Brief aus England

Vom Himmel hoch

Die Luft- und Raumfahrt ist – sowohl in wirtschaftlicher als auch in technologischer Hinsicht – einer der blühendsten und dynamischsten Sektoren der Welt. Im Juni dieses Jahres hat Airbus den größten Einzelauftrag der Geschichte erhalten. Die indische Fluggesellschaft IndiGo bestellte 500 Flugzeuge mit einem Listenpreis von 60 Milliarden US-Dollar. Der Auftrag ist etwas größer als der vorherige Weltrekord bei den Einzelaufträgen. Dieser wurde im März dieses Jahres ebenfalls von einer indischen Fluggesellschaft, Air India, für 47 Milliarden US-Dollar erteilt, in diesem Fall aufgeteilt zwischen Airbus und Boeing. Im Mai bestellte Ryanair zudem 300 Boeing 737 Max. Zusammen mit früheren Bestellungen hat IndiGo nun 1000 Flugzeuge bestellt und wartet auf die Auslieferung. Alle diese Flugzeuge haben konventionelle Triebwerke, die mit Kerosin betrieben werden. Alle sind sich einig, dass die zivile Luftfahrt „grün“ werden muss. Aber wie? Das britische Unternehmen Nova Pangaea (www.novapangaea.com ) hat ein patentiertes Verfahren zur Herstellung von Bioethanol aus landwirtschaftlichen Abfällen entwickelt und baut eine Anlage im Vereinigten Königreich (Abb. 1). Aber wird dieses Verfahren wirtschaftlich tragfähig sein? Ich habe bereits über einen Plan berichtet, Haushaltsabfälle aus London in Biokraftstoffe für Flugzeuge umzuwandeln. Aber die Mengen an solchen sogenannten nachhaltigen Flugzeugtreibstoffen sind nur ein winziger Bruchteil des weltweiten Bedarfs. Nach Angaben der IATA wird die weltweite Gesamtproduktion von sogenanntem Sustainable Aircraft Fuel (SAF) im Jahr 2022 bei ca. 450 Millionen Litern liegen. Die dreifache Menge wäre nötig, um allein 10 % der britischen Nachfrage zu decken. Man wünscht solchen Unternehmungen viel Erfolg, aber es ist schwer abzusehen, was die Zukunft für sie bereithält.

Wasserstoff als Flugzeugtreibstoff für die Zukunft

Airbus ist einer von mehreren Flugzeugherstellern, die eine „konventionelle“ Gasturbi­ne entwickeln, die Wasserstoff anstelle von Kerosin verwendet. Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor ist ein wichtiger Bestandteil des ZEROe-Demonstratorprogramms. CFM International, ein Gemein­schafts­un­ter­nehmen von GE und Safran, wird das Wasserstoffverbrennungstriebwerk entwi­ckeln und für die Tests vorbereiten. Konkret wird das Unternehmen die Brenn­kammer, das Treibstoffsystem und das Steuerungssystem eines GE Passport-Turbotriebwerks für den Betrieb mit Wasserstoff modifizieren. Das Triebwerk wurde aufgrund seiner Größe, der fortschrittlichen Turbomaschine und der Fähigkeit, Kraftstoff zu fördern, ausgewählt. Es könnte in 15 Jahren Realität werden. Jede Technologiekomponente – die Tanks für flüssigen Niedertemperatur-Wasserstoff, der Wasserstoff-Verbrennungsmotor und das Verteilungssystem für flüssigen Wasserstoff – wird einzeln am Boden getestet. Anschließend wird das Gesamtsystem zunächst am Boden und dann im Flug getestet. Der erste Flug wird voraussichtlich in den nächsten fünf Jahren stattfinden. Rolls-Royce hat im vergangenen November erfolgreich eine mit Wasserstoff betriebene Gasturbine getestet. Es scheint kaum noch Zweifel daran zu geben, dass diese Technologie eine realisierbare Option für emissionsfreie Flugzeuge ist.

