Donnerstag, 26 Mai 2022 12:00

Brief aus England

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Abb. 2: Impression des Space Forge-Fertigungssatelliten Bild: Space Forge

Wandel durch Handel? Von wegen

In Russland ist das Wort „Krieg“ verboten und kann mit Gefängnis bestraft werden. Erlaubt ist nur der Ausdruck „Militärischer Sondereinsatz“. Intelligente Russen haben inzwischen erkannt, dass freie Meinungsäußerung (und friedliche Demonstrationen) in ihrem Land nicht mehr erlaubt sind. Vielleicht ist das ein Grund dafür, dass Zehntausende von hauptsächlich hochqualifizierten Russen ihr Land inzwischen verlassen haben sollen. Wenn sie nach Europa kommen, sollten wir sie willkommen heißen. Noch Anfang Februar hat Präsident Putin mehrfach dementiert, dass er in die Ukraine einmarschieren würde. Die Geheimdienste in den USA glaubten ihm nicht – und sie hatten Recht. Der französische Geheimdienst hatte weniger Glück – er glaubte den Beteuerungen von Herrn Putin. Der französische General Vidaud, der den Geheimdienst leitete, wurde jetzt entlassen! Wissen wir, wer die Phrase „Wandel durch Handel“ erfunden hat? Wie sehr haben sich diejenigen geirrt, die das geglaubt haben. Jetzt versucht jeder zu verstehen, was Präsident Putin denkt und was seine Pläne sind. Vieles von dem, was er gesagt hat, ist lächerlich. Er hat die Ukrainer als „unsere slawischen Brüder“ bezeichnet und angedeutet, dass die Ukraine kein eigenständiges Land ist, sondern in Wirklichkeit ein Teil Russlands. Warum tut er dann sein Bestes, um die Heimat von Millionen seiner „slawischen Brüder“ zu zerstören? Er behauptet, die Ukraine werde von Nazis regiert – mit einem jüdischen Präsidenten! Er behauptet, dass die ukrainische Regierung (vor dem Krieg) einen Völkermord begangen hat, kann dies aber nicht beweisen. Ich glaube, sein ursprünglicher Plan war es, die gesamte Ukraine zu annektieren. Jetzt möchte er vielleicht (vorerst) nur den Donbass annektieren, so wie er es 2014 mit der Krim getan hat. Und während er ukrainische Häuser, Schulen und Krankenhäuser bombardiert und beschießt, droht er, dass jeder ukrainische Angriff auf russischen Boden „schwerste Konsequenzen“ nach sich ziehen werde. Mit anderen Worten: eine neue Art von Krieg mit neuen „Regeln“, bei denen ein Angriff erlaubt, ein Gegenangriff aber verboten ist. Wäre er bereit, taktische Atomwaffen einzusetzen? Ich fürchte, es wäre töricht, dies auszuschließen.

Ich glaube, Präsident Putin ist in einem Zustand kalter Wut: Seine Pläne sind nicht gut gelaufen. Der Westen hat umfassende Sanktionen verhängt. Das russische Volk bekommt die Auswirkungen seines Krieges zu spüren. Wir wissen, dass er mehr als 50 Mitarbeiter seines Geheimdienstes entlassen hat, ein ranghoher General wurde sogar verhaftet.

