Brief aus England

Der Winter naht

Militärexperten wissen sehr wohl, dass der Winter militärische Operationen verlangsamt – in manchen Fällen sogar zum Stillstand bringt. Dies ist Berichten zufolge in der Ukraine bereits der Fall. Sie wissen auch, dass im Winter die „Heimmannschaft“ – in diesem Fall die Ukraine – im Vorteil ist. Sie haben auch nicht vergessen, dass zwei der größten militärischen Niederlagen in der Geschichte nicht weit von dem Ort stattfanden, an dem die Schlachten heute ausgetragen werden. Napoleons größte Niederlage war sein katastrophaler Rückzug aus Moskau im Jahr 1812, bei dem seine Armee von ca. 600.000 Mann auf ca. 100.000 Mann reduziert wurde. Eine halbe Million französische Soldaten starben oder wurden gefangen genommen. Abbildung 1 ist eine Darstellung von Napoleons katastrophalem Rückzug (wir können sicher sein, dass der Maler tausende Kilometer entfernt war und nur seine Fantasie eingesetzt hat). Die Geschichte wiederholte sich 1941/1942, als es im Rahmen der „Operation Barbarossa“ Nazideutschland nicht gelang, Moskau einzunehmen. Vielleicht eine Million deutsche und russische Soldaten starben bei dieser gescheiterten Operation. Die Geschichte wiederholt sich heute insofern, als es – genau wie bei den deutschen Soldaten 1941/1942 – viele Berichte über russische Soldaten gibt, denen es an Winterkleidung mangelt.

Energie-Zukunft

Abb. 2: Eine schwimmende Erdgasspeicher-Regasifizierungseinheit (FSRU) in Klaipeda (Litauen)Wir wissen immer noch nicht, wer die massiven Schäden an den Nordstream-Pipelines verursacht hat und was derjenige damit zu erreichen hoffte. Europa baut derzeit seine Möglichkeiten zur Einfuhr von Flüssigerdgas (LNG) aus dem Nahen Osten und den USA massiv aus. Deutschland und Großbritannien gehören zu den Ländern, die neue LNG-Terminals bauen oder solche wieder in Betrieb nehmen, die zuvor geschlossen waren. Ende Oktober warteten über 60 große LNG-Tanker in der Nähe der europäischen LNG-Terminals, um ihre Gasladung zu entladen. Diese Tanker übermitteln, wie alle kommerziellen Schiffe, automatisch ihren Standort. An den LNG-Terminals wird das verflüssigte Erdgas auf Raumtemperatur erwärmt, so dass es in das Erdgas-Netzwerk eingespeist werden kann. In einigen Fällen wird dies in Onshore-Anlagen durchgeführt. Der schnellste Weg zur Kapazitätserweiterung ist jedoch der Einsatz von Schiffen, die in einem Hafen vertäut sind, um dies zu tun. Diese werden als FSRU (Floating Storage Regasification Units) bezeichnet. Abbildung 2 zeigt eine FRSU in Klaipeda, Litauen. Ein fünftes deutsches FSRU in Wilhelmshaven ist fast fertig, ein weiteres ist noch in Planung. Früher oder später wird der Krieg in der Ukraine enden. Aber bis dahin werden wir in Europa eine neue Erdgasversorgungskette auf der Grundlage von LNG-Importen aufgebaut haben, und ich glaube nicht, dass wir dann jemals wieder zum Import von russischem Erdgas zurückkehren werden. Werden die Russen andere Abnehmer für ihr Erdgas finden? Mit ziemlicher Sicherheit – ja. Aber weil ihre neuen Kunden in Asien und China weniger wohlhabend sind und weil es keine Konkurrenz aus Europa mehr geben wird, ist der Preis für russisches Erdgas voraussichtlich niedriger als in der Vergangenheit. Der Krieg wird der russischen Wirtschaft großen und dauerhaften Schaden zufügen. Wenn wir unsere Energieversorgung für den kommenden Winter in den Griff bekommen, sollten wir im nächsten Winter mehr oder weniger „back to normal“ sein, und die russischen Gasimporte sind dann nur noch Geschichte.