Flugzeuge – die elektrische Option

Elektrisch betriebene zivile Flugzeuge fliegen bereits heute, allerdings bisher nur bei Testflügen. Einige von ihnen verwenden Batterien, entweder allein oder zusammen mit einem Brennstoffmotor. Andere werden Brennstoffzellen verwenden. Bei fast allen Akteuren besteht der Ansatz darin, ein bestehendes Flugzeug mit neuen Antriebssystemen nachzurüsten. So plant Eco­jet (www.ecotricity.co.uk) den Einsatz einer DHC-6 Twin Otter (mit 19 Sitzen) und dann einer Dash 8 mit 70 Sitzen. Die ersten Flüge sind für 2025 bzw. 2027 geplant. ZeroAvia (https://zeroavia.com) hat im Januar bereits Testflüge mit einer 19-sitzigen Dornier 228 durchgeführt. Dies war das größte Brennstoffzellen-Flugzeug, das je geflogen ist. Doch nur drei Monate später wurde dieser Rekord gebrochen, als die 40-sitzige ATR 72 von Universal Hydrogen mit Sitz in Kalifornien (https://hydrogen.aero) ihren ersten Flug absolvierte. Das Unternehmen verfolgt einen einzigartigen Ansatz, bei dem der Wasserstoff in sogenannten „Capsules“ enthalten ist, die mit einem Gabelstapler auf das Heck des Flugzeugs geladen werden (Abb. 2). Dies bedeutet, dass am Flughafen keine besondere Infrastruktur erforderlich ist. Stralis Aircraft in Australien (https://stralis.aero) verwendet eine Beech 1900D mit 15 Sitzplätzen, die mit zwei elektromotorisch angetriebenen Propellern nachgerüstet wurde und mit Wasserstoff-Brennstoffzellen betrieben wird. Die Reichweite wird mit 800 km angegeben, die Geschwindigkeit mit 500 km/h und die kommerzielle Produktion ist für 2026 geplant. Die größere SA-1 wird 50 Sitzplätze haben, eine Reichweite von 3000 km und eine Geschwindigkeit von 580 km/h erreichen und soll 2030 starten. Airbus arbeitet ebenfalls an der Entwicklung der gleichen Technologie. Es gibt auch batteriebetriebene Flugzeuge, die ich bereits beschrieben habe. Wright Electric (https://weflywright.com) plant die Umrüstung einer BAE 146 auf Batteriebetrieb, um eine Flugzeit von einer Stunde und eine Reichweite von ca. 450 km zu erreichen. Dies sind nur einige der Projekte auf der ganzen Welt und wahrscheinlich werden einige nie erfolgreich sein.

Abb. 2: Eine sogenannte Capsule mit Wasserstoff, die das 40-sitzige Flugzeug ATR 72 der kalifornischen Firma Universal Hydrogen antreibt. Testflüge fanden im vergangenen April stattFür einen vollständigen oder auch nur teilweisen Verzicht auf erdölbetriebene Flugzeuge wären enorme Mengen an „grünem Wasserstoff“ und damit eine enorme Steigerung der Stromerzeugung erforderlich. Allein in England würde die benötigte Menge an neuem Strom ca. das Dreifache der gesamten hier derzeit produzierten grünen Energie betragen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir jetzt die Technologie haben, um emissionsfreie Flugzeuge zu bauen. Aber die Kosten für die Wasserstoffinfrastruktur, um sie zu unterstützen, wären enorm. Es gibt noch ein weiteres Problem. Ich habe vorhin nur über einige der zahlreichen neuen Flugzeuge berichtet, die bestellt wurden oder auf ihre Auslieferung warten. Solche Flugzeuge haben in der Regel eine Lebensdauer von bis zu 20 Jahren. Selbst wenn in vielleicht fünf Jahren Elektroflugzeuge zur Verfügung stehen sollten, wären Fluggesellschaften wie Air India auf keinen Fall bereit, ihre bestehenden Investitionen in herkömmliche Düsenflugzeuge abzuschreiben. Wir werden emissionsfreie Flugzeuge bekommen – aber es wird mindestens 25 Jahre dauern, bis es soweit ist. Ich habe hier versucht, einen Überblick über die Entwicklungen bei Starrflügelflugzeugen zu geben. Es gibt auch viele spannende Entwicklungen bei anderen Flugzeugtypen, wie z. B. Lufttaxis, auf die ich in einer anderen Ausgabe zu sprechen kommen werde.