Auf dem Papier hatte Russland nach den USA und China das größte Militär der Welt. Aber in den letzten Monaten hat es erschreckende Schwächen gezeigt. Etwa 600 Panzer wurden zerstört, viele davon durch eine neue Generation von tragbaren Panzerabwehrraketen. Schätzungsweise 15.000 russische Soldaten sind gefallen, viele weitere wurden verwundet. Der Kreuzer „Moskva“ wurde versenkt, höchstwahrscheinlich durch ukrainische „Neptun“-Antischiffsraketen. Zwar handelte es sich bei dem Schiff um eine „alte Dame“ – 40 Jahre alt –, doch war es mit einer ganzen Palette hochmoderner Raketen ausgerüstet. Theoretisch hätten diese in der Lage sein müssen, einen Angriff dieser Neptun-Raketen abzuwehren. Was ist also schiefgelaufen? Militärexperten im Westen analysieren die Leistung der russischen Angreifer – und sind nicht beeindruckt. Nur eines ist sicher: Abgesehen vielleicht von ein paar russischsprachigen Menschen im Donbass werden die Ukrainer Russland noch über Generationen hinweg leidenschaftlich hassen. Der Krieg hat Russland bereits einen enormen Verlust an Menschenleben und viele Milliarden an militärischer Ausrüstung gekostet – Panzer, Hubschrauber, Schiffe und mehr. Die Kosten für die Ukraine, nicht nur in dieser Hinsicht, sondern auch in Form von zivilen Gebäuden, Privatwohnungen, Spitälern, Brücken usw. belaufen sich bereits auf Hunderte von Milliarden und steigen täglich. Es ist klar, dass Russland die „Wiedergutmachung“ bezahlen sollte – aber wird es das tun?

Auf dem Weg ins All

Abb. 1: Die neue NASA-Zentrifugalrakete für SatellitenIn den nächsten Jahren sollen nicht Hunderte, sondern Tausende von Satelliten in eine erdnahe Umlaufbahn gebracht werden. Nach den derzeitigen Plänen werden sie alle an Bord einer Flüssigkeits- oder Feststoffrakete, in der Regel einer Mehrstufenrakete, ins All geschossen. Dies ist sowohl teuer als auch umweltschädlich, da große Mengen an CO₂ ausgestoßen werden. Mir ist nur eine Alternative bekannt, nämlich Virgin Intergalactic (was für ein pompöser Name!), die ein Düsenflugzeug verwendet, um ihr Raumfahrzeug bis zu einer Höhe von ca. 16 km zu fliegen, wo sich das Fahrzeug vom Flugzeug löst und sein eigenes Raketentriebwerk zündet. Doch nun plant die NASA in Zusammenarbeit mit einem privaten Partner einen völlig neuen Ansatz.

Weltraumschleuder für Satelliten in Planung

Die NASA hat eine Vereinbarung mit dem in Kalifornien ansässigen Startup SpinLaunch (www.spinlaunch.com) unterzeichnet, um dessen außergewöhnliches neues Konzept der „Whirl and Hurl“-Raumfahrttechnologie zu testen, bei dem eine Trägerrakete mithilfe einer elektrischen Zentrifuge auf Hyperschallgeschwindigkeit beschleunigt und wie ein Weltraumdiskus in den Himmel geschleudert wird. Abbildung 1 zeigt das neue Gerät.

Das System soll den Start von Satelliten in eine niedrige Erdumlaufbahn erschwinglicher und umweltfreundlicher machen. Seit einigen Monaten testet SpinLaunch sein System in der Wüste von New Mexico und führte im Oktober 2021 sogar einen ersten erfolgreichen Test durch, bei dem ein 3 Meter langes Projektil in eine Höhe von mehreren zehntausend Metern geschleudert wurde. In einer Erklärung erklärte das Unternehmen, dass sein futuristischer A-33 Suborbital Mass Accelerator wie eine „Schleuder“ funktioniert.

Der Testflug, der noch in diesem Jahr stattfinden soll, werde der NASA wertvolle Informationen für potenzielle künftige kommerzielle Startmöglichkeiten liefern, so SpinLaunch. Das „kinetische“ Startsystem, das als umweltfreundliche Alternative zu Starts mit Treibstoff gilt, funktioniert, indem eine wiederverwendbare Rakete an einem riesigen rotierenden Arm in einer elektrischen, vakuumversiegelten Zentrifuge befestigt und mit mehrfacher Schallgeschwindigkeit in Drehung versetzt wird. Die Rakete wird dann losgelassen und schießt in den Weltraum, um Nutzlasten wie z. B. Kleinsatelliten in eine niedrige Erdumlaufbahn zu befördern. Die riesige Schleuder befindet sich im Spaceport America in New Mexico. Sie ist etwas größer als die Freiheitsstatue. Während die NASA plant, die außergewöhnliche Maschine noch in diesem Jahr zu testen, will SpinLaunch seine ersten Testflüge in den Orbit im Jahr 2025 durchführen. Wenn diese Technologie erfolgreich ist, könnte sie europäische, russische und andere kommerzielle Satellitenstartunternehmen überflüssig machen.