Ein neues Material

Die meisten von uns kennen Knetmasse, die vor allem von Kindern verwendet wird. Es gibt „Knete“ und neuerdings auch „Play-doh“ (doh = Teig). Diese Materialien verhalten sich in vielerlei Hinsicht wie Knete, aber sie sind nicht wässrig und nicht elektrisch leitfähig. Nun wurde ein neues Modelliermaterial entwickelt, das elektrisch leitfähig ist.

Die von Forschern der Universität Chicago entdeckte Molekularstruktur des Materials ist durcheinander und ungeordnet, was darauf schließen lässt, dass es ein schlechter Leiter ist. Gute Leiter bestehen im Allgemeinen aus geraden, dicht gepackten Reihen von Atomen oder Molekülen, so dass Elektronen leicht durch das Material fließen können. Ein leitfähiges Material ohne diese Eigenschaften stellt ein grundlegendes Prinzip der Leitfähigkeit in Frage und könnte einen Paradigmenwechsel in der Materialwissenschaft bedeuten.

Bei dem neuen Material handelt es sich um ein amorphes Koordinationspolymer, NiTetrathiafulvalen-Tetrathiolat, das eine ausgesprochen hohe elektronische Leitfähigkeit (bis zu 1.200 S cm-1) und ein intrinsisches glasig-metallisches Verhalten aufweist. Die Theorie zeigt, dass diese Eigenschaften durch eine molekulare Überlappung ermöglicht werden, die robust gegenüber strukturellen Störungen ist. Diese ungewöhnliche Kombination von Merkmalen führt zu einer hohen Leitfähigkeit, die wochenlang in feuchter Luft, bei einem pH-Wert von 0–14 und bei Temperaturen bis zu 140 °C stabil ist. Diese Ergebnisse zeigen, dass molekulares Design metallische Leitfähigkeit selbst in stark ungeordneten Materialien ermöglichen kann. Das neue Material zwingt die Wissenschaftler dazu, das gesamte Konzept der elektrischen Leitfähigkeit zu überdenken, während es auf der praktischen Seite nicht schwer ist, sich viele neue Anwendungen für solche Materialien vorzustellen.

Quelle: Intrinsischer glasartig-metallischer Transport in einem amorphen Koordinationspolymer – Jiaze Xie, u. A. Nature (2022) Bd 4956 (Okt) https://doi.org/10.1038/s41586-022-05261-4

Weitere Fortschritte bei grüner Energie

Ich freue mich immer, über neue Entwicklungen im Bereich der „Grünen Energie“ berichten zu können. Windturbinen gibt es ja entweder an Land oder auf dem Meer. Bis vor kurzem konnten Offshore-Windturbinen, die auf dem Meeresboden verankert sind, nur in relativ flachen Gewässern errichtet werden. Der neue schottische Windpark „SeaGreen“ hält nun einen neuen Rekord. Der ca. 1-GW-Windpark mit 10-MW-Turbinen von Vestas befindet sich 27 km vor der schottischen Küste in 59 m Wassertiefe – ein Weltrekord. Der Windpark hat mit der Stromlieferung begonnen und wird in einigen Monaten voll betriebsbereit sein. Und die Windturbinen werden langsam immer größer. Der spanisch-deutsche Windkraftriese Siemens Gamesa hat einen Auftrag über 60 seiner Offshore-Windturbinen des Typs SG 14-222 DD erhalten, die im 882-MW-Offshore-Windpark Moray West in Schottland installiert werden sollen. Es handelt sich um die erste Installation der weltweit leistungsstärksten Windturbine mit einer Kapazität von 14,7 Megawatt (MW). Jede Offshore-Windturbine SG 14-222 DD wird einen Rotordurchmesser von 222 Metern haben. Aber es ist wahrscheinlich, dass die 14,7-MW-Turbinen von Siemens Gamesa nicht lange die leistungsstärksten Turbinen bleiben werden. Im Februar 2021 kündigte der dänische Windturbinenhersteller Vestas die Markteinführung seiner neuen Offshore-Windturbine V236-15.0MW an. Im Juni gab Vestas bekannt, dass das Unternehmen voraussichtlich einen Auftrag über die Lieferung von 64 Windturbinen des Typs V235-15,0 MW für den 900-MW-Offshore-Windpark He Dreiht von EnBW in Deutschland im Jahr 2025 erhalten hat.

