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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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Der Beitrag Batterie aus Hörgeräten könnte plötzlich Lithium-Akkus Konkurrenz machen erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.

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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Kostenlose Erdwärme liegt direkt unter unseren Füßen, doch der Zugang war bislang teuer und aufwendig. Ein erfolgreicher Praxistest zeigt nun, wie ein einfaches Vakuum-Bohrloch die klassische Tiefengeothermie verändern könnte. Das neue System funktioniert wie eine große Thermoskanne im Erdreich und bringt heißes Wasser direkt an die Oberfläche.

Erneuerbare Wärme kommt nicht nur von der Sonne, sondern existiert auch tief unter unseren Füßen. Doch der Zugang zu dieser Quelle war bislang sehr aufwendig. Am Forschungsstandort Groß Schönebeck nördlich von Berlin demonstriert ein Praxistest der dänischen Green Therma A/S und des GFZ Helmholtz-Zentrums für Geoforschung einen neuen Ansatz für tiefe Geothermie. Ziel der Entwickler ist es, Energie aus mehr als 3.000 Metern Tiefe zu gewinnen, ohne auf natürliche Grundwasservorkommen angewiesen zu sein.

Denn klassische Tiefengeothermie hat oft ein großes Problem. Sie benötigt sogenanntes Formationswasser. Dabei handelt es sich um tief im Gestein liegendes, natürliches Heißwasser. Fehlen diese unterirdischen Seen, bleibt die Erdwärme ungenutzt. Die geschlossene Zirkulationslösung von Green Therma soll dieses Hindernis komplett umgehen. Das Verfahren nutzt lediglich ein einziges bestehendes Bohrloch und lässt das Wasser in einem geschlossenen Ring kreisen.

Tiefengeothermie: So funktioniert die Vakuum-Bohrung

Das technische Herzstück der Anlage trägt den Namen „DualVac“. Die Funktionsweise erinnert an eine gewöhnliche Thermoskanne. Das System pumpt kaltes Wasser in der äußeren Schicht eines Doppelrohrs drei Kilometer tief in den Boden. In dieser Tiefe herrscht eine Gesteinstemperatur von rund 130 Grad Celsius, die das Wasser stark erhitzt. Anschließend fließt es durch ein innen liegendes Rohr wieder nach oben.

Damit das Wasser auf dem Rückweg keine Wärme an das umliegende Gestein verliert, ist das innere Rohr vakuumisoliert. Im ersten Versuchsaufbau konnte der Ansatz die Projektteilnehmer überzeugen. Das Wasser kam am Bohrlochkopf mit etwa 70 bis 80 Grad Celsius an. Das bedeutet, dass die Temperatur ausreicht, um Fernwärmenetze direkt zu versorgen. Der Einsatz teurer Wärmepumpen an der Oberfläche entfällt vollständig. Gleichzeitig soll der Stromverbrauch für den Betrieb der Zirkulationspumpen äußerst gering sein. Die genaue Temperatur hängt derweil von der Fließgeschwindigkeit ab.

Ein weiterer Vorteil betrifft den Gewässerschutz. Da das Wasser dauerhaft im Rohr verbleibt und keine Flüssigkeit aus dem Erdreich entnommen wird, verändert sich der unterirdische Wasserhaushalt nicht. Das erlaubt eine flexible Standortwahl. Egal, ob direkt am Rande von Großstädten oder in Industriegebieten, wo Wärme dringend gebraucht wird.

Von der Testbohrung nach Dänemark: Potenzial und offene Fragen

Für das 2023 gegründete Unternehmen Green Therma geht es mit dem neuen Ansatz nun in die Praxis. Für ein Fernwärmeprojekt im dänischen Aalborg sicherten sich die Entwickler bereits einen 30-jährigen Wärmeabnahmevertrag. Die eigentlichen Bohrarbeiten sind für Anfang 2027 geplant, um das System für eine verlässliche Grundlastenergie rund um die Uhr vorzubereiten. Jørgen Peter Rasmussen, Gründer und CEO von Green Therma, dazu:

Die Wärme ist bereits da, direkt unter unseren Füßen. Wir müssen diese enorme natürliche Ressource besser nutzen und sie dorthin bringen, wo Menschen und Industrie sie benötigen. Was wir in Groß Schönebeck demonstriert haben, zeigt, dass wir auf tiefe geothermische Wärme zugreifen und sie bei Temperaturen an die Oberfläche bringen können, die direkt und ohne Wärmepumpen genutzt werden können.

