wurde.

Grüne Kraftstoffe: Besseres Verständnis für die Katalysatorentwicklung

Für die Industrie und den Klimaschutz könnte der neue Ansatz ein enormes Potenzial eröffnen. Denn wenn CO2 effizient in nützliche Chemikalien und Kraftstoffe wie Methanol umgewandelt wird, können wertvolle Ressourcen entstehen. Das wiederum kann Wissenschaftlern dabei helfen, die zugrundeliegenden Prozesse besser zu verstehen und künftig gezielter effektive Katalysatoren zu entwickeln.

Das entwickelte KI-Framework lässt sich potenziell auch auf andere industriell wichtige katalytische Prozesse übertragen. Dazu gehören unter anderem die Wasserstoffherstellung durch Wasserspaltung oder die nachhaltige Stickstoffumwandlung. Zwar bleiben auch weiterhin vollständige quantenmechanische Berechnungen ohne künstliche Intelligenz unbezahlbar. Doch die Fortschritte zeigen, wie die effizientere Herstellung nachhaltiger Chemikalien und Kraftstoffe durch Technologie ein Stück näher rücken kann.

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Bisher sind Zink-Luft-Batterien vor allem als zuverlässige Einwegoption in Hörgeräten bekannt. Einem Forscherteam der TU Darmstadt ist kürzlich ein wichtiger Schritt in der Grundlagenforschung gelungen, der die Entwicklung wiederaufladbarer Batterien dieser Art voranbringt. 

Zink-Luft-Batterien bergen ein großes Potenzial. Denn theoretisch können sie bis zu fünfmal mehr Energie speichern als aktuelle Lithium-Ionen-Akkus. Ein Forscherteam um Professor Jörg J. Schneider am Fachbereich Chemie der TU Darmstadt hat dafür ein neuartiges Katalysatormaterial entwickelt. Die Wissenschaftler publizierten ihre Ergebnisse am 27. September 2026 im Fachjournal Advanced Science.

Hintergrund ist ein neu entwickeltes Verbundmaterial, das als langlebiger Katalysator wirkt und in einem Laborexperiment bereits bis zu 300 Stunden Betriebszeit ermöglichte. Im Zentrum steht ein „atmendes“ Akkusystem, das Sauerstoff aus der Umgebungsluft als aktiven Partner nutzt.

Genau hier lag allerdings über Jahrzehnte ein ungelöstes Problem. Als Einwegbatterien verrichten Zink-Luft-Systeme in Hörgeräten zuverlässig ihren Dienst, doch solche Systeme ließen sich bislang kaum wieder aufladen. Das liegt daran, dass sich die komplizierten chemischen Vorgänge in der Zelle technisch nur schwer beherrschen lassen. Denn beim Laden und Entladen muss der Prozess in beide Richtungen zuverlässig unterstützt werden.

Mineralien und Nanohörner: So arbeitet der Zwei-Wege-Katalysator

Grundlage des neuen Materials sind sogenannte Spinelle, eine in der Natur vorkommende Mineralgruppe. Nanoskalige Nickel-Ferrit-Partikel aus dieser Gruppe kombinierten die Darmstädter mit mikroskopisch feinen Kohlenstoff-Nanohörnern. Winzige Katalysatorteilchen sitzen dabei fest auf dem Kohlenstoffgerüst verankert.

Das fertige Kompositmaterial vereint durch den Einsatz von Stickstoff und Phosphor drei wesentliche Fähigkeiten in sich. Es leitet elektrischen Strom, ist chemisch stabil und aktiviert den Sauerstoff für die Reaktion. Das bedeutet, dass der Katalysator beide Reaktionen unterstützt.

Beim Entladen wird der Luftsauerstoff chemisch umgesetzt, beim Wiederaufladen wird er wieder freigesetzt. Dieser Vorgang geschieht an der sogenannten Dreiphasengrenze. Dabei handelt es sich um einen wichtigen Punkt, an dem fester Katalysator, flüssiger Elektrolyt und gasförmiger Sauerstoff dauerhaft stabil zusammenwirken können.

Hohes Potenzial in der Grundlagenforschung für wiederaufladbare Zink-Luft-Batterien

Die Technologie birgt Potenzial für die Zukunft. Da sie den Sauerstoff aus der Umgebungsluft nutzen, können Zink-Luft-Batterien theoretisch bis zu fünfmal mehr Energie speichern als gängige Lithium-Ionen-Akkus. Hinzu kommt der Umweltaspekt. Denn das neue Katalysatormaterial basiert auf Eisen, Nickel und Kohlenstoff. Es eröffnet damit neue Perspektiven, um die bisherige Wegwerfpraxis bei Zink-Luft-Batterien langfristig hinter sich zu lassen.

Die Arbeit markiert einen wichtigen Schritt in der Grundlagenforschung. Im Experiment ermöglichte der neue Verbundkatalysator bis zu 300 Stunden Betriebszeit. Trotzdem ist noch nicht absehbar, wann wir die Ansätze skaliert in der Praxis sehen werden. Die ersten Fortschritte sind aber getan.

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Der Beitrag Klimaanlage ohne Strom? Forscher nutzen Abwärme zur Kühlung erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.

Ein großer Teil der weltweiten Energie fließt mittlerweile in Heiz- und Kühlsysteme von Räumen oder Geräten. Ein internationales Forscherteam demonstrierte kürzlich eine Alternative zu klassischen Kompressoren und ermöglicht das Kühlen ohne herkömmliche Kältemittel – und sogar ohne Strom. Das neuartige System nutzt Metallfolien, um Abwärme zu einer Kühlung zu machen. 

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat gemeinsam mit der Universität Tsukuba in Japan ein neuartiges Kühlsystem entwickelt. Die Wissenschaftler stellte ein Konzept vor, das die derzeit gängigen Elektromotoren in Klimaanlagen oder Kühlschränken überflüssig machen könnte. Denn anstatt Strom für den Betrieb zu verwenden, nutzt das System Abwärme als Antrieb.

Möglich macht das eine feste Legierung aus Nickel und Titan. Das Team nutzte für seinen Ansatz zwei Metallfolien anstatt gängiger, klimaschädlicher Kältemittel. Eine Folie zieht sich unter Wärme (im Versuchsaufbau: 86 Grad Celsius) zusammen; es entsteht eine mechanische Kraft. Diese Kraft wird genutzt, um die zweite Folie zu dehnen. Die Kristallstruktur verändert sich durch das kontinuierliche Be- und Entlasten, wodurch dem System Energie entzogen wird.

Kühlen ohne klassische Kältemittel und Strom

Genau dieser Vorgang erzeugt am Ende die gewünschte Kälte. Das Kältemittel erreichte dabei eine Temperaturänderung von knapp 13 Grad Celsius. Auf Bauteilebene soll die Temperatur bisher verlässlich um vier Grad Celsius sinken. Doktor Jingyuan Xu, Young Investigator Group Leader des ZEco Thermal Lab am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT, betonte den Kern der Entwicklung:

Die entscheidende Neuerung ist, dass wir zwei komplementäre Funktionen von Formgedächtnislegierungen kombinieren, sodass eine Folie Wärme in mechanische Arbeit umwandelt, während die andere diese Arbeit in Kälte umwandelt.