Ins All – aber warum?

Wie ich erwähnt habe, gibt es Pläne, Tausende von Satelliten in eine erdnahe Umlaufbahn zu bringen. Aber zu welchem Zweck? Die überwiegende Mehrheit dient der Kommunikation, dem Internet, Telefongesprächen und der Informationsübertragung. Hinzu kommen Kameras und andere Sensoren zur Überwachung der Erdoberfläche, des Klimas und des Wetters und natürlich Militärsatelliten, die angesichts der „speziellen Militäroperationen“ in der Ukraine noch nie so wichtig waren wie heute, und jedes Jahr werden die Kosten für den Start von Satelliten geringer. In den 1980er Jahren konnte der Start ins All bis zu 35.000 $/kg kosten. Heute kostet Nutzlast mit den Raketen von Elon Musk 1000 bis 3000 Dollar/kg und sein neues 130-Meter-Raumschiff dürfte diese Kosten noch weiter senken. Wenn die SpinLaunch-Technologie Erfolg hat, werden diese Zahlen noch weiter sinken. Gibt es noch andere Anwendungen, die für die Raumfahrttechnologie interessant sein könnten? Viele Experten meinen, die Herstellung neuer Materialien, die sich für Bedingungen bei Schwerelosigkeit, Mikrogravitation sowie Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt eignen, wäre eine große Zukunft beschert. Dieser Gedanke ist nicht neu. In den 1970er-Jahren wurde dies zur Herstellung von Halbleitern auf der Raumstation Skylab genutzt. Auch keramische Turbinenschaufeln für Flugzeuge wurden mit dem Ziel hergestellt, mikroskopische Defekte durch die Schwerkraft zu beseitigen.

Ein relativ neues Unternehmen in Wales, SpaceForge, wurde gegründet, um das Potenzial des Weltraums als Produktionsumgebung zu nutzen. Ihr erster Satellit. ForgeStar-0 soll in einigen Monaten von Cornwall im Westen Englands aus gestartet werden. Es wird der erste Weltraumstart in England seit etwa 50 Jahren sein. Zum Einsatz kommen wird das bereits beschriebene Virgin-Startsystem. ForgeStar-0 ist der Prototyp eines Weltraumlabors. Sein Zweck ist es, den Hitzeschild zu testen, der die neuen Materialien, die dort hergestellt werden, vor der Hitze beim Wiedereintritt des Raumfahrzeugs in die Erdatmosphäre schützt. Abbildung 2 vermittelt einen Eindruck dieses ersten Space Forge-Satelliten, der nur etwa 1 m³ groß sein wird. Zukünftige Versionen könnten allerdings die Größe eines kleinen Pkw haben. Welche Entwicklungen hat das Unternehmen im Sinn? Das ist weitgehend vertraulich, aber Halbleiter scheinen ein Thema zu sein, zusammen mit neuen Legierungen und 3D-gedruckten Produkten, die in der Schwerelosigkeit auf eine Art und Weise hergestellt werden können, wie es auf festem Boden unmöglich ist. Zweifellos werden die USA, China und andere ihre eigenen Pläne haben. Dies ist eine neue Ära der Fertigung.