Doch noch ist Vorsicht angebracht. Denn bisher fehlen umfassende Daten zur Langzeitleistung, zur Systemstabilität und zum Wärmeentnahmepotenzial unter verschiedenen Betriebsbedingungen. Zudem war die Testbohrung in Groß Schönebeck nur leicht abgeknickt und wies keine lange horizontale Strecke im heißen Gestein auf.

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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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Vom ölverschmierten Laster zum hochkomplexen Computer auf Rädern: Die Nutzfahrzeug-Branche befindet sich derzeit mitten im digitalen Wandel. Branchenriesen wie Bosch, ZF oder Knorr-Bremse kämpfen um die Systemhoheit beim Lkw der Zukunft. Gleichzeitig bringen autonomes Fahren und neue Software-Architekturen weiteren Schwung in die weltweite Logistik.

Schwungräder und ölverschmierte Mechanik gehörten in der Vergangenheit zum Alltag in der Truck-Branche. Doch neue Ansätze verdeutlichen inzwischen, wie stark sich die Nutzfahrzeug-Branche im Wandel befindet. Aus den klassischen Lastwagen werden künftig zunehmend hochkomplexe Computer auf Rädern. Geht es nach den derzeitigen Trends, dann übernimmt ein zentrales digitales Gehirn die Steuerung der gesamten Elektronikarchitektur. Das zwingt etablierte Branchenriesen wie Bosch, ZF, Aumovio und Knorr-Bremse zu einer grundsätzlichen Neuausrichtung.

Vor allem Bosch steckt sich hohe Ziele. Der Zulieferer erzielte im Jahr 2025 einen Gesamtumsatz von rund 91 Milliarden Euro. Davon entfielen etwa 56 Milliarden Euro auf den Unternehmensbereich Mobility. Doch damit nicht genug. Bis Mitte der 2030er-Jahre plant der Konzern, den Umsatz mit Technik für schwere Nutzfahrzeuge von aktuell über vier Milliarden Euro auf mehr als acht Milliarden Euro zu verdoppeln. Dahinter stehen optimistische Zahlen. Denn die weltweite Produktion schwerer Lkw soll von rund 3,3 Millionen Fahrzeugen im Jahr 2026 auf etwa vier Millionen Mitte des nächsten Jahrzehnts klettern.

Software-Macht und der Wandel auf den Straßen

Der Wandel betrifft dabei längst nicht mehr nur die versteckten Steuerungselemente in den Fahrzeugen. Dieses Jahr wird in Europa bereits jeder dritte neu zugelassene batterieelektrische Lkw mit einem Elektromotor und Inverter von Bosch angetrieben. Bis 2030 könnte weltweit sogar jeder vierte und bis 2035 gar jeder zweite neue schwere Lkw mit Batterie oder Brennstoffzelle rollen. Dass der Markt international stark wächst, zeigt auch der Vorstoß von Tesla. Der hauseigene Semi-Truck bietet laut eigenen Angaben bei 40 Tonnen Gesamtgewicht bis zu 550 Kilometer Reichweite. Am Megacharger lädt dieser dann innerhalb von 30 Minuten rund 60 Prozent der Reichweite wieder auf.

Um bei der starken Konkurrenz nicht Marktanteile zu verlieren, wählen die Konzerne teils unterschiedliche Pfade. Bosch sichert sich etwa breiter ab und fokussiert sich auf Technologieoffenheit. Neben Akkus und Brennstoffzellen setzt das Unternehmen auch auf Wasserstoffverbrenner und Euro-7-Diesel. Das soll vorrangig dazu dienen, regionale Tempounterschiede abzufedern. Die Konkurrenz von ZF setzt hingegen auf eine schrittweise Modernisierung bestehender Fahrzeugstrukturen. Das verhindert teure Fehlinvestitionen bei langlebigen Nutzfahrzeugen.

Lkw der Zukunft als Antwort auf den Fahrermangel

Ein großer Treiber hinter den Softwareplänen ist der akute Mangel an Fahrpersonal in der Logistik. Autonomes Fahren nach Level 4 entwickelt sich zur Schlüsseltechnologie, um den stetig wachsenden Güterverkehr künftig überhaupt aufrechterhalten zu können. Damit fahrerlose Lkw sicher über die nationalen und internationalen Autobahnen und Landstraßen rollen können, setzen die Ingenieure auf eingebaute Sicherheitsnetze.