Für den Ansatz gibt es einige mögliche Einsatzszenarien. Computer-Prozessoren könnten etwa ihre eigene Abwärme nutzen, um sich herunterzukühlen. Auch in Fahrzeugen könnte die Wärme aus dem Antriebsstrang genutzt werden, um die empfindliche Elektronik zu kühlen.

Der lange Weg aus dem Labor in den Alltag

Derzeit steht die Technologie noch am Anfang. Es handelt sich um eine reine Machbarkeitsstudie aus dem Labor. Die bisher erzielte Absenkung der Temperatur um vier Grad Celsius reicht bei weitem noch nicht aus, um in anspruchsvollen Alltagsanwendungen zu bestehen.

Zudem benötigt das System derzeit noch eine recht heiße Quelle von 86 bis 130 Grad Celsius, um verlässlich zu arbeiten. Gefördert von der Carl-Zeiss-Stiftung im Rahmen des CZS-Nexus-Projekts, der Baden-Württemberg-Stiftung sowie der Hector Fellow Academy arbeitet das Forscherteam aber bereits an der Skalierung.

Ein Mechanismus zur Optimierung soll in den verwendeten Folien liegen. Bei der Parallelschaltung mehrerer Folien könnte der Kühlungseffekt etwa deutlich ansteigen. Dann könnten Kühlgeräte eines Tages mit kostenloser Sonnen- oder Abwärme arbeiten und das Stromnetz auf diesem Weg massiv entlasten.

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Klassisches Silizium bekommt ungewöhnliche Konkurrenz aus dem Labor. MIT-Forscher erschufen einen funktionsfähigen Bakterien-Computer, der logische Operationen verarbeiten kann. Diese biobasierten Platinen sollen keine klassischen Chips ersetzen, sondern künftig als autonome Schutzschilde direkt auf Pflanzen in der Landwirtschaft agieren.

Wenn wir eins aus der Natur wissen, dann, dass Mikroorganismen so einiges aushalten können. Mit einem neuen Ansatz eines Forscherteams des Massachusetts Institute of Technology könnten sie bald auch noch Daten verarbeiten. Die Wissenschaftler haben genetisch veränderte Bakterien in echte Rechenbausteine verwandelt. In ihren Ergebnissen beschreiben sie, wie sogenannte Pantoea-agglomerans-Bakterien komplexe logische Operationen ausführen. Anstatt eine einzelne Zelle mit zu vielen Aufgaben zu überfordern, teilt das Team die Arbeit auf mehrere miteinander vernetzte Bakterienkolonien auf. Das Ergebnis ist eine biologische Platine, die nach den gleichen logischen Grundregeln funktioniert wie eine elektronische Leiterplatte.

Das Prinzip funktioniert wie der Versand eines Paketes. Die Forscher platzierten einzelne Bakterienkolonien auf einem Nährboden in Petrischalen. Diese fungierten daraufhin als chemische Schalter. Empfängt eine Station ein Signal, verarbeitet sie die Information und schickt einen neuen molekularen Botenstoff weiter zur nächsten Station. Damit die Signale zielgerichtet fließen, werden die Kolonien in einem Abstand von etwa fünf Millimetern zueinander platziert. Das soll sicherstellen, dass die Informationen nur zur nächstgelegenen Kolonie wandern und so geordnet in eine Richtung fließen.

Brieftauben im Mikromaßstab: So funktionieren die Bakterien-Computer

Insgesamt basiert das System auf genau fünf spezialisierten Stämmen der Bakterienart. Zwei davon übernehmen die Rolle von Transistoren und fungieren so als klassische Schalter. Die übrigen drei Stämme arbeiten als Relaisstationen, die Signale übersetzen und weiterleiten. Zur Steuerung nutzt das Forscherteam spezifische Moleküle. Das Molekül OC-6 schaltet etwa den biologischen Transistor an oder aus. Als Zielmolekül dient OC-12, während das Molekül OHC-14 als finales Ausgangssignal zur nächsten Kolonie wandert. So lassen sich mathematische Logikgatter wie ODER-Verknüpfungen bauen oder Signale wie bei einer Weiche gezielt umleiten.

Der bislang größte biologische Schaltkreis der Forscher soll aus 24 miteinander verschalteten Bakterienkolonien bestehen. Dieses Netzwerk ist laut den Angaben bereits in der Lage, zwei Eingangssignale korrekt miteinander zu addieren. Doch die Rechenleistung unterscheidet sich stark von klassischen Computerchips. Ein einziger Rechenschritt dauert etwa acht Stunden. So eine Verarbeitung ist in klassischen Computersystemen zwar unzureichend. Gehen wir in die Biologie, dann ergibt sich aber ein anderes Bild. Denn natürliche Prozesse wie das Wachstum einer Pflanze laufen ohnehin in stundenlangen Zyklen ab.

Kein Ersatz für Prozessoren, aber perfekt für das Feld

Das bedeutet folglich, dass wir wohl zeitnah keine organischen Laptops in unseren Händen halten. Trotzdem gibt es einen Nutzen für diese langsame Datenverarbeitung. Und zwar auf den Feldern der Landwirtschaft. Das Forscherteam stellt sich vor, die lebenden Schaltkreise als hauchdünne Schutzschicht direkt auf Pflanzenblätter oder Wurzeln aufzutragen. Dort könnten die Bakterien als autonome Wächter agieren, die Dürreperioden oder Schädlingsbefall frühzeitig erkennen.

Denn trifft eine solche Bedrohung ein, berechnen die Mikroorganismen die Lage selbstständig vor Ort. Diese Informationen könnten dann dazu dienen, direkt mit der Produktion eines passenden Abwehrstoffes zu beginnen. Mit ihrem Ansatz umgehen die Forscher auch eine Hürde herkömmlicher biologischer Schaltkreise. Denn häufig ist die die Proteinherstellung überlastet, wenn eine einzelne Zelle zu viele Aufgaben auf einmal ausführen muss.

So könnte dem Bakterien-Computer eine spannende Zukunft bevorstehen und die Verschaltung von Biologie und Logik den Pflanzenschutz grundlegend verändern. Gerade in einer Welt, in der Schädlinge und Dürren aufgrund des Klimawandels eher zur Regel als zur Ausnahme werden.

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Der Beitrag MIT entwickelt essbare Batterie, die sich im Körper wie Brausepulver auflöst erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.

Smarte Sensoren im Körper könnten die Medizin grundlegend verändern. Doch herkömmliche Batterien sind im Verdauungstrakt gefährlich. Ein Forscherteam am MIT hat jetzt eine essbare Batterie aus Papier entwickelt, die nach getaner Arbeit einfach wie Brausepulver zerfällt. 