Ein neues Leben für Solarmodule

Im Laufe der Zeit verschlechtern sich Solarmodule und werden immer weniger effizient. Nach etwa 25–30 Jahren ist es in der Regel kostengünstiger, sie durch neue zu ersetzen. Experten gehen davon aus, dass irgendwann Milliarden von Solarmodulen entsorgt und ersetzt werden müssen. Nach einer Berechnung könnten es bis zu 2,5 Milliarden Solarmodule sein, wie Dr. Rong Deng, Experte für das Recycling von Solarmodulen an der Universität von New South Wales in Australien, sagt. Derzeit gibt es jedoch so gut wie keine Anlagen für das Recycling von Solarmodulen und die Rückgewinnung der in ihnen enthaltenen wertvollen Materialien. Ein französisches Unternehmen hat daher Ende Juni eine neue Anlage eröffnet – die erste Fabrik der Welt, die sich ganz dem Recycling von Solarmodulen widmet. ROSI (www.rosi-solar.com), das auf Solarrecycling spezialisierte Unternehmen, dem die Anlage in Grenoble gehört, hofft, irgendwann 99 % der Bestandteile einer Einheit extrahieren und wiederverwenden zu können. Abbildung 3 zeigt die Bestandteile von Photovoltaik-Solarmodulen in einem Tortendiagramm. Das neue Werk kann nicht nur die Glasfronten und Aluminiumrahmen recyceln, sondern auch fast alle wertvollen Materialien zurückgewinnen, die in den Paneelen enthalten sind, z. B. Silber und Kupfer, die normalerweise zu den am schwierigsten zu gewinnenden Materialien gehören. Diese seltenen Materialien können anschließend recycelt und für die Herstellung neuer, leistungsfähigerer Solaranlagen wiederverwendet werden.

Abb. 3: Bestandteile von Photovoltaik-Solarmodulen, die recycelt werden könnenBei den herkömmlichen Verfahren zum Recycling von Solarmodulen wird der größte Teil des Aluminiums und des Glases zurückgewonnen, aber insbesondere das Glas ist laut ROSI von relativ geringer Qualität. Das mit diesen Methoden zurückgewonnene Glas kann zur Herstellung von Fliesen oder zum Sandstrahlen verwendet werden – es kann auch mit anderen Materialien gemischt werden, um Asphalt herzustellen –, aber es kann nicht für Anwendungen verwendet werden, bei denen hochwertiges Glas erforderlich ist, wie z. B. bei der Herstellung neuer Solarzellen. Der Markt für das Recycling von Solarmodulen wird enorm sein. Die weltweite Kapazität zur Erzeugung von Solarenergie wuchs bis 2021 um 22 %. In vielen Fällen werden Solaranlagen relativ unwirtschaftlich, bevor sie das Ende ihrer erwarteten Lebensdauer erreichen. In regelmäßigen Abständen werden neue, effizientere Designs entwickelt, was bedeutet, dass es sich als günstiger erweisen kann, Solarmodule, die nur 10 oder 15 Jahre alt sind, durch aktualisierte Versionen zu ersetzen. Nach Angaben von ROSI werden bis 2030 schätzungsweise 4 Millionen Tonnen Solarmodule verschrottet werden – was noch überschaubar ist –, aber bis 2050 könnten es weltweit mehr als 200 Millionen Tonnen sein. Die erste Generation von Solarmodulen für den Hausgebrauch hat gerade erst das Ende ihrer Nutzungsdauer erreicht. Angesichts der Tatsache, dass diese Anlagen nun kurz vor der Ausmusterung stehen, besteht laut Experten dringender Handlungsbedarf. Laut Nicolas Defrenne ist Frankreich bereits führend unter den europäischen Ländern, wenn es um die Verarbeitung von Photovoltaik-Abfällen geht. Seine Organisation Soren arbeitet mit ROSI und anderen Unternehmen zusammen und koordiniert die Stilllegung von Solaranlagen in ganz Frankreich.In der Anlage von ROSI in Grenoble werden die Solarmodule sorgfältig zerlegt, um wertvolle Materialien wie Kupfer, Silicium und Silber zurückzugewinnen. Jedes Solarpaneel enthält nur winzige Fragmente dieser Materialien, und diese Fragmente sind so stark mit anderen Komponenten verflochten, dass es bisher nicht wirtschaftlich war, sie zu trennen. Da sie aber so wertvoll sind, könnte die effiziente Gewinnung dieser wertvollen Materialien einen entscheidenden Fortschritt bedeuten, so Defrenne. „Über 60 % des Wertes sind in 3 % des Gewichts der Solarmodule enthalten“, sagt er. Derzeit gibt es auf dem Weltmarkt nicht genügend Silber, um die Millionen von Solarpaneelen herzustellen, die für den Übergang von fossilen Brennstoffen benötigt werden, wie Defrenne sagt.Natürlich entwickeln auch andere Länder der Welt ihre eigenen Technologien für das Recycling von Solarzellen. Dr. Guillaume Zante vom Centre for Materials Research an der Universität Leicester ist der Meinung, dass Sole eine glaubwürdige Alternative zu den giftigen Mineralsäuren darstellt, die für die Metallverarbeitung verwendet werden, da sie sehr preiswert ist. Sein Team versucht nun, den gleichen Ansatz für verschiedene Metalle aus unterschiedlichen Abfallquellen anzuwenden, z. B. für Smartphones, thermoelektrische Materialien und Magnete sowie Solarzellen. Das Team versichert, dass in seinem neuen Verfahren, bei dem offenbar Cholin sowie Kalzium- und Eisenchloride verwendet wird, in nur 10 Minuten mehr als 90 % des Aluminiums und Silbers aus den Solarzellen zurückgewonnen wird und dass die Qualität des Silbers hoch ist, so dass es problemlos wiederverwendet werden kann – könnte das nicht auch ein großartiges Geschäftsmodell für deutsche Galvanotechniker sein? Quelle: https://le.ac.uk/news/2022/september/bsf-solar-cells