Abbi. 3: Eine schwimmende Windkraftanlage in Kincardine, Schottland

Dennoch ist man sich darüber im Klaren, dass solche fest installierten Offshore-Turbinen für den künftigen Bedarf nicht ausreichen werden – die einzige Lösung sind schwimmende Windturbinen. Ein solches Projekt ist WindFloat Atlantic, das 20 km vor der Küste von Viana do Castelo, Portugal, steht und 25 MW erzeugt. Eine weitere Anlage dieser Art ist jetzt in Kincardine vor der schottischen Küste in Betrieb (Abb. 3).

Jeder Turm sitzt auf drei riesigen zylindrischen Schwimmern. Sie sind leuchtend gelb gestrichen und zu einer dreieckigen Plattform verschweißt, deren Seiten jeweils 67 m lang sind. Das System ist nicht „passiv“ – die Schwimmer müssen sich an Veränderungen der Wind- und Seebedingungen anpassen. Ein Netz von Pumpen und Ventilen verschiebt flüssigen Ballast zwischen den drei schwimmenden Zylindern, um die Plattform wieder ins Gleichgewicht zu bringen und die Turbine auf den idealen Winkel für den Wind einzustellen. Unter der Wasseroberfläche sorgen beschwerte Unterwasserkabel, die an riesigen Ankern befestigt sind, für eine feste Verankerung der Plattform auf dem Meeresboden. Und für die Zukunft? Etwa zwei Drittel des Offshore-Windpotenzials in den USA wird in tiefen Gewässern vermutet, 80 % des europäischen Meeresbodens sind nur mit schwimmender Technologie zugänglich, und ein Großteil des Meeres vor Japan ist ebenfalls tief. Nach Angaben von RenewableUK hat sich die weltweite Gesamtpipeline schwimmender Windkraftprojekte allein im letzten Jahr verdoppelt und beläuft sich nun auf insgesamt 180 GW. Nach Berechnungen des Offshore Renewable Energy Catapult, eines britischen Forschungszentrums für Offshore-Windtechnologie, wird die schwimmende Windenergie bis 2050 einen Weltmarkt von 400–5000 Milliarden Euro darstellen. Die große Herausforderung sind jetzt die Kosten. Diese neue Technologie ist teuer. Kilowattstunde für Kilowattstunde kostet die schwimmende Windkraft etwa so viel wie die neue Atomkraft – etwa 90–100 Euro/MWh.

Fortschritte bei der Kernkraft – der Traum der Fusion rückt näher

Abb. 4: Innenansicht des Fusionsreaktors Tokamak ST40Tokamak Energy hat Pläne für seinen neuesten Prototyp eines Fusionsreaktors vorgestellt und behauptet, die Kernfusion sei nur noch ein Jahrzehnt entfernt. Nach Angaben des in Oxford ansässigen Unternehmens wird der ST80-HTS der weltweit erste sphärische Hochfeld-Tokamak sein, der supraleitende Hochtemperaturmagnete (HTS) verwendet. Der neue Reaktor, der 2026 fertig werden soll, ist der jüngste Schritt des Unternehmens auf dem Weg zur kommerziellen Fusionsenergie und wird die Grundlage für das Design der ST-E1 Fusionspilotanlage bilden, die Anfang der 2030er Jahre eine Nettofusionsleistung von bis zu 200 MW erbringen soll. Nach Angaben von Tokamak Energy soll das ST80-HTS ein höheres Dreifachprodukt liefern als alle bisherigen Fusionsanlagen. Das Dreifachprodukt (nTττE) ist ein weithin anerkannter Maßstab für den Fortschritt auf dem Weg zur kommerziellen Fusion und kombiniert Messungen der Plasmadichte, der Temperatur und des Einschlusses. Ein dichtes Plasma gewährleistet bessere Chancen für Teilchenkollisionen, ein Plasma mit hoher Temperatur ermöglicht Fusionsreaktionen, während eine längere Einschlusszeit ein größeres Fenster für anhaltende Reaktionen bietet. Tokamak Energy hat mit seinem kugelförmigen Tokamak ST40 bereits Plasmatemperaturen von über 100 Mio. Grad erreicht. Mit dem ST80-HTS soll versucht werden, diese Temperaturen zu erreichen, wobei jedoch die Pulsdauer erheblich verlängert werden soll, um Pulse von bis zu 15 Minuten zu bekommen. In Verbindung mit einer ausreichenden Plasmadichte sollte dies ein dreifaches Produkt ergeben, das den Anforderungen eines kommerziellen Fusionskraftwerks nahe kommt. Tokamak Energy berichtete, dass sein sphärischer Tokamak ST40 ein Dreifachprodukt von 6×10¹⁸ keV.s.m^–3 erreicht hat. Dieses Ergebnis wurde Anfang dieses Jahres bei einer Plasmatemperatur von 100 Mio. Grad, der für kommerzielle Fusionsenergie erforderlichen Schwelle, in einem sphärischen Tokamak mit einem Plasmavolumen von weniger als einem Kubikmeter erzielt; das ist 15-mal weniger Volumen als bei jedem anderen Tokamak, der diese Temperatur erreicht hat.