Ein Forscherteam des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat eine kreative Lösung für ein großes Problem in der Medizin entwickelt. Denn es eröffnen sich immer mehr sinnvolle Einsatzszenarien, in denen sich intelligente Sensoren in den menschlichen Körper einsetzen lassen. Doch gewöhnliche Batterien aus Lithium oder Alkali bergen enorme Risiken, gerade im Verdauungstrakt.

Verschluckte Akkus aus heute weitverbreiteten Verbindungen können giftige Substanzen abgeben, gefährliche Gase freisetzen oder das empfindliche Gewebe verätzen. Um das zu verhindern, stecken Hersteller solche Batterien bisher in dicke Schutzhüllen. Das reduziert zwar das Risiko, ist aber in der Folge für riesige Mengen an umweltschädlichem Elektroschrott verantwortlich.

Essbare Batterie verhält sich wie Brausepulver

Die Basis des neuen Energiespeichers besteht aus klassischem Papier. Dieses beschichten die Wissenschaftler mit den Stoffen Magnesium und Molybdäntrioxid. Das führt dazu, dass das Papier im Verdauungstrakt eine elektrische Spannung erzeugen kann. In ersten Versuchen erreichte diese einen Wert von 1,84 Volt.

Die Ergebnisse, die aus der Erprobung an Schweinen stammen, belegen zusätzlich eine Laufzeit von drei Tagen. In dieser Zeit funkte das Gerät zuverlässig über 1,5 Meter an einen Empfänger. In einem anspruchsvolleren Versuch versorgte die Batterie zudem eine Kapsel zur elektrischen Magenstimulation über 20 Minuten hinweg mit der nötigen Energie.

Das Besondere an dem System ist das Ende der Lebensdauer. Wenn die Arbeit einmal erledigt ist, zersetzt sich die Batterie von selbst. Das ist vergleichbar mit essbarem Brausepulver. Erst liefert es sprudelnde Energie und zersetzt sich dann in Substanzen, die der Körper einfach verarbeiten kann. Dabei hinterlässt die elektrische Stimulation des Gewebes keine nennenswerten Schäden.

Was das konkret für die Zukunft bedeutet

Das Team spricht von diversen möglichen Einsatzszenarien. Durch drahtlose RFID-Chips im Magen ließe sich etwa eine Medikamenteneinnahme komplett schmerzfrei verfolgen. Ärzte wüssten sofort live, ob und wann eine Tablette im Körper ankommt. Zudem könnten Mediziner Patienten mit Magenentleerungsstörungen durch sanfte elektrische Impulse schonend behandeln. Dabei soll kaum Elektroschrott anfallen, da die massiven Gehäuse wegfallen.

Trotzdem gibt es noch einen Haken bei der Nachhaltigkeit. Während sich die eigentliche Batterie auflöst, zersetzen sich elektronische Bauteile (etwa die Leiterplatte) nicht biologisch. Das bedeutet, dass der Körper diese weiterhin auf einem natürlichen Weg ausscheiden muss.

Die Lösung ist bisher nicht bereit für die Praxis. Bislang erprobte das Team die Technologie nur an einer kleinen Anzahl von Versuchstieren. Bevor der erste Einsatz im Menschen möglich ist, benötigt es noch weitere klinische Prüfungen.

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Der Beitrag Wellenkraftwerke bremsen sich aus – dieser Trick holt 98 Prozent heraus erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.

Unsere Ozeane stecken voller Energie, doch in der Praxis bremsen sich Wellenkraftwerke bislang oft gegenseitig aus. Ein internationales Forscherteam hat nun eine vergleichsweise einfache Lösung gefunden, mit der die Energieausbeute auf bis zu 98 Prozent klettert. Der Ansatz könnte aus Meereswellen eine verlässliche Säule der Energiewende machen.

Forschern der Universitäten Augsburg, Adelaide und Melbourne ist ein wichtiger Schritt bei der Erschließung von Ozeanenergie gelungen. In durchgeführten Simulationen demonstrierten sie das Potenzial moderner Wellenkraftwerke. Das Prinzip dahinter nutzt die Auf-und-Ab-Bewegungen unserer Weltmeere, die auf eine im Meeresboden verankerte Boje übertragen werden. Diese wandelt die kinetische Energie dann in elektrischen Strom um. Eine einzelne Boje von der Größe eines kleinen Hauses soll bereits mehrere hundert Haushalte versorgen können.

Doch in der Praxis bremsen sich die Anlagen bisher gegenseitig aus. Wenn Wellen eine Farm aus Bojen durchqueren, verändern sich die Strömungen durch Abschattungs- und Streueffekte teils massiv. Das hat zur Folge, dass an jedem Standort der Anlage völlig unterschiedliche Bedingungen herrschen. Ohne gezielte Abstimmung nehmen die vorderen Bojen den dahinterliegenden schlicht die Kraft weg.

Das Schaukel-Prinzip: Feintuning für jede einzelne Boje

Die Lösung der Wissenschaftler liegt im gezielten Anpassen einzelner Parameter. Jede Boje benötigt dafür ihre eigene Resonanzfrequenz. Dabei handelt es sich um den exakten Rhythmus, in dem sie auf die Ankunft der Wellen reagiert. Vergleichbar ist das mit einer Schaukel. Denn nur, wenn eine Person im richtigen Moment Schwung holt, kann sie höher schaukeln. Die Forscher sind überzeugt, dass die individuelle Anpassung der Resonanzfrequenz und der Schwergängigkeit des Generators für jede Boje die Energieausbeute des gesamten Parks deutlich erhöhen kann.

Und das soll mit einer besonders hohen Effizienz funktionieren. In den Modellen fängt die vordere Reihe kurze Wellen ab. Die Mitte verarbeitet mittlere Wellenlängen und die hinteren Bojen nutzen die langwelligen Reste. Die Wellen flachen also stufenweise ab, bis am Ende nur ein sanftes Schaukeln der Wasseroberfläche übrigbleibt. In Simulationsmodellen mit zehn Bojenreihen nutzten die Anlagen so bis zu 98 Prozent der ankommenden Wellenenergie. Für eine praxisnahe und kompakte Farm sollen bereits 60 Bojen in sechs Reihen ausreichen.

Selbst wenn die Wellen schräg auf den Park treffen, liegt laut den Forschern die durchschnittliche Energieabsorption noch bei über 90 Prozent. Denn die Strategie deckt schwankende Wellenrichtungen und unterschiedliche Frequenzen problemlos ab.

Keine Dunkelflaute: Dauerstrom durch die Wellenkraftwerke

Wellenkraftwerke bergen einen entscheidenden Vorteil. Sie liefern im Gegensatz zu Solar- und Windenergie mehr oder weniger rund um die Uhr verlässlich Energie. Es existiert keine Dunkelflaute. Zudem werden typische Anlagen aus 50 bis 100 Bojen im Schachbrettmuster angeordnet. Das bündelt die Infrastruktur und senkt die Kosten für den Stromtransport zum Festland.