Nach 1100 Jahren

Abb. 3: Allgemeine Formel des Extraktionslösungsmittels Excir EdelmetallDie britische Königliche Münzanstalt ist eine der ältesten der Welt, vielleicht sogar die älteste überhaupt. Sie wurde vor 1100 Jahren gegründet und prägt auch heute noch Münzen in Gold, Silber und Kupfernickel nicht nur für Großbritannien, sondern für Dutzende anderer Länder auf der ganzen Welt. Doch das Bargeld verschwindet langsam, da immer mehr elektronische Transaktionen genutzt werden. Viele Jahre lang hat die Königliche Münzanstalt auch spezielle Münzen und Medaillen hergestellt, in der Regel aus 22-karätigem oder noch höherwertigerem Gold, vor allem als Investition. Doch in den letzten Monaten hat die Münzanstalt ein neues Projekt gestartet. Zusammen mit dem kanadischen Unternehmen Excir (www.exir.com) baut sie eine neue Anlage zur Rückgewinnung von Edelmetallen aus sogenanntem „e-Waste“ – elektronischem Schrott. Es wird geschätzt, dass weltweit etwa 50 Mio. Tonnen elektrischer Schrott produziert werden. Weniger als 20 % davon werden nach Ansicht von Experten recycelt, der Rest wird einfach mit anderem Abfall vergraben. Der Wert dieses vergrabenen Elektroschrotts wird auf ca. 57 Mrd. US-Dollar geschätzt, eine wahrhaft schwindelerregende Summe. Und doch ist die Rückgewinnung von Edelmetallen aus Handys, Laptops und deren Leiterplatten nicht einfach, da sind sich alle einig. Ein typisches Handy enthält etwa 0,04 Gramm Gold im Wert von ca. 2 Euro; ein typischer Laptop enthält etwa 0,1 Gramm Gold. Alte Handys und Laptops werden in der Regel zunächst demontiert, wobei einige Komponenten – z.B. Bildschirme – recycelt werden. Die Leiterplatten werden dann hauptsächlich nach Deutschland, in die Niederlande und nach Thailand verschickt. In den meisten Fällen werden sie in Hochtemperaturverfahren behandelt, aus denen das Gold und andere Edelmetalle zurückgewonnen werden. Solche Hochtemperaturverfahren sind sowohl teuer als auch umweltschädlich. Excir hat dagegen ein wässriges Niedertemperaturverfahren entwickelt, das in diesem neuen Gemeinschaftsunternehmen eingesetzt werden soll.

Elektroschrott für 57 Mrd. Dollar bleibt ungenutzt

Die Technologie von Excir ist beschrieben in den Patenten US20180112289A1 – Verfahren zur selektiven Auslaugung und Extraktion von Edelmetallen in organischen Lösungsmitteln und US20180142322A1 (mit demselben Titel).

Bei dem Verfahren bei Raumtemperatur wird ein organisches Lösungsmittel, das mit Wasser oder teilweise mit Wasser mischbar ist, zusammen mit einer Säure und einem Oxidationsmittel zur Extraktion von Gold oder Metallen der Platingruppe (hauptsächlich Pt und Pd) verwendet. Nach dem Entfernen der festen Verunreinigungen wird das Lösungsmittel verdampft und die verbleibenden Feststoffe werden mit einem zweiten Lösungsmittel behandelt, dessen allgemeine Formel in Abbildung 3 dargestellt ist, wobei verschiedene organische Gruppierungen angegeben sind. Metallisches Gold/Platin/Palladium kann dann durch konventionelle elektrolytische Gewinnung oder chemische Reduktion unter Verwendung von Thioharnstoff gewonnen werden.

Die neue Anlage in Wales hat eine Anfangskapazität von 90 Tonnen E-Schrott pro Woche – d.h. etwa 7 bis 9 % des britischen E-Schrotts – und soll, wenn alles gut läuft, weiter ausgebaut werden. Eine aufregende neue Ära ?

Elektrische Boote

Jeden Tag hören wir Neuigkeiten über elektrische Pkw. Auch bei den Elektroflugzeugen gibt es viele spannende Entwicklungen. Aber seltener gibt es Nachrichten über Elektroboote. Candela, ein schwedisches Unternehmen mit engen Verbindungen zu den USA, hat eine bemerkenswerte Serie von Elektro-Tragflächenbooten entwickelt. Dank der Tragflächenwirkung, die den Rumpf vollständig aus dem Wasser hebt, sind diese Boote äußerst energieeffizient und fahren bei hohen Geschwindigkeiten – bis zu 30 Knoten – völlig geräuschlos. Bei einer Geschwindigkeit von mehr als 16 Knoten beginnt das Boot zu „fliegen“ und hebt sich auf seinen „Tragflächen“ über das Wasser. Bei einer Geschwindigkeit von 22 Knoten beträgt der Energieverbrauch nur 0,8 kWh/Nautische Meile. Der Rumpf ist aus Kohlefasern gebaut. Abbildung 4 zeigt die sogenannte C8 und Abbildung 5 die Antriebsgondel mit zwei Permanentmagnet-Elektromotoren, die unter Wasser arbeiten und über die Strebe mit dem Rumpf verbunden sind. Die Elektromotoren haben eine Leistung von 45/59 kW. Das Unternehmen stellt eine Reihe von Elektrobooten her, wobei das C8 acht Personen befördern kann.