Science Fiction wird Realität

Ältere Leser erinnern sich vielleicht an den Science-Fiction-Film „Jagd auf Roter Oktober“ aus dem Jahr 1990, in dem ein sowjetisches U-Boot mit einem revolutionären, nahezu geräuschlosen Antriebssystem beschrieben wird, das so kaum entdeckt werden kann. Jetzt, 30 Jahre nach dem Film, arbeitet die amerikanische Darpa an einem Schiffsantriebssystem, das dem im Film beschriebenen „Raupenantrieb“ ähnelt. Der so genannte magnetohydrodynamische (MHD) Antrieb kommt ganz ohne bewegliche Teile aus – nur mit Magneten und elektrischem Strom. Es funktioniert, indem es ein Magnetfeld erzeugt, das im rechten Winkel zum elektrischen Strom steht. Dadurch entsteht eine Kraft – die so genannte Lorentz-Kraft – die auf das Meerwasser einwirkt und das Schiff antreibt.

Abb. 4: Die japanische Yamato-1 zeigte, dass ein MHD-Antrieb möglich ist Ohne Propeller oder eine Antriebswelle, die das Wasser aufwirbelt, könnte ein funktionierender MHD-Antrieb eine schnelle und völlig geräuschlose Fahrt ermöglichen. Ingenieure arbeiten schon seit Jahrzehnten an MHD-Antrieben, und das ursprüngliche Konzept stammt aus den 1960er Jahren. 1992 baute die japanische Ship and Ocean Foundation die Yamato-1, ein 30 m langes Schiff, das einen MHD-Antrieb testete (Abb. 4). Der Antrieb war jedoch so schwer, dass sich die Yamato-1 nur mit 6,6 Knoten fortbewegen konnte. Außerdem verbrauchte er eine Menge Energie. Aber die Forscher sagen, dass das Projekt bewiesen habe, dass ein solcher Antrieb funktionieren kann und nützliche Daten liefert. „Authentische Informationen über Defekte und Schwachstellen sowie darüber, was gemacht werden sollte, wenn in Zukunft eine Yamato-2 gebaut wird“, sagt Hiromitsu Kitagawa, Gastwissenschaftler am Ocean Policy Research Institute, zu dem die Japanese Ship and Ocean Foundation gehört. Das Yamato-Projekt hat gezeigt, dass wesentlich stärkere Magnete und robustere Elektroden – die Teile des Antriebs, die mit dem Meerwasser in Kontakt kommen – erforderlich sind. Das erste dieser Probleme könnte mit einer neuen Generation von Magneten, die für die Kernfusionsindustrie entwickelt wurden, leicht zu lösen sein. Allerdings würden diese neuen Magnetlegierungen im Meerwasser schnell korrodieren, so dass spezielle Beschichtungen zu ihrem Schutz erforderlich wären. Ein weiteres Problem, das alle Elektrochemiker kennen, ist die isolierende Wirkung von Wasserstoff- und Sauerstoffblasen, die sich an den Elektroden bilden und den ohmschen Widerstand erhöhen. Wenn diese Blasen kollabieren, verursachen sie eine Erosion der Elektrodenoberfläche – ein weiteres Problem. Die US-Regierung finanziert ein zweijähriges Forschungsprogramm, und die US-Marine wird diese Entwicklung aufmerksam verfolgen. Die „Roter Oktober“ könnte also Wirklichkeit werden.