Gleichzeitig verlagert sich die Wertschöpfung immer weiter in den digitalen Raum. Over-the-Air-Updates erlauben es Herstellern, kritische Updates ohne Werkstattbesuche auszuliefern. Eine durch Algorithmen unterstützte, vorausschauende Wartung soll Verschleiß frühzeitig erkennen und so die Gesamtkosten senken.

Doch es gibt auch Probleme. Die globale Fahrzeugproduktion steht in diesem Jahr allgemein unter Druck. Außerdem gibt es je nach Region unterschiedliche Herangehensweisen. In China setzt der Markt etwa bereits immer mehr auf Elektro-Lkw, während in Nordamerika wahrscheinlich der klassische Diesel noch etwas in Mode bleiben wird. Speditionen benötigen also einen Lkw der Zukunft, der sich je nach Region optimal einsetzen lässt.

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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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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 Diese Weltraum-Solarzelle kommt ohne Germanium aus – und spart 40 Prozent Gewicht erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.

Auch die Raumfahrt ist mit weltweiten Engpässen bei kritischen Rohstoffen konfrontiert. Das US-Unternehmen Rocket Lab hat sich diesem Umstand angenommen und liefert mit einer neuen Weltraum-Solarzelle eine mögliche Lösung. Denn diese soll ohne das teure Mineral Germanium auskommen und dadurch nicht nur Kosten reduzieren, sondern auch das Gewicht.

Neben vielen anderen Industrien kämpft auch die Raumfahrtbranche mit Engpässen bei kritischen Rohstoffen. Doch eine potenzielle Lösung kommt jetzt womöglich aus Kalifornien. Denn das Unternehmen Rocket Lab entwickelte mit der Solarzelle IMM Apex einen Ansatz, der ohne das kritische Mineral Germanium auskommen soll.

In den vergangenen drei Jahrzehnten bildete Germanium die Basis für die Energieversorgung im Orbit. Aber die steigenden Materialkosten und immer instabilere Lieferketten zwingen Hersteller zum Umdenken. IMM Apex soll genau an dieser Stelle ansetzen und ein neues Fundament für die Zukunft schaffen.

Weltraum-Solarzelle: 40 Prozent weniger Gewicht für mehr Nutzlast im Orbit

Der Verzicht auf Germanium birgt nicht nur eine Kostenersparnis. Denn die Solarzelle erreicht mit 31,5 Prozent auch einen relativ hohen Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung. Zusätzlich reduziert sich das Gesamtgewicht der Konstruktion um bis zu 40 Prozent. Das bedeutet, dass mehr Kapazität für wissenschaftliche Instrumente zur Verfügung steht.

Raumfahrtunternehmen sollen so ab sofort Zeit und Geld sparen können, ohne ihre eigentlichen Satelliten aufwendig und teuer umzubauen. Als sogenanntes Drop-in Replacement lässt sich das System laut Rocket Lab im mechanischen und elektrischen Sinne eins zu eins austauschen. Vergleichbar sei das mit dem Austausch einer Batterie bei einer Fernbedienung.

Erprobte Technik für die Serienfertigung

Auch das Ausfallrisiko bleibt laut Angaben gering. Denn die technische Basis, die sich bereits seit über zehn Jahren im Orbit bewährt hat, bleibt die gleiche. Diese ermöglichte etwa den Antrieb des Mars-Helikopters Ingenuity der NASA. Zudem sei die Zelle besonders widerstandsfähig gegen die Weltraumstrahlung und starke Temperaturschwankungen. Brad Clevenger, Präsident von Rocket Lab USA, dazu:

IMM Apex bietet eine außergewöhnliche Leistung und bewältigt gleichzeitig reale Herausforderungen wie steigende Materialkosten und Lieferkettenengpässe. Mit IMM Apex erhalten Kunden Zugang zu einem hocheffizienten, leichten und germaniumfreien Produkt, das bewährte Zuverlässigkeit mit schnelleren Produktionszeiten vereint.

Durch gezielte Investitionen will das Unternehmen bereits eine Produktion im Bereich von mehreren hundert Kilowatt erreicht haben. Rocket Lab belieferte bisher mehr als 1.700 Missionen und treibt mit den eigenen Produkten über 1.100 Satelliten an.