Höhere Erträge lassen sich somit allein durch ein intelligentes Feintuning der Steuerungsparameter erzielen. Eine bauliche Umrüstung ist nicht notwendig. Dennoch bleibt der Weg in die Praxis offen. Denn die Anschaffung und Installation der massiven Meeres-Hardware erfordert hohe Investitionen. Zudem müssen sich die Ozean-Generatoren im harten wirtschaftlichen Wettbewerb gegen bereits etablierte Wind- und Solarparks behaupten. Doch die Simulationen belegen, dass mit der richtigen Software Meeresenergie vom Hoffnungsträger zur verlässlichen Säule der Energiewende werden kann.

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Acht Gigatonnen Plastikmüll belasten unsere Umwelt in Ozeanen und Städten, während weltweit bezahlbarer Wohnraum fehlt. Ein Forscherteam des Massachusetts Institute of Technology (MIT) will beide Krisen gleichzeitig lösen und hat ein KI-Konzept entwickelt, um stabile Häuser aus Plastikmüll zu drucken.

Ein Forscherteam des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat einen neuen Ansatz zur Lösung von zwei drängenden Problemen präsentiert. Das Spin-off Atlas Building Composites nutzt geschredderte Kunststoffabfälle als elementaren Rohstoff für tragende Bauteile. Die beiden Gründer A. J. Perez und Matt Pouliot wollen mit der Initiative „MIT HAUS“ die Bauwirtschaft in eine neue Richtung lenken, indem sie innerhalb von 30 Jahren eine Milliarde Häuser bauen.

Der geschredderte Einweg-Plastikmüll stammt etwa aus alten Wasserflaschen. Dieser wird eingeschmolzen und mit Glasfasern vermischt, die für zusätzliche Stabilität sorgen sollen. Das Gemisch soll traditionelles Holz bei der Belastbarkeit übertreffen. Ein einzelner gedruckter Träger hält einer Last von etwa 1.800 Kilogramm stand. Gleichzeitig benötigt die Herstellung lediglich etwa 13 Minuten. Möglich macht das eine KI-gestützte Roboterplattform.

Gedruckter Verbundstoff statt klimaschädlichem Beton ermöglicht Häuser aus Plastikmüll

Geht es um die Auswirkungen auf die Umwelt, müsste sich beim Bau von einer Milliarde Häuser die derzeitige Betonproduktion verdoppeln. Gleichzeitig benötigt es eine nicht unerhebliche Menge an Holz aus Forstwirtschaften. Durch die Nutzung des recycelten Kunststoffs möchten die Gründer eine zusätzliche Abholzung und Emissionen verhindern. Zudem unterstreichen sie, dass ihr Verfahren ohne den Einsatz von Wasser funktioniert. Das soll bürokratische Hürden reduzieren und einen Aufbau an Orten ermöglichen, an denen Wasser knapp ist.

Ein weiterer Vorteil soll in der Langlebigkeit liegen. Durch den Einbau in Gebäuden würde der Müll laut den Angaben für Jahrzehnte sicher eingeschlossen sein. Anstatt Plastik immer wieder zu recyceln, bis es verbrannt wird, ließe sich das globale Müllproblem einfach verbauen. In der Praxis baute das Team etwa bereits Fundamente, Terrassen und Scheunen. Auch eine zwölf Meter lange Brücke für das U.S. Army Corps of Engineers ist bereits im Einsatz. Der Aufbau im Feuchtgebiet von Massachusetts dauerte dabei weniger als einen Tag.

Dezentrale Mini-Fabriken schlagen globale Transportwege

Statt auf riesige Fabriken setzt das Konzept auf dezentrale Einheiten. Der sogenannte Atlas Factory Stack soll die Einrichtung von lokalen Fabriken nahe den jeweiligen Bauorten ermöglichen. Im Labor erreichte das System bereits einen Durchsatz von etwa 27 bis 36 Kilogramm pro Stunde. Kommerzielle Einheiten sollen hingegen 68 bis 91 Kilogramm pro Stunde schaffen. In der Praxis bedeutet das, dass eine Fertigungszelle täglich die tragenden Komponenten für ein kleines Wohnhaus herstellen soll.

Künstliche Intelligenz dient dabei als wichtige Steuerzentrale. Sie fertigt etwa Teile in einer Reihenfolge, durch die sie optimal und platzsparend gelagert werden können. Um das Modell weltweit zu skalieren, befinden sich die Gründer in Gesprächen mit internationalen Franchise-Partnern. Ziel ist es, Tausende der KI-gesteuerten Roboter-Produktionssysteme weltweit einzusetzen. So könnte eine vielversprechende Methode entstehen, um den weltweiten Wohnungsmangel zu reduzieren und gleichzeitig Millionen Tonnen an Müll einzusparen.

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Der Beitrag Gedanken werden zu Bildern: Diese KI macht sichtbar, was wir sehen erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.

Ein Teller Essen, ein Skifahrer oder ein Leuchtturm: Was das menschliche Auge erfasst, hinterlässt im Gehirn ein eindeutiges Muster. Ein Forscherteam hat nun ein System entwickelt, das diese Gedanken innerhalb weniger Sekunden in Bilder übersetzt. Dank einer smarten KI-Architektur geschieht diese Rekonstruktion fast synchron zum eigentlichen Sehvorgang. Damit soll die Schnittstelle zwischen Gehirn und Computer eine neue Geschwindigkeitsstufe erreichen.

Einen Blick auf ein Objekt zu werfen, klingt nach einem routinierten Vorgang. In der Sehrinde des Gehirns entsteht dabei jedoch im Bruchteil einer Sekunde ein hochkomplexer neuronaler Fingerabdruck. Ein Forscherteam der Princeton University unter Leitung von Professor Ken Norman hat nun einen Weg gefunden, dieses Signal direkt auszulesen und optisch nachzubilden.

Anstatt Minuten auf ein Ergebnis zu warten, liefert das System die visuellen Entwürfe nahezu in Echtzeit. Und das bei einer besonders hohen Präzision. Zwar erzeugt es keine fotorealistische Kopie des Originalbildes, aber Kernmotive, Farbstimmungen und räumliche Anordnungen stimmen fast exakt überein. Da herkömmliche Modelle mit hunderten Millionen Parametern zu langsam sind, greift das System auf eine stark verschlankte Version der KI-Architektur MindEye2 zurück.

So übersetzt die KI MindEye2 Gedanken in Bilder

Das Messverfahren basiert auf der funktionellen Magnetresonanztomografie (fMRT). Diese misst Gehirnaktivitäten allerdings nicht direkt an den Nervenzellen, sondern erfasst Veränderungen der Sauerstoffversorgung im Blut. Die Konsequenz daraus ist, dass das empfangene Signal standardmäßig etwas verrauscht ist. Dies lässt sich mit einer Tonaufnahme mit lauten Hintergrundgeräuschen vergleichen.

Hier kommt das KI-Modell MindEye2 ins Spiel. Die Software-Architektur ist mit einer cloudbasierten Datenverarbeitung gekoppelt und agiert wie ein digitaler Dolmetscher. Sie soll das Rauschen herausfiltern und den Forschern zeitaufwendige Nachbearbeitungen ersparen. Das Verfahren bildet damit die Grundlage für Experimente mit einer direkten Rückmeldung. Die Aktivität wird dabei live gespiegelt.