Abb. 4: Das neue elektrische Tragflächenboot von Candela

Abb. 5: Das sogenannte C-Pod von der Firma Candela mit zwei Elektromotoren und zwei Propellern

Trotz des Krieges geht das Leben weiter

Ungeachtet der schrecklichen Schlagzeilen aus der Ukraine werden in der Welt der Wissenschaft, der Medizin und der Technologie weiterhin erstaunliche Fortschritte gemacht. Die Covid-Pandemie hat zu enormen Investitionen in die Impfstoffproduktion geführt, aber auch zur Entwicklung verbesserter Impfstoffe für andere Infektionskrankheiten. Ich habe schon früher über neue Methoden der Lebensmittelproduktion berichtet, einschließlich sogenannter „Vertical Farms“. Mögen Sie Kaviar? Der beste Kaviar, Oscietra Caviar, kostet etwa 320 Euro für 125g, und nein, ich habe mich nicht geirrt. Früher stammte der Kaviar von Stören aus dem Kaspischen Meer. Heute ist China mit Hunderten von „Kaviarfarmen“, in denen die Störe in großen Becken gehalten werden, der weltweit größte Produzent. Weibliche Sibirische Störe brauchen 4 bis 5 Jahre, um ihre Eier auszubilden, die die Grundlage für Kaviar sind. In einer kleinen Anlage in Devon, England, hat ein neues Unternehmen, Caviar Biotec (caviarbiotec.com), erfolgreich Kaviareier aus einzelnen Zellen in vitro gezüchtet. Mit dem patentierten Verfahren kann Kaviar in nur 40 Tagen hergestellt werden. Und das Unternehmen glaubt, in einem Labor mit etwa 300 m² Größe genügend Kaviar zu produzieren, um den größten Teil der gegenwärtigen Weltnachfrage zu decken, einschließlich verschiedener Öle, die aus den Eiern extrahiert werden und für die viele medizinische Ansprüche aufgestellt werden. Natürlich wird „echter Kaviar“ immer einen höheren Preis haben – so wie Sekt billiger ist als französischer Premier Cru Champagner. Ist dieser Preisaufschlag das wert? Das muss jeder für sich selbst entscheiden. Prosit!

In Kalifornien hatte ein anderes neues Unternehmen, Cana (www.cana.com), eine wirklich revolutionäre Idee. Der durchschnittliche amerikanische Haushalt konsumiert ca. 2500 Flaschen oder Blechdosen Getränke pro Jahr. Etwa 98 oder 99 % ihres Inhalts macht Wasser aus. Und nach der Benutzung müssen diese 2500 Flaschen bzw. Dosen recycelt werden. Doch in den meisten Fällen werden sie einfach in den Mülleimer geworfen. Weltweit werden etwa 1 Billion Getränkeflaschen und Dosen verkauft, von denen die meisten nie recycelt werden. Also hat Cana eine Maschine in Mikrowellengröße erfunden, die 500 verschiedene Getränke einschl. Kaffee, Tee, heißen oder kalte Getränken mit oder ohne Kohlensäure und auch Rotwein, bedauerlicherweise aber keinen Weißwein, zubereiten kann. Die Eintrittsmaschine, Cana One, ist in Abbildung 6 dargestellt. Kritiker werden die Technologie als „unecht“ oder „schlechte Imitation“ bezeichnen. Doch die Technik, die hinter dem Gerät steckt, ähnelt der eines Tintenstrahldruckers. Die Maschine ist mit einer Reihe von Patronen ausgestattet, die jeweils eine in unseren Alltagsgetränken vorkommende Substanz enthalten. Das ausgewählte Getränk wird dann durch Einspritzen einer bestimmten Anzahl dieser Grundstoffe in Wasser hergestellt. Journalisten, denen die Maschine gezeigt wurde und die einige ihrer Getränke, z.B. Eiskaffee, probiert haben, waren positiv überrascht. Die geplanten Kosten für die Maschine liegen bei ca. 800 US-Dollar, was ich für angemessen halte. Wie kam es zu der Idee? Die Erfindung geht auf die Arbeit eines deutschen Wissenschaftlers, Professor Thomas Hofman von der Universität München zurück. Er hatte 2011 mit Hilfe der Chromatographie ca. 60 Moleküle isoliert, die den Geschmack und Geruch von Rotwein ausmachen und die Ergebnisse veröffentlicht. Die Technologen von Cana haben auf seine Arbeit aufgebaut. Per Tastatur und Bildschirm können die Nutzer nun ihr Wunschgetränk auswählen.