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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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Rund 22 Millionen Menschen in Deutschland leben in Mehrfamilienhäusern. Im Gegensatz zu Eigenheim-Besitzern können sie bislang nur bedingt zur Energiewende beitragen. Doch jetzt zeigt ein neues Forschungsprojekt, wie steckerfertige Mini-Batteriespeicher direkt im Wohnzimmer das Stromnetz stabilisieren und gleichzeitig die eigenen Kosten senken könnten.

Ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Stefan Dickmann von der Helmut-Schmidt-Universität in Hamburg entwickelt derzeit eine nachhaltige Energiespeicherlösung für Mehrfamilienhäuser. Das Projekt, hinter dem eine Förderung in Höhe von 13 Millionen Euro aus Bundesmitteln steckt, hört auf den Namen „NaREsys“. Ziel ist es, kleine, steckerfertige Mini-Batteriespeicher mit einer Kapazität von rund zwei Kilowattstunden für jedes Wohnzimmer verfügbar zu machen – und zwar ohne Handwerker oder Umbauten am Gebäude.

Denn das System setzt auf eine verknüpfte Schwarmintelligenz. Dazu soll eine Software die vielen kleinen Energiespeicher im Hintergrund zu einem virtuellen Großspeicher verbinden, der dann für Versorger ansprechbar und steuerbar ist. Das birgt Vorteile für beide Seiten. Denn Mieter sparen Geld durch dynamische Stromtarife, während Netzbetreiber die gebündelte Energie als Rücklagen nutzen können, um Stromspitzen abzufedern.

Ein virtueller Mini-Batteriespeicher für den Alltag

Wie das in der Praxis funktioniert, erprobt das Forscherteam derzeit in einem Labor im sächsischen Borna mit mehr als 100 Speichern unter echten Marktbedingungen. Teilnehmende Energieversorger können die vernetzten Akkus in Echtzeit ansteuern, um ihren Strom flexibel zu günstigen Zeiten an der Börse zu handeln. Diesen Preisvorteil soll dann direkt an die Haushalte weitergegeben werden.

Fällt der Strom einmal aus, können die Geräte wie eine Art Powerbank einspringen. Wichtige Kleingeräte wie Smartphones oder Notfallradios laufen dann problemlos weiter. Gleichzeitig sollen die Systeme auch voll einsatzfähig bleiben, wenn einmal die Verbindung zum großen Netz abbricht.

Hürden bei Paragrafen und IT-Sicherheit

Doch der Weg in den Alltag ist noch nicht geschafft. Das größte Hindernis liegt aktuell in der Gesetzgebung, da die aktuellen Regeln schlichtweg nicht auf solche dezentralen Systeme ausgelegt sind. Das heißt, dass Regeln für verringerte Netzentgelte nach Paragraf 14a des Energiewirtschaftsgesetzes erst ab einer Leistung von 4,2 Kilowatt greifen. Die vorgestellten Speicher fallen daher komplett durchs Raster. Ein Punkt, bei dem der Gesetzgeber noch nachbessern müsste.

Hinzu kommt die Bedrohung durch Cyberkriminalität. Eine Verknüpfung von Tausenden vernetzten Geräten mit dem Stromnetz könnte ein attraktives Ziel für Hacker sein. Um die kritische Infrastruktur zu schützen, setzen die Forscher daher auf sichere Hardware, automatische Notfallerkennung bei Netzwerk-Anomalien und Sicherheitsarchitekturen nach dem Zero-Trust-Prinzip. Das System vertraut also standardmäßig keiner Verbindung.

Das Projekt läuft noch bis Februar 2029. Der Praxistest in Borna soll hingegen schon heute zeigen, dass die Energiewende von vielen kleinen Stromspeichern massiv profitieren könnte.

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Der Beitrag Kein Wind, keine Sonne: Vergessene Mini-Wasserkraftwerke liefern trotzdem Strom erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.

Während viele Nationen über riesige Solar- oder Windparks diskutieren, läuft in Sachsen eine stille Stromwende im Dauerbetrieb. Historische Kleinwasserkraftwerke liefern dort völlig wetterunabhängig und ununterbrochen wichtigen Grundlaststrom. 

In vielen abgelegenen Regionen Deutschlands findet die Stromproduktion in einem kleinen Maßstab statt. Ein Beispiel ist etwa das sächsische Dorf Stein an der Chemnitz, in dem zwei Turbinen zusammen eine Leistung von 400 Kilowatt erzeugen. Das verdeutlicht, dass die Energiewende nicht zwangsläufig riesige Solar- oder Windparks benötigt, sondern auch kleine Wasserkraftwerke einen zuverlässigen Beitrag zum Klimaschutz leisten können.