Der Ansatz markiert einen spürbaren Übergang in der Neurowissenschaft. War die Rekonstruktion visueller Eindrücke bisher ein mühsamer Prozess im Labor, soll die Auswertung jetzt mit dem menschlichen Sehen Schritt halten können.

Chancen für die Medizin und klare Grenzen im Alltag

Für die Forschung eröffnen sich dadurch neue Horizonte. Das Werkzeug könnte etwa dabei helfen, Wahrnehmungsstörungen, menschliche Aufmerksamkeitsspannen oder komplexe psychische Erkrankungen besser zu verstehen. Doch die Technologie fügt sich auch in eine Reihe von Entwicklungen ein, die innere Prozesse sichtbar machen. Das ist vergleichbar mit Systemen, die Gehirnströme direkt in Sprache umwandeln.

Von einer praxistauglichen Anwendung im Alltag ist das Verfahren trotzdem noch weit entfernt. Die Untersuchung erfordert tonnenschwere, teure MRT-Geräte und funktioniert ausschließlich unter strengen Laborbedingungen. Aber auch inhaltlich gibt es Entwarnung. Denn ein heimliches Auslesen von Gedanken aus der Ferne bleibt technisch unmöglich.

Das Verfahren erfordert zudem stets die aktive Mitwirkung der Person. Wer also befürchtet, dass die KI unbemerkt im Kopf mitliest, kann beruhigt sein. Die Technologie bleibt vorerst ein hochspezialisiertes Werkzeug für die Wissenschaft.

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Ganz ohne Elektrizität und teure Nebenkosten die eigenen vier Wände im Hochsommer angenehm kühl halten? Eine neuartige Methode zur Kühlung ohne Strom verspricht genau das, indem sie Wärme als unsichtbare Infrarotstrahlung direkt in das eiskalte Weltall ableiten soll. 

Im Rahmen der globalen Energiewende geht es nicht nur darum, wie Strom umweltfreundlich produziert wird, sondern auch darum, wie er im Alltag eingespart werden kann. Massive Energiefresser sind etwa herkömmliche Klimaanlagen. Ein Forscherteam des Instituto de Micro y Nanotecnología hat nun eine vielversprechende Alternative demonstriert. Die sogenannte passive tageszeitliche Strahlungskühlung: Passive Daytime Radiative Cooling (PDRC).

Das Prinzip basiert auf zwei einfachen Mechanismen, bei denen ein neues nanostrukturiertes Polymer einerseits Sonnenlicht reflektiert und andererseits Hitze in den Weltraum ableitet. Es macht sich dabei eine gewisse Eigenschaft zunutze. Denn unsere Erdatmosphäre hat für Infrarotwellen in einem bestimmten Bereich (dem atmosphärischen Fenster von acht bis 13 Mikrometern) eine Art „offenes Fenster“. Die vom Material abgegebene Wärme bleibt also nicht in der Atmosphäre hängen, sondern entweicht durch dieses Fenster direkt in den eiskalten Weltraum.

Mikroskopische Schwämme und UV-Licht: So wird Kunststoff zum Hitzeschild

Um diesen Effekt in der Praxis optimal zu nutzen, setzen die Forscher auf einen speziellen Kunststoff namens Polyvinylidenfluorid (PVDF). Damit dieser Kunststoff seine Kühlwirkung entfalten kann, wird er flüssig in eine mikroskopisch kleine, dreidimensionale Schablone aus anodischem Aluminiumoxid (3D-AAO) gegossen.

Die Schablone ist wie ein winziger Schwamm mit unzähligen Nanoporen. Das Team untersuchte drei verschiedene Abkühlungsmethoden für den Kunststoff: natürlich, schnell und ultraschnell. Dadurch wollten sie dessen Struktur und optische Eigenschaften auf die Kühlungsaufgabe einstellen.

Die ultraschnelle Kühlung lieferte laut den Angaben für das freistehende Material die besten Resultate. Zusätzlich wendeten die Wissenschaftler einen weiteren Trick an. Sie behandelten das Material mit UV-Licht. Dieser Schritt löste eine sogenannte Fotooxidation aus. Das bedeutet, dass der Kunststoff ausbleicht und noch weißer wird. Durch dieses „Weißen“ reflektiere das Material die Sonneneinstrahlung noch effektiver.

Die Messungen der Studie zeigen folgende Zahlen. Das optimierte PVDF-Material reflektierte durchschnittlich 82,4 Prozent der Sonnenstrahlung (im Bereich von 0,32 bis 2,5 Mikrometern). Gleichzeitig gab es 96,7 Prozent seiner Wärme als Infrarotstrahlung ab. Daraus ergibt sich bei einer Sonneneinstrahlung von 1000 Watt pro Quadratmeter eine enorme theoretische Kühlleistung von 182,3 Watt pro Quadratmeter.

Ein Test unter freiem Himmel liefert den Beweis für die Kühlung ohne Strom

In einem realen Outdoor-Test bei starker Sonneneinstrahlung (in der Spitze 962 Watt pro Quadratmeter) soll dieser Ansatz eine tatsächliche Temperaturreduktion von 12,9 Grad Celsius im Vergleich zu einer leeren Referenzbox erreicht haben. Das ist ein Kühleffekt, für den wir normalerweise eine klassische, strombetriebene Anlage auf Hochtouren laufen lassen müssten.

Die Forscher kommen in ihrer Arbeit zu dem Schluss, dass sie mit diesem Verfahren eine skalierbare Strategie zur Herstellung dreidimensionaler Polymer-Nanostrukturen entwickelt haben. Das bedeutet, dass sich dieser Prozess potenziell für größere Bauvorhaben nutzen lässt. Künftig könnten solche hochleistungsfähigen strahlungskühlenden Materialien in energieeffizienten Gebäudetechnologien zum Einsatz kommen, um Häuser an heißen Sommertagen vollkommen passiv und klimafreundlich zu kühlen.

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Der Beitrag Gallium aus Abwasser: Firma aus Dresden fischt Rohstoffe aus dem Abfluss erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.

Die Chipindustrie benötigt seltene Metalle. Bislang landen viele dieser wertvollen Rohstoffe ungenutzt im industriellen Abwasser. Das Dresdner Start-up Siderogain will das mit einer biologischen Fangmethode ändern und etwa Gallium aus dem Abwasser retten.

Das Dresdner Start-up Siderogain verwandelt industrielles Abwasser in eine wertvolle Rohstoffquelle. Die Ausgründung des Helmholtz-Instituts Freiberg für Ressourcentechnologie nutzt biologische Fängermoleküle, um kritische Technologiemetalle aus Prozessabwässern zu filtern.

Denn in der Halbleiterfertigung fallen täglich Unmengen an Wasser mit geringen Spuren von Gallium, Indium oder Germanium an. Doch ohne diese Metalle läuft in modernen Smartphones, Solarzellen oder Displays schlichtweg gar nichts.