Das erzielte Dreifachprodukt ist das höchste, das ein privates Fusionsenergieunternehmen bisher erreicht hat. Es ist ein in der Fusionsbranche weithin anerkanntes Maß für die Plasmadichte, die Temperatur und den Einschluss, die zusammengenommen ein Schlüsselmaß für den Fortschritt auf dem Weg zur Verwirklichung kommerzieller Fusionsbedingungen darstellen. Chris Kelsall, CEO von Tokamak Energy, sagte: „Eine hohe Leistung in kleineren sphärischen Tokamaks ist der Schlüssel zur kommerziellen Fusionsenergie. Unsere jüngste Errungenschaft ist ein weiterer Beleg für diesen optimalen Weg zu sauberer, sicherer, kostengünstiger, skalierbarer und weltweit einsetzbarer kommerzieller Fusionsenergie. Wir sind stolz darauf, dieses Ergebnis in Zusammenarbeit mit den Princeton und Oak Ridge National Laboratories erzielt zu haben.“

Der sphärische Tokamak ST40 (Abb. 4) wird derzeit aufgerüstet, um weitere Betriebserfahrungen und effiziente Technologien für künftige Geräte zu entwickeln, die das Unternehmen in Kürze ankündigen wird.

Eine stille Revolution?

Elektrofahrräder gibt es schon seit geraumer Zeit, aber sie sind teuer. Jetzt erleben wir eine Revolution, mit Umrüstsätzen, die an fast jedem Fahrrad angebracht werden können und nur 500 Euro kosten, vielleicht sogar weniger. Ich nenne nur einen, aber ich bin sicher, es gibt andere, die ebenso gut sind. Der Swytch-Umbausatz besteht aus einem neuen Vorderrad mit einem 250W-Elektromotor an der Nabe und einem am Lenker montierten Akkupack (Abb. 5). Die Reichweite beträgt etwa 30 km. Deutschland ist mit schätzungsweise 2,1 Millionen E-Bikes weltweit führend, aber die meisten von ihnen wurden als E-Bikes gekauft und nicht von Pedalrädern umgerüstet. Swytch behauptet, dass fast jedes Fahrrad (einschl. Faltmodellen) zu Hause in ca. 15 Minuten umgerüstet werden kann. Wird Deutschland damit schnell die 3-Millionen-Marke erreichen?

Abb. 5: Der Swytch-Bausatz verwandelt jedes Fahrrad in ein E-Bike

Diamanten sind ein gutes Geschäft

Abb. 6: Das Opsydia-Lasergerät ermöglicht das Schreiben im Inneren eines Diamanten Diamanten sind ein gutes Geschäft – und leider, wenngleich nicht überraschend, sind darin auch Kriminelle verwickelt. Im Kongo zwingen kriminelle Banden Kinder zu schlecht bezahlter und hochgefährlicher Arbeit in Diamantenminen. Auf der anderen Seite wird die Technologie zur Herstellung künstlicher Diamanten immer weiter verbessert, so dass immer größere und bessere Diamanten zu immer geringeren Kosten hergestellt werden können. Künstliche Diamanten kosten weniger als „echte“ Diamanten – und Kriminelle verleiten Kunden dazu, künstliche Diamanten zu kaufen und sie für „echte“ Diamanten zu halten. Die Diamantenindustrie versucht seit vielen Jahren, dieses Problem mit „Herkunftszertifikaten“ und anderen Mitteln zu lösen. Aber die Kriminellen sind clever. Jetzt kann vielleicht eine neue Technologie eine Lösung bieten. Ein neues Unternehmen, Opsydia Ltd mit Sitz in Oxford, UK, hat eine laserbasierte Technologie entwickelt, die das Innere eines Diamanten beschreiben kann. Seine Geräte sind die einzigen auf dem Markt, die die Oberfläche eines Diamanten durchdringen und seine Atome manipulieren können, um eine Identitätsmarkierung zu bilden. Abbildung 6 zeigt eine der neuen Maschinen.