Denn diese haben einen großen Vorteil gegenüber wetterabhängigen Alternativen. Ein modernes Windrad bringt es zwar auf rund 4.000 Kilowatt und damit auf die zehnfache Leistung. Doch das bringt wenig, wenn der Wind einmal stillsteht. Die kleinen Wasserkraftwerke arbeiten hingegen unermüdlich. Und Stein ist kein Einzelfall, denn über die gesamte Bundesrepublik verstreut gibt es Hunderte weitere solcher Anlagen.

Sächsisches Manchester: Kleinwasserkraftwerke als Erbe der Dauerläufer

Laut Marktstammdatenregister sind aktuell etwa allein in Sachsen 433 Kleinwasserkraftwerke mit einer Gesamtleistung von 95 Megawatt am Netz. Das klingt im ersten Moment nicht unbedingt nach viel, da  alleine die Stadt Leipzig eine höhere Netzleistung benötigt. Doch für die Region machen Kleinwasserkraftwerke einen Unterschied aus. Denn ein durchschnittlicher Haushalt benötigt etwa 300 bis 500 Watt Strom.

Rechnerisch könnten die sächsischen Zwergkraftwerke damit die Grundversorgung vieler Dörfer in der Region sichern. Das Fundament der Versorgung geht bereits bis in die industrielle Vergangenheit der Region zurück. Die Betreiber nutzen oft die über hundert Jahre alten Wehranlagen der ehemaligen Textilzentren im einstigen sächsischen Manchester. Beim Bau betrachteten sie die Versorgung mehrerer Generationen, nicht nur die aktuelle Zeit.

Starthilfekabel für das zusammengebrochene Stromnetz

Doch die historischen Anlagen sind weit mehr als reine Energielieferanten. Sie haben einen entscheidenden Einfluss, wenn das Stromnetz nach einem flächendeckenden Blackout zusammenbrechen sollte. Denn Wasserkraftwerke können ohne externe Energiezufuhr anlaufen. Das funktioniert wie ein Starthilfekabel für das gesamte Netz und ermöglicht im Notfall einen autarken Inselbetrieb für Krankenhäuser, Rettungsstellen und Mobilfunkmasten.

Auch ökologisch punkten Kleinwasserkraftwerke. Nachhaltige Standards wie Fischtreppen ermöglichen etwa einen Betrieb, ohne das Ökosystem zu stören. Trotzdem begrenzen Wassermengen und flache Flussläufe den weiteren Ausbau. Daher können Mikro-Wasserkraftwerke die Energiewende nicht alleine stemmen. Sie können aber eine wichtige Basis für die Netzstabilität bilden.

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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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In europäischen Schubladen verstauben Millionen alte Smartphones, in denen wertvolle Rohstoffe ungenutzt lagern. Angesichts einer steigenden Rohstoffknappheit zwingt der Markt die Elektronikbranche zum Umdenken. Eine neue Untersuchung belegt ein riesiges wirtschaftliches Potenzial. Denn: Ausgediente Technik ist eine nachhaltige Rohstoff- und Einnahmequelle.

Auf der diesjährigen Internationalen Funkausstellung (IFA) präsentierten die Vorstände der Cradle to Cradle NGO zusammen mit der Unternehmensberatung Boston Consulting Group eine gemeinsame Studie. Das Papier mit dem Titel „Materialien, Margen, Regulierung: Der Cradle to Cradle Case für Europas Konsumerelektronikmarkt“ plädiert für eine zirkuläre Kreislaufwirtschaft. Ausgediente Technik soll nicht auf dem Müll landen, sondern als lukratives Rohstofflager dienen.

Bisher wandern alte Endgeräte bei vielen zunächst in irgendwelche Schränke oder Schubladen und fristen dort ein stilles Dasein. Das Prinzip Cradle to Cradle soll das ändern. Die Projektleiter empfehlen, Geräte von Grund auf so zu bauen, dass ihre Materialien nach Gebrauch ohne Qualitätsverlust wieder in die Produktion fließen können. Denn jährlich sollen rund 1,6 Millionen Tonnen an wichtigen Rohstoffen wie Kupfer, Aluminium oder Lithium in europäischen Geräten landen.