Zusammen mit dem Halbleiterhersteller Freiberger Compound Materials testet das Gründerteam die Technologie bereits im Praxisbetrieb. In einer ersten Pilotanlage sollen täglich 2.000 Liter Prozessabwasser durch das System fließen. Aus Abfall könnten so wieder nutzbare Ressourcen für die europäische Produktion.

Winzige Molekül-Greifarme holen Gallium aus Abwasser

Das Geheimnis hinter der biologischen Filterung sind sogenannte Siderophore. Dabei handelt es sich um natürliche Moleküle, die sich im Abwasser wie winzige Magneten verhalten und gezielt gelöste Metallionen anziehen.

Nach dem Einfangen trennt das System die Metalle den Angaben zufolge wieder sauber von den Trägermolekülen ab. Die gewonnenen Rohstoffe würden dann direkt zurück in die Fertigung wandern. Das Molekül steht im Anschluss für einen weiteren Reinigungskreislauf zur Verfügung.

Selbst nach mehr als zehn Einsatzzyklen sollen die biologischen Reinigungsschwämme ohne Funktionsverlust weiterarbeiten. Im Labor gelang es dem Forscherteam bereits, Gallium zu fast 100 Prozent aus Abwasser zu filtern.

Der Weg vom Labor in die Großserie

Für die heimische Industrie kommt der biologische Ansatz wie gerufen. Verstopfte Lieferketten und globale Abhängigkeiten bedrohen inzwischen regelmäßig die Fertigung von verschiedenen technologischen Gütern. Eine funktionierende Kreislaufwirtschaft vor der eigenen Haustür stärkt die europäische Rohstoffsicherheit spürbar. Doch Siderogain muss sich erst noch im Alltag beweisen.

Denn: Der Schritt aus dem Labor in die Werkshalle ist nicht selbstverständlich. Das Forscherteam muss zeigen, dass sich das Verfahren im echten, großindustriellen Maßstab finanziell rechnet. Aktuell arbeiten die Wissenschaftler an einem marktfähigen Prototyp. Erst dann wird sich zeigen, ob die biologischen Metallfänger den Sprung in den Alltag dauerhaft schaffen können.

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Der Beitrag Licht statt Skalpell: Neuer Barcode enttarnt Zombie-Zellen im Körper erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.

Gealterte Zellen richten im menschlichen Körper nach und nach Schäden an. Bislang war es in der Medizin aber kompliziert, diese sogenannten Zombie-Zellen zu identifizieren, ohne sie dabei komplett zu zerstören. Ein internationales Forscherteam hat kürzlich einen Licht-Barcode entwickelt, der diese Zellen schadlos sichtbar macht.

Ein Forscherteam des Massachusetts Institute of Technology (MIT), des Massachusetts General Hospital, der Harvard Medical School, des Broad Institute und des Ragon Institute stellte kürzlich eine neue Messmethode vor. Die dahinter stehende Studie zeigt, wie das Aufspüren von seneszenten Zellen (umgangssprachlich auch Zombie-Zellen genannt) gelingen kann.

Solche Zellen teilen sich wegen Erbgutschäden nicht mehr, verbleiben aber im Organismus und können zu entzündlichen Erkrankungen beitragen. Das Problem dabei ist, dass bisher angewandte Tests die untersuchten Proben bei der Messung vollständig zerstörten.

Hier setzt die neue Messmethode an. Das Team kombiniert die sogenannte Raman-Mikroskopie (ein Verfahren zur Messung von Lichtstreuung im sichtbaren und infraroten Bereich) mit räumlicher RNA-Sequenzierung. Das Ergebnis ist ein biochemischer Fingerabdruck. Dieser funktioniert ähnlich wie ein Barcode an der Supermarktkasse. Denn das Signal verrät alle möglichen Details zu einer Zelle, ohne die Struktur zu schädigen.

Gewebespezifische Signale und rätselhafte Fettspeicher

Bei Versuchen mit Haut- und Lungengewebe von Mäusen (zwei und 26 Monate) traten deutliche Unterschiede hervor. In alten Hautzellen veränderten sich vor allem die Abläufe zur Muskelkontraktion und zum Umbau von Kollagen. Im Lungengewebe älterer Tiere nahm hingegen die Aktivität von Entzündungs- und Immungene stark zu. Eine Entdeckung überraschte dabei die Wissenschaftler. In den gealterten Zellen sammelten sich massenhaft Lipide (Fette) an.

Welche genauen physiologischen Folgen der Anstieg der Fettsynthese hat, ist wissenschaftlich allerdings noch ungeklärt. Klar ist nur, dass Seneszenz zwei Seiten hat. Einerseits fördern die veränderten Stoffwechselprozesse Alterungsleiden wie Arthrose, Typ-2-Diabetes, Muskelschwäche und Krebs. Denn das alternde Immunsystem kann Zombie-Zellen immer schwerer abbauen, sie können also dauerhaft Schaden anrichten. Andererseits spielt der Prozess eine wichtige Rolle bei der Wundheilung und der Entwicklung von Embryos.

Licht-Barcode bisher nicht vollständig einsetzbar

Laut den Ergebnissen könnte ein Ziel der Forschung sein, Schondiagnose im lebenden Organismus zu ermöglichen. Wenn Endoskope künftig krankes Gewebe direkt vor Ort untersuchen, könnten sich Alterskrankheiten viel früher erkennen und gezielt behandeln lassen. Das Team strebt also an, die Experimente bald auf menschlichem Gewebe fortzusetzen.

Doch der Transfer in die Praxis könnte noch etwas auf sich warten lassen. Denn derzeit benötigt die Apparatur noch bis zu 30 Stunden, um eine Gewebeprobe von gerade einmal einem Quadratmillimeter Größe komplett zu durchleuchten. Für Routineuntersuchungen am Menschen ist das zu langsam. Das Forscherteam arbeitet daher bereits an einer schnelleren Variante des Systems, um auch größere Gewebeflächen in akzeptabler Zeit zu scannen.

Der zerstörungsfreie Licht-Barcode bietet damit erstmals die Chance, die Dynamik der Zellalterung ohne Verluste zu erforschen. Ob der Sprung aus dem Labor in die Praxis gelingt, hängt nun vor allem von den Ergebnissen der nächsten Studien und der Weiterentwicklung der Technologie ab.

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Der Beitrag Deutsche Forscher machen Akkus dicker – und holen 15 Prozent mehr raus erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.

Ein deutsches Forscherteam hat ein neues Zellkonzept für Akkus ohne PFAS präsentiert. Durch vierfach dickere Elektroden stieg die Kapazität um bis zu 15 Prozent, während man komplett auf giftige Ewigkeits-Chemikalien verzichten konnte. Das spart Produktionskosten, verringert den Energiebedarf im laufenden Betrieb und eröffnet neue Chancen für den Mittelstand. Doch kann sich dieTechnologie auch in der Praxis durchsetzen?