Bei einem Probelauf für die BBC hat die Maschine das BBC-Logo mit einer Größe von ca. 0,5 mm in einem Diamanten erzeugt. Der Laser kann Veränderungen auf atomarer Ebene vornehmen, um elektronische Schaltkreise im Inneren des Diamanten zu erzeugen. Dies könnte für die Herstellung von Instrumenten zur Strahlungsdetektion nützlich sein, bei denen die Haltbarkeit des Diamanten ebenfalls von Vorteil ist. Potenziell könnten solche Schaltkreise auch in Quantencomputern eingesetzt werden, die als der nächste große Durchbruch in der Computertechnologie gelten. Diamanten haben einzigartige elektronische Eigenschaften.

Grüner Beton?

Ein mit Meerwasser hergestellter Zement auf Magnesiumbasis könnte Kohlenstoff aufnehmen, anstatt ihn wie herkömmlicher Zement auszustoßen. Obwohl er aufgrund seiner Eigenschaften nicht für bewehrten Beton geeignet ist, könnte der „kohlenstoffnegative“ Zement in nicht bewehrten Materialien, einschließlich Betonblöcken, verwendet werden, die etwa 15 % aller Betonanwendungen ausmachen. Jedes Jahr werden Milliarden Tonnen Portlandzement hergestellt, die für etwa 8 % der weltweiten Kohlendioxidemissionen verantwortlich sind, die durch das Erhitzen von kohlenstoffhaltigem Kalkstein mit fossilen Brennstoffen zur Herstellung von Kalziumoxid entstehen. Angesichts des Klimawandels sind Bemühungen um nachhaltigere Alternativen dringend erforderlich.

Reaktive Magnesiumoxidzemente sind eine solche kohlenstoffarme Alternative, zumal sie sich durch Aufnahme von Kohlendioxid verfestigen. Solche Zemente werden jedoch in der Regel aus dem kohlenstoffhaltigen Mineral Magnesit gewonnen, das nicht überall verfügbar ist und bei der Kalzinierung zur Gewinnung von Magnesiumoxid CO2 freisetzt.

Nun haben Dr. Shiho Kawashima und Dr. Daniel Esposito, die an der Columbia University in New York arbeiten, ihr jeweiliges Fachwissen auf dem Gebiet der Zementverarbeitung und der Elektrochemie zusammengebracht, um einen Magnesiumzement zu entwickeln, der anstelle von Magnesiumoxid Magnesiumhydroxid verwendet, das aus Meerwasser gewonnen wird. Dadurch wird ein kohlenstofffreisetzender Kalzinierungsschritt überflüssig und es könnte möglicherweise mehr Kohlenstoff entfernt werden, als bei der Herstellung freigesetzt wird.

Das Verfahren stützt sich auf membranlose Elektrolyseure, die von Espositos Labor entwickelt wurden und einen sauren und einen alkalischen Strom erzeugen, wenn Meerwasser durch sie geleitet wird. Dies ermöglicht eine präzise Steuerung des pH-Werts, so dass Magnesiumhydroxid ausgefällt werden kann. Das Team zeigte, wie dies zur Herstellung eines Zements genutzt werden kann, der während des Aushärtungsprozesses Kohlendioxid aufsaugt und feste Karbonate bildet, die mit der Zeit an Festigkeit gewinnen.

„Meerwasser ist ein kohlenstofffreier Rohstoff, und in Verbindung mit der Karbonathärtung ist es möglich, Kohlenstoffnegativität zu erreichen, wenn der elektrochemische Ernteprozess mit erneuerbarer Energie betrieben wird und das Kohlendioxid aus der Atmosphäre durch direkte Luftabscheidung oder aus dem Ozean durch direkte Ozeanabscheidungstechnologien bezogen wird“, erklärt Kawashima. Es gibt aber auch Zweifel an der Umsetzbarkeit der Neuentwicklung.

P Batjatya u. a. Proc. Nat, Acad.Sci. USA (2022) Bd 119 e2114680119 DOI 10.1073/pnas2114680119