Cradle to Cradle: Elektronik verbleibt im ewigen Kreislauf

Vorbild ist die Kreislaufwirtschaft. Es entsteht nahezu kein Abfall, da jeder Bestandteil als Basis für etwas Neues dient. Das soll sich auch rechnen. Denn ein zirkuläres Design schafft neue Gewinnspannen und ökonomische Vorteile für die Hersteller.

Dass der Wandel in der Praxis funktionieren soll, versuchen die Branchenexperten von der GFU und dem Smartphone-Hersteller Shift zu belegen. Im Rahmen einer Mitmach-Aktion rund um Shiftphones zeigte sich, dass ein modulares Design die Reparatur im Alltag einfacher gestaltet. In diesem Fall können Verbraucher die Bauteile tauschen, statt das gesamte Gerät zu entsorgen.

Elektronik verwandelt sich dadurch nach dem Erstverkauf auch in eine dauerhafte Einnahmequelle. Unternehmen schöpfen einen Mehrwert aus Komponenten und Ersatzteilen, die früher eher einen Verlust darstellten. Außerdem landen deutlich weniger Rohstoffe im Abfall. Derzeit fallen jährlich rund 13 Millionen Tonnen Elektroschrott an, die Sammelquote liegt lediglich bei 43 Prozent.

Noch gibt es Hürden in der Wertschöpfungskette

Allein in europäischen Schubladen verstauben dem Vernehmen nach rund 700 Millionen ungenutzte Smartphones. Diese binden geschätzte 50.000 Tonnen strategischen Rohstoff. Hersteller müssen für die Produktion neuer Geräte wiederum viel Geld ausgeben. Zudem treiben Rohstoffimporte, Exportbeschränkungen und der KI-Boom sowohl Beschaffungspreise als auch Endgerätpreise nach oben.

Der GFU-Untersuchung zufolge schlummern in ausgedienten Haushaltsgeräten und alter Unterhaltungselektronik allein in der EU ungenutzte Rohstoffwerte von über 65 Milliarden Euro. Einzelne Smartphones können je nach Gerät, Hersteller und Zustand derweil einen Preis von 15 bis 100 Euro erzielen – vor allem aufgrund der verbauten Rohstoffe.

Es gibt aber nicht nur positive Aspekte. Denn gerade bei der Umstellung der Wertschöpfungskette lauern teils größere Aufwände. Herstellungsverfahren, die auf Einweg basieren und starr auf lineare Strukturen setzen, bremsen derzeit viele Hersteller aus.

Der Druck wächst jedoch von mehreren Seiten. Einerseits zwingt die Rohstoffverknappung zum Handeln, andererseits greifen immer strengere Umweltauflagen. Firmen, die das Kreislaufprinzip ignorieren, riskieren ihre Wettbewerbsfähigkeit. Vielleicht sehen wir also künftig immer häufiger, dass Hersteller auf eine geringere Modellpalette bei breiter verfügbaren Ersatzteilen setzen.

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Der Beitrag Unterwasser-Solarzellen liefern selbst in 10 Metern Tiefe zuverlässig Strom erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.

Solarenergie kennt man bisher primär von Landflächen. Doch einem chinesischen Forscherteam ist kürzlich ein Fortschritt gelungen. Spezielle Unterwasser-Solarzellen produzieren selbst in zehn Metern Tiefe noch zuverlässig Strom. Die Technologie könnte autonome Tauchroboter künftig völlig unabhängig machen und der Meeresforschung neue Horizonte eröffnen.

Ein Forscherteam um Wen-Hua Zhang und Simin Ma von der Universität Yunnan sowie der Southwest United Graduate School demonstrierte kürzlich einen neuen Ansatz. Vor den Weizhou-Inseln versenkten sie spezielle Perowskit-Solarzellen im südchinesischen Meer. Das Ziel: die Produktion von Strom im dunklen Meerwasser. Doch während sich bisherige Studien auf Wassertiefen von zwei Metern oder weniger konzentrierten, produzierten die Module des Teams selbst in zehn Metern Tiefe noch erfolgreich Energie.

Die Ergebnisse aus der Studie lassen auf mehr hoffen. Innerhalb von nur zwei Stunden produzierten die untergetauchten Solarpanels eine Strommenge von 324 Milliwattstunden. Das ist ausreichend, um einen klassischen Lithium-Ionen-Akku aufzuladen. Auch bei der Haltbarkeit soll das System punkten und bis zu 5,5 Jahre im Einsatz sein können.