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat zusammen mit Partnern ein neues Zellkonzept für Energiespeicher entwickelt. Dahinter steckt die Idee, die eigentliche Speicherschicht zu vervierfachen, anstatt mehrere dünne Schichten aufeinanderzustapeln. Das soll überflüssiges Gewicht einsparen und zusätzlichen Platz für weiteres Speichermaterial im Gehäuse freigeben.

In bisherigen Ansätzen bremsten sogenannte Stromableiter das mögliche Potenzial der Akkus. Diese verbauen Hersteller normalerweise im Wechsel mit der Elektrodenbeschichtung. Durch das neue System steigt die Dicke der Elektrodenbeschichtung von bisher 100 bis 200 Mikrometern auf bis zu 800 Mikrometer. Ein Großteil der Stromableiter fällt dadurch weg. Im Endergebnis soll die Kapazität um etwa zehn bis 15 Prozent bei gleichbleibendem Gesamtgewicht steigen.

Akku ohne PFAS lässt sich auf verschiedene Technologien anwenden

Der Ansatz punktet nicht nur beim Gewicht, sondern auch bei der Chemie. Bei der Herstellung verzichtete das Team komplett auf PFAS (per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen). Diese sind auch als Ewigkeits-Chemikalien bekannt. Die Forscher kamen zudem ohne giftige Lösungsmittel aus. Das Konzept funktioniert bei der klassischen Lithium-Ionen-Technologie ebenso wie bei Zink-Ionen- oder Natrium-Ionen-Akkus. Beim Projekt VORAN läuft die Forschung an Natrium-Speichern noch bis Juni 2027.

Die neue Vorgehensweise birgt einige Kostenersparnisse. Da die aufwendige Nassbeschichtung entfällt, können die Fertigungsmaschinen einfacher aufgebaut werden. Das reduziert nicht nur die Investitionskosten beim Anlagenbau, sondern auch den Energiebedarf im laufenden Betrieb.

Dadurch könnte eine Chance für den Mittelstand entstehen. Die niedrigeren Hürden sollen den Aufbau einer eigenen Zellfertigung in Deutschland finanziell machbar gestalten. Für Industriepartner wie Hechinger, bei denen die E-Mobilität bereits über 30 Prozent des Umsatzes ausmacht, eröffnet dies neue Perspektiven.

Puffer für die Energiewende mit offenem Praxistest

Für die Zukunft könnte das bedeuten, dass sich die Akkus als stationäre Großspeicher eignen könnten, um Stromschwankungen von Wind- und Solaranlagen in den Morgen- und Abendstunden abzufangen. Gefördert wird das Vorhaben vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, dem Bundesministerium für Bildung und Forschung sowie dem Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg.

Doch noch ist der Erfolg nicht garantiert. Ob sich die Fertigung im großen Maßstab wirtschaftlich rechnet und dauerhaft verlässlich bleibt, müssen erst die nächsten Skalierungsschritte zeigen. Zudem liegt es an der Bundesrepublik, schnell eigene Produktionskapazitäten aufzubauen. Denn ansonsten droht eine weitere Abhängigkeit von ausländischen Anbietern.

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Der Beitrag Rohstoff-Scanner: Dieses Tool zeigt, was in unseren Häusern steckt erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.

Wie viel Beton steckt im Wohnblock und wie viel Holz im Nachbarhaus? Ein Forscherteam der TU Graz macht verbaute Rohstoffe per Klick sichtbar. Der neue Urban Mining Screener analysiert freie 3D-Geodaten, verwandelt graue Gebäude in transparente Daten und soll den Weg für eine nachhaltige Bauwende ebnen. 

Ein Blick auf eine Straßenkarte reicht meistens nicht aus, um den ökologischen Einfluss eines Straßenzugs zu verstehen. Doch genau hier setzt ein neues System der Technischen Universität Graz und des Projektpartners Revitalyze an. Über die einfache Eingabe einer Adresse ermittelt ein entwickelter Algorithmus auf Basis freier 3D-Geodaten aus OpenStreetMap, auf welchen Baustoffen ein Gebäude basiert.

Das Tool nutzt Grundflächen, Umfang und Gebäudehöhen als Basis und verwandelt so leblosen grauen Beton in eine wichtige Informationsquelle. Hinter dem Projekt steckt eine Datenbank mit 154 Gebäude-Archetypen. Diese beinhaltet Informationen über Baujahr, typische Baumaterialien und Energieklassen.

Zusätzlich soll das System auf Informationen zu nachträglichen Umbaumaßnahmen zugreifen können. Ergebnis ist so etwas wie ein digitaler Röntgenblick, der verbaute Ressourcen sichtbar macht. Laut dem Projektteam soll dieser die Erhebung von Daten beschleunigen und zeitaufwendige Begehungen vor Ort überflüssig machen.

Urban Mining Screener liefert präzise Rohstoffströme für die Bauwende

Erste Ergebnisse zeigen die hohe Genauigkeit der Software bei mineralischen Baustoffen wie Beton oder Ziegeln. Das könnte dahingehend ein wichtiger Schritt sein, da es bei Umbau- und Abrissarbeiten planbarer wird, welche Materialmengen anfallen werden. Der neue Ansatz soll also verlässliche Prognosen liefern. Projektleiter Matthias Lang-Raudaschl betont den praktischen Nutzen der Technologie:

Das Wissen um vorhandene Ressourcen, die in Gebäuden verbaut sind, ist sehr wertvoll. Mit der Information über zukünftig verfügbare Materialien in einer Region können etwa Rückbauunternehmen ihre Aufwände und die Logistik besser kalkulieren, Baustoffhersteller die Produktion von Recyclingbeton besser planen und Bauträger Teile wie Holzträger oder Fenster wiederverwenden.

Der Hebel liege vor allem in der direkten Wiederverwendung. Wenn durch Arbeiten alte Balken oder Fenster überflüssig werden, können diese gezielt in anderen Projekten zum Einsatz kommen. Das könnte nicht nur Kosten sparen, sondern soll auch Emissionen im großen Stil senken. Baustoffhersteller würden zusätzlich profitieren, da sie die Herstellung von Rohstoffen kostengünstig an den lokalen Bedarf anpassen könnten.

Wo der digitale Röntgenblick noch an seine Grenzen stößt

Perfekt ist das System noch nicht. Denn gerade bei komplexen Bauteilen gerät der Algorithmus noch ins Straucheln. Kunststoffe oder komplexe Metallkonstruktionen wie Handläufe sind in den Archetypen bisher noch gar nicht abgebildet. Die Genauigkeit reicht somit für einen lückenlosen Bericht nicht aus. Weitere Feinanpassungen sollen das künftig ändern.

Auf Stadt- und Regionalebene soll die Anwendung ihre Stärken aber bereits jetzt schon zeigen. Vorerst ist das System für Österreich konzipiert und für jeden Interessierten frei zugänglich. Die Programmdateien liegen dazu öffentlich auf der Plattform GitHub bereit.