Das Ende eines unangenehmen medizinischen Eingriffs?

Zum Schluss des Briefs aus England noch ein Ausflug in die Welt der Medizin: Vielleicht hat der eine oder andere Leser schon einmal die unangenehme Erfahrung einer Endoskopie gemacht, bei der eine Kamera geschluckt wird, die am Ende eines langen, flexiblen Schlauchs befestigt ist, damit die Ärzte den Magen oder Darm untersuchen können. Jetzt wurde eine bessere Alternative entwickelt. Das US-Unternehmen AnX Robotica hat ein Kapselendoskopiesystem entwickelt: NaviCam – AnX Robotica. Ihre Videokapsel verwendet einen externen Magneten und einen Joystick, um die Kapsel dreidimensional im Magen zu bewegen (Abb. 5). Hierdurch sollen die erste magnetisch gesteuerte Kapselendoskopie in den Vereinigten Staaten und erhebliche Kosteneinsparungen ermöglicht werden. Für Patienten und Ärzte spart es außerdem viele Stunden Zeit.

Abb. 5: Die NaviCam – AnX Robotica zur Durchführung einer Kapselendoskopie

Mit Hilfe eines externen Magneten kann die Kapsel so gesteuert werden, dass alle anatomischen Bereiche des Magens sichtbar werden und mögliche Blutungen, entzündliche oder bösartige Läsionen auf Video aufgezeichnet und fotografiert werden. Derzeit erfordert die Verwendung des Joysticks zusätzliche Zeit und Schulung, aber es wird eine Software entwickelt, die mit Hilfe künstlicher Intelligenz die Kapsel selbständig zu allen Teilen des Magens steuert, um mögliche Anomalien aufzuzeichnen. Außerdem können die Videos zur externen Überprüfung übertragen werden, wenn ein Gastroenterologe nicht vor Ort ist, um die Bilder zu überprüfen. In ersten Versuchen verzeichnete die Kapsel eine Erfolgsquote von 95 %. Das texanische Unternehmen AnX Robotica finanzierte die Forschung und entwickelte NaviCam, das in der Studie verwendete Kapselendoskopiesystem. Die NaviCam-Kapsel hat einen Durchmesser von 11,8 mm und ist 27 mm lang. Sie bietet eine Bildauflösung von 640 x 480 (CMOS-Imager), eine variable Bildrate von 0,5–6 FPS und eine verlängerte Akkulaufzeit von bis zu 16 Stunden (bei 1fps). Quelle: „Magnetisch gesteuerte Kapsel zur Beurteilung der Magenschleimhaut bei symptomatischen Patienten (MAGNET): A Prospective, Single-Arm, Single-Center, Comparative Study“, A. Meltzer u. a. American Society for Gastrointestinal Endoscopy, Bd 2. https://doi.org/10.1016/j.igie.2023.04.007