Unterwasser-Solarzellen aus Perowskit nutzen Lichtspektrum aus

Interessant daran ist, wie das System Energie in einer solchen Tiefe generiert. Möglich machen das die verwendeten Perowskit-Solarzellen, die extra für den Einsatz unter Wasser konzipiert wurden. Die Wissenschaftler nutzten sogenannte breite Bandlücken. Eine Eigenschaft, die es den Solarzellen ermöglicht, das in diesen Tiefen verbleibende blaue bis orangefarbene Licht gezielt zu absorbieren.

Trotzdem war selbst das Forscherteam etwas vom Erfolg überrascht. Wen-Hua Zhang sagt zu den Ergebnissen: „Was uns am meisten überraschte, war, wie viel elektrische Energie unsere großflächigen Module unter realen Bedingungen in zehn Metern Wassertiefe in nur zwei Stunden erzeugten.“

Neue Horizonte für die Meeresforschung – mit klaren Grenzen

Die Technologie soll einen großen Nutzen in der Praxis haben. Sie könnte Tauchroboter, Kameras, Kommunikationsbojen oder Sensoren in maritimen Lebensräumen fernab des Festlandes betreiben. Gleichzeitig soll eine großflächigere und nachhaltige Sammlung von Umweltdaten möglich sein. In Experimenten erreichte das System rund 96 Prozent Resteffizienz nach 300 Tagen Lagerung in einer mit Stickstoffgas gefüllten Handschuhbox.

Auch nach 1.160 Stunden unter simulierten Bedingungen soll die Technologie keinen nennenswerten Leistungsabfall aufgewiesen haben. Trotzdem greifen natürlich weiterhin die Regeln der Physik. Mit jedem Meter Tiefe nimmt die Lichtintensität ab. Das bedeutet auch, dass noch unklar ist, wie sich die Technik in Wassertiefen weit jenseits der zehn Meter verhält.

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Chinesische Autobauer läuten eine neue Generation im E-Auto-Markt ein. Ab 2027 soll der Natrium-Ionen-Akku die Steuerung moderner Niedervolt-Bordnetze übernehmen. Die neue Batterietechnik könnte Kosten sowie Gewicht einsparen und funktioniert selbst bei niedrigen Temperaturen.

Der chinesische Batteriehersteller Xupai will ab dem Jahr 2027 die Elektroautomarke Arcfox aus der BAIC-Gruppe mit neuartigen Natrium-Ionen-Akkus beliefern. Mindestens 200.000 Fahrzeuge sollen laut den Angaben mit der neuen Technik produziert werden. Doch der Akku hat eine Besonderheit: Er treibt nicht die Räder an. Das System übernimmt die Rolle der klassischen Hilfsbatterie im 12-Volt-Bordnetz. Das kann man sich wie einen digitalen Zündschlüssel vorstellen, der Displays, Scheinwerfer und Assistenzsysteme aufweckt, bevor der Hauptantrieb startet.

Eine Analyse zeigt, dass der entscheidende Vorteil beim Preis liegt. Hochrate-Lithium-Akkus für Niedervolt-Anwendungen kosten Autobauern demnach derzeit 0,12 bis 0,20 US-Dollar pro Wattstunde. Natrium-Ionen-Zellen schlagen dagegen mit nur 0,10 US-Dollar pro Wattstunde zu Buche.

Natrium-Ionen-Akku: Robuste Technik ohne Extra-Ballast

Das System birgt einige Vorteile für Autofahrer. Natrium-Ionen-Batterien arbeiten in einem Temperaturbereich von minus 20 bis plus 80 Grad Celsius ohne Probleme. Ein eigenes Thermomanagementsystem ist nicht notwendig. Das bedeutet, dass Autobauer auf den Einbau einer Kühlung für die Hilfsbatterie verzichten können.

Das spart Bauteile, reduziert das Gewicht und die Kosten. Herkömmliche Lithium-Akkus büßen ab 40 Grad Celsius Leistung ein und lassen sich unter minus 20 Grad Celsius nur noch sehr schwer laden.

Sie sind als Hilfsbatterie also nicht die beste Lösung; kosten zwar nur 0,06 US-Dollar pro Wattstunde, sind für Fahrzeuge jedoch eher ungeeignet. Grund ist, dass sie die geforderten schnellen Stromspitzen schlicht nicht abgeben können, wenn moderne Bordsysteme zum Leben erwachen.