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Eine US-amerikanische Organisation will eine Raumsonde zu unserem nächstgelegenen Sternensystem Alpha Centauri schicken. Die Reise soll rund 80.000 Jahre dauern. Doch das Budget ist mit weniger als 15 Millionen US-Dollar überraschend klein. Statt auf unbezahlbare Wunder-Antriebe zu warten, setzt das Projekt auf bewährte Technik und KI. 

Die US-amerikanische Non-Profit-Organisation „The Fermi Explorer Mission“ plant den ersten interstellaren Flug der Menschheit. Noch vor 2030 soll eine kleine Sonde in Richtung Alpha Centauri starten. Das Ziel liegt vier Lichtjahre entfernt. Heißt konkret: Das Raumfahrzeug würde rund 80.000 Jahre brauchen, um die Strecke zu 99 Prozent zurückzulegen. Hinter dem Vorhaben steckt keinesfalls ein unbezahlbares Megaprojekt. Das zeigt das vergleichsweise geringe Budget von unter 15 Millionen US-Dollar.

Zum Vergleich: Kommerzielle Satelliten sind häufig um ein Vielfaches teurer. Laut den Angaben deckt das Budget die Entwicklung, den Bau, den Raketenstart und den kompletten Betrieb ab. Die Nutzlast fällt eher klein aus. Die Sonde soll gerade einmal ein Kilogramm mit einer Länge, Breite und Höhe von jeweils zehn Zentimetern mitführen können.

Low-Budget-Technik statt Science-Fiction soll Sonde nach Alpha Centauri bringen

Doch wie kann das technisch funktionieren? Das Forscherteam verzichtet bewusst auf ungetestete und visionäre Antriebe. Stattdessen nutzt das Raumfahrzeug quasi einen langlebigen E-Motor für das Weltall. Solche Systeme beschleunigen geladene Teilchen durch elektrische Felder und erzeugen so einen schwachen, aber dauerhaften Vortrieb.

Für die optimale Flugroute soll eine Künstliche Intelligenz verantwortlich sein. Das Partner-Labor Physical Super Intelligence (PSI) hat dazu ein spezielles Schwung-Manöver berechnet: die sogenannte „Perihelion Pump“. Den Angaben zufolge holt die Sonde dafür am sonnennächsten Punkt ihrer Umlaufbahn Schwung, um maximale Geschwindigkeit aufzunehmen. Philip Johnston, Mitgründer und Präsident der Organisation, dazu:

Keiner von uns wird noch hier sein, wenn diese Reise endet, und genau das ist der Punkt. Es geht darum, den ersten erreichbaren Schritt zu machen und zukünftige Generationen dazu zu inspirieren, die Grenzen, die wir geerbt haben, weiter zu verschieben.

Aber das System soll nicht nur die Wissenschaft ins All bringen, sondern dient als fliegende Zeitkapsel. Neben Instrumenten reisen eine Kopie der berühmten „Golden Record“-Datenplatte und Botschaften von Kindern mit. Das Zeitfenster für Einreichungen wissenschaftlicher und künstlerischer Inhalte beträgt drei Monate.

Open Source für Schulen und das Risiko des Überholtwerdens

Das Projekt setzt durchgehend auf quelloffene Daten. Sprich: Sämtliche Forschungsdaten, Simulationswerkzeuge und Flugbahnen sollen der Öffentlichkeit frei zur Verfügung stehen. Schüler und Studenten weltweit können dadurch etwa die Flugbahnen im Unterricht live analysieren und mitrechnen. Das soll der Bildungslandschaft ganz neue Möglichkeiten eröffnen.

Doch das Vorhaben birgt auch einige Risiken. Eine Reisezeit von 80.000 Jahren übersteigt die bisherige Zivilisationsgeschichte bei Weitem. Zudem droht ein bekanntes Paradoxon. Denn spätere, technisch weit überlegene Raumschiffe könnten die Sonde auf ihrem Weg nach Alpha Centauri wie ein Expresszug überholen.

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Wer seine Elektroauto-Batterie schnell laden will, riskiert bisher Defekte aufgrund von Ablagerungen. Forscher haben nun aber ein neues Material vorgestellt, das Akkus schonen und langfristig stabil halten soll.

Die Elektromobilität könnte zeitnah weiterhin große Fortschritte machen. Denn ein Forscherteam der südkoreanischen Universität SEOULTECH hat unter der Leitung von Professor Dongwook Han einen neuen Ansatz entwickelt, um Batterien noch schneller aufzuladen. Die Ergebnisse wurden im Fachmagazin Advanced Functional Materials veröffentlicht.

Die Arbeit adressiert ein großes Problem aktueller Lithium-Ionen-Akkus. Denn werden diese schnell geladen, nutzt das die Batterie schneller ab und es kann zu gefährlichen Ablagerungen sowie zur Überhitzung kommen. Dem wollen die Forscher durch ein neues, stabileres Material für die Anode auf Basis von Lithium-Titan-Phosphat zuvorkommen.

Chemische Verbindungen lassen Batterie sicher und stabil schnellladen

Durch die gezielte Veränderung der chemischen Verbindungen (mehr Phosphor, weniger Titan) bilden sich laut den Angaben verschiedene Zonen. Diese würden wie eine Art Express-Eingangstor wirken, sodass die Lithium-Ionen beim Laden viel schneller mit weniger Widerstand durchdringen können. Durch diesen neuartigen Ansatz eröffnen sich laut Professor Dongwook Han viele Möglichkeiten:

Unser Ansatz stellt ein neues Paradigma für die Entwicklung schnellladbarer Batterien dar und ist auf eine breite Palette zukünftiger Energiespeichersysteme anwendbar, einschließlich Feststoffbatterien.

Innerhalb des entstandenen Gerüsts sorgen bestimmte Bindungen (P-O-P-Bindungen) von Natur aus für strukturelle Flexibilität. Diese wirkt wie ein Stoßdämpfer und verhindert, dass die Batterie beim schnellen Ausdehnen während der Ladung Schaden nimmt. Beim extremen Schnellladen (10C-Rate) behielt der Akku noch 86 Prozent der ursprünglichen Speicherkapazität.

Einsatz in Elektroautos und Energienetzen möglich

Laut den Forschern soll selbst nach 250 regulären Lade- und Entladevorgängen kein großer Defekt aufgetreten sein. Damit sei die Batterie ideal für den Einsatz in Elektrofahrzeugen oder aber auch für Stromnetze auf Basis erneuerbarer Energien geeignet. Außerdem soll sich der Ansatz auch auf künftige Batterien (wie etwa Feststoffbatterien) übertragen lassen.

Das Team entwickelt also einen Weg, um dem relativ hohen Verschleiß heutiger Systeme zu begegnen. Denn in der Breite eingesetzte Ansätze zeigen beim Schnellladen häufig eine chemische Instabilität. Im Resultat lagert sich Lithium ab und die Batterie kann leichter entflammen. Sollte die neue Technologie halten, was sie verspricht, könnte sie einen großen Mehrwert für fast jeden Batterie-Nutzer bringen.

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