Abb. 6: Der Cana-Automat kann Hunderte verschiedener Getränke nach Wahl liefern

Grundlegende Wissenschaft

Eine zivilisierte Gesellschaft zeichnet sich dadurch aus, dass sie bereit ist, aus intellektueller Neugierde Geld für den Erwerb neuer Erkenntnisse auszugeben. Dies ist Grundlage der Archäologie, der Erforschung der alten Musik – und der Grundlagenforschung. Wird ein tieferes Verständnis der fundamentalen Teilchenphysik unser Leben verbessern? Das ist unwahrscheinlich und doch könnte sie künftig einen interessanten Nebeneffekt haben. Nach einer umfassenden, drei Jahre dauernden Aufrüstung wird der riesige Large Hadron Collider (LHC) des CERN, der modernste Beschleuniger der Welt, 100 Meter unter der Oberfläche an der französisch-schweizerischen Grenze seinen Betrieb wieder aufnehmen.

Ziel ist es, unser Wissen über die Grundlagen der Materie zu verbessern. Nur einer der vier Teilchendetektoren, der Atlas-Detektor, ist 46 m lang und 25 m hoch. Er besteht aus 7.000 Tonnen Metall, Silizium, Elektronik und Kabeln. Abbildung 7 zeigt die Montagehalle des Magneten.

Abb. 7: Die LHC-Magnetmontagehalle des CERN

Abb. 8: Wrightbus in Nordirland stellt ein- und doppelstöckige Brennstoffzellenbusse her

Dieses gigangische Projekt wird vielleicht keine unmittelbaren Auswirkungen haben, aber beim Bau großer Elektromagneten werden wertvolle Lektionen gelernt – und große und leistungsstarke Magnete können ein Schlüssel zur Zukunft der Kernfusion sein.

Eine neue Flotte von Wasserstoffbussen

In wenigen Monaten wird das multinationale öffentliche Verkehrsunternehmen Go-Ahead seine erste Flotte von Wasserstoff-Brennstoffzellenbussen in Betrieb nehmen. Die 20 Busse umfassende Flotte, die größte in Europa, wird in Nordirland von Wrightbus gebaut. Der Wasserstoff wird von der US-amerikanischen Riese Air Products im Rahmen eines 15-Jahres-Vertrags geliefert und in Windparks in den Niederlanden erzeugt und verflüssigt, bevor er nach England transportiert wird. Zurzeit kosten diese Brennstoffzellenbusse etwa doppelt so viel wie herkömmliche Dieselbusse, doch die britische Regierung bezuschusst die zukunftsfähige Anschaffung. Das schottische Unternehmen Alexander Dennis stellt ebenfalls Brennstoffzellenbusse her, von denen Go-Ahead eine weitere Tranche erwerben könnte. Die neuen Busse werden in und um den Flughafen Gatwick eingesetzt. Abbildung 8 zeigt den neuesten Doppelstock-Brennstoffbus von Wrightbus.