Ein riesiger Markt im Umbruch

Der globale Automobilmarkt für Niedervolt-Systeme soll von circa 2,1 Milliarden US-Dollar auf geschätzte 2,7 Milliarden US-Dollar im Jahr 2032 wachsen. Der Dienstleister IAV schätzt, dass Natrium-Ionen-Batterien innerhalb der nächsten zehn Jahre bis zu 90 Prozent aller Niedervolt-Anwendungen im Auto übernehmen könnten.

Denn softwaregesteuerte Fahrzeuge benötigen immer mehr Strom für Fahrassistenten und smarte Cockpits. Künftig gewinnt deshalb auch der Trend zu 48-Volt-Bordnetzen an Bedeutung. Bei höherer Spannung transportiert das Netz dadurch mehr Energie bei geringerer Stromstärke. Folglich können Autohersteller deutlich dünnere und leichtere Kabelbäume verbauen.

Obwohl Forscherteams seit Jahrzehnten an der Technologie arbeiten, litten frühere Generationen unter schnellem Kapazitätsverlust und hohen Kosten. Doch diese Hürden sollen jetzt überwunden sein. Ab 2027 kommt die Natrium-Ionen-Technologie auf die Straßen. Nicht als lauter Hauptantrieb, sondern als hoffentlich verlässliches System im Hintergrund.

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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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Der Beitrag Oberflächenkühlung ohne Strom: Dieses Material schickt Hitze direkt ins Weltall erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.

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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Porsche führt für seinen neuen elektrischen Cayenne ein Wireless-Charging-System ein. Um das Fahrzeug zu laden, müssen Besitzer einfach über einer wetterfesten Bodenplatte parken. Der Ladevorgang startet dann automatisch ohne händisches Kabelziehen. Die berührungslose Stromübertragung arbeitet mit einer Leistung von bis zu elf Kilowatt, der Wirkungsgrad soll bei etwa 90 Prozent liegen.

Porsche erweitert das Angebot für das Laden zu Hause um eine kabellose Ladeoption. Mit dem Porsche Wireless Charging führt der Hersteller ein kontaktloses Ladesystem für den neuen Cayenne Electric ein. Das Prinzip ähnelt dem kabellosen Laden eines Smartphones. Denn das Elektroauto wird einfach über einer fest installierten Bodenplatte geparkt, woraufhin der Ladevorgang automatisch startet.

Technisch basiert die Stromübertragung auf drei Komponenten: einer Vorrüstung am Fahrzeug, einer Empfangseinheit am Fahrzeugboden und einer wetterfesten Bodenplatte für den Stellplatz. Die Ladeleistung soll bis zu elf Kilowatt betragen, bei einem Wirkungsgrad von rund 90 Prozent.

Porsche Wireless Charging: Komfort trifft auf unsichtbare Technik

Im Alltag verspricht das kabellose System vor allem Komfort. Denn Besitzer können ihr Fahrzeug direkt parken, ohne dass noch ein händischer Handgriff nötig wäre. Porsche spricht davon, dass die genutzte Hardware besonders widerstandsfähig sei. Die Bodenplatte soll etwa problemlos Wind und Wetter trotzen, sodass auch Freiluft-Stellplätze kein Hindernis darstellen würden.

Käufer in Deutschland sowie in weiteren europäischen Märkten können die Technik ab sofort bestellen. Weitere Märkte sollen schrittweise folgen. China soll zunächst explizit außen vor bleiben.

Sensoren sorgen für die notwendige Sicherheit

Es gibt aber theoretisch Risiken. So kann es vorkommen, dass Tiere (wie etwa Marder oder Katzen) zwischen Fahrzeugunterboden und Bodenplatte gelangen. Dann sollen Schutzmechanismen greifen. Porsche setzt hier auf integrierte Bewegungssensoren. Sobald sich etwas unter dem Auto bewegt, stoppt die Elektronik den Ladevorgang sofort.

Auch bestimmte Gegenstände können Probleme verursachen. Sollte etwa ein metallisches Objekt auf der Bodenplatte liegen, könnte es sich durch die Spannung erwärmen. Eine automatische Fremdkörpererkennung soll auch das verhindern. Vielleicht ist es also nicht mehr weit, bis wir unsere Elektrofahrzeuge ohne Umweg über den Boden aufladen.

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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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