Brief aus England

Es gibt nur zwei ernsthafte Möglichkeiten. Die erste ist der Einsatz von Wärmepumpen, während die zweite Option darin besteht, das Gasleitungsnetz beizubehalten, es aber für den Transport von Wasserstoff und nicht, wie derzeit, von Methan (Erdgas) zu nutzen. Wenn man sich für die erste Option entscheiden würde, würde die gesamte Gasindustrie einfach verschwinden. Kein Unternehmen ist glücklich, wenn es – faktisch – zur Schließung gezwungen wird. Die britische Gasindustrie, die vielleicht 200.000 Menschen beschäftigt, kämpft also ums Überleben. Leider sind die wirtschaftlichen Bedingungen nicht gerade günstig für sie. Bei mit Strom betriebenen Wärmepumpen werden mit 1 kWh Strom (wie auch immer er erzeugt wird) vielleicht 3 kWh Wärme produziert – die sogenannte „Leistungszahl“. Zugegeben, in den Wintermonaten kann dieser Wert niedriger sein – im schlimmsten Fall vielleicht nur 1:1. Im alternativen Szenario, bei dem Wasserstoff durch Elektrolyse erzeugt und dann im Haus oder Büro verbrannt wird, erzeugt 1 KWh Strom normalerweise nur ca. 0,5 kWh Wärme. Angesichts dieser Zahlen ist es schwer, ein zukünftiges Wasserstoff-Netzwerk zu be-
fürworten. Ein weiteres Problem wird weniger häufig erwähnt. Ein Großteil des britischen Gasnetzes basiert auf Stahlrohren (und manchmal sogar auf Gusseisen). Das kleinere Wasserstoffmolekül diffundiert viel schneller als Methan durch irgendwelche Poren oder andere Lecks. In einer „Wasserstoff-Zukunft“ müssten daher die meisten Gasrohre durch Kunststoff ersetzt werden - ein enormer Kostenfaktor (Anm. der Redaktion: In Deutschland soll des Gasnetz z. T. für Wasserstofftransport nutzbar sein. Mehr zur Wasserstoffnutzung im Interview mit Prof. Paatsch in Galvanotechnik 9/2023, S. 1250)

Ein weiterer Schlag für die Gasindustrie ist der zunehmende Druck zur Abschaffung von Gaskochern (Herd) im Haushalt. Obwohl sie nur für ca. 2 % der CO₂-Emissionen verantwortlich sind, wächst die Besorgnis, dass Gasherde vor allem im Winter, wenn die meisten Fenster geschlossen sind, ungesunde NO₂-Werte erzeugen. Einige Gasversorger geben inzwischen an, dass sie kein Gas mehr liefern, wenn ein Haus mit einer Wärmepumpe beheizt wird und das Gas nur noch zum Kochen verwendet werden soll. In den USA führen die Städte einschließlich New York und San Francisco Gesetze ein, die die Verwendung von Erdgas in Wohnungen verbieten. In England verwenden heute nach einer groben Schätzung weniger als 50 % der Haushalte einen Gasherd, obwohl einige von ihnen noch einen Gasofen haben. Wenn ein typischer britischer Haushalt ca. 2000 Euro pro Jahr bezahlt, entfallen davon etwa 200 Euro auf die Kosten für die Unterstützung des eigentlichen Netzwerks – die Rohrleitungen. Die Gasindustrie versucht verzweifelt, alternative Verwendungsmöglichkeiten für ihre Rohrleitungen zu finden. Zu den vorgeschlagenen alternativen Verwendungen gehört der Transport von Warmwasser für sogen. Fernwärme, wie sie in Skandinavien und anderswo zu finden ist. Aber die vorhandenen Rohre wären in den meisten Fällen nicht geeignet. Fazit: es scheint, dass – vielleicht innerhalb von zehn Jahren – ein ganzer Industriezweig langsam sterben wird – die Hersteller von Geräten, Gaskesseln und Küchenöfen, die Installateure und die Anlagen und Netzwerke zur Produktion und Verteilung von Erdgas. Angeblich gilt das auch für Deutschland und viele andere europäische Bundesländer.

Eine Welt in Wasserknappheit

Selbst im regenreichen England gibt es Befürchtungen, dass es zu Wasserknappheit kommen könnte. Aber in vielen Teilen der Welt ist Wasserknappheit eine Tatsache, und Frauen und Kinder müssen manchmal mehr als einen Kilometer zur nächsten Wasserquelle laufen. Das Wasser ist manchmal nicht einmal zum Trinken geeignet. Neue Daten aus dem „Aqueduct Water Risk Atlas“ des WRI (www.wri.org/aqueduct) zeigen, dass 25 Bundesländer mit 25 % der Weltbevölkerung jeden verfügbaren Liter Wasser verbrauchen. 50 % der Weltbevölkerung leiden mindestens einen Monat im Jahr unter dieser Situation. Dabei sind zwei Drittel der Erdoberfläche von Meeren und Ozeanen bedeckt – doch leider sind diese Gewässer salzig und nicht trinkbar. Nach Angaben des Fachverbandes International Desalination Association sind heute rund 300 Millionen Menschen auf entsalztes Meerwasser angewiesen. Das Wasser wird von mehr als 21.000 Anlagen geliefert, das sind fast doppelt so viele wie noch vor 10 Jahren. Der Klimawandel und das Bevölkerungswachstum werden den Bedarf weiter erhöhen. Fast alle diese Anlagen werden mit fossilen Brennstoffen betrieben. Es ist also klar, dass wir ein neues Konzept für die globale Wasserversorgung brauchen. Sowohl die Vakuumdestillation als auch die Umkehrosmose (RO) benötigen enorme Mengen an Energie. Ein kleines kanadisches Unternehmen, Oneka Technologies, hat schwimmende Anlagen entwickelt, die das Meerwasser mit Umkehrosmose reinigen - und dabei ausschließlich mit Wellenenergie betrieben werden. Die schwimmenden Entsalzungsanlagen von Oneka sind wie Bojen auf dem Meeresboden verankert. Die Bojen nehmen die Energie der vorbeiziehenden Wellen auf und wandeln sie in mechanische Pumpenkräfte um, die das Meerwasser ansaugen und etwa ein Viertel davon durch die Entsalzungsanlage drücken. Das frische Trinkwasser wird dann durch Pipelines an Land gepumpt, wobei wiederum nur die Energie der Wellen genutzt wird. Die Technologie verbraucht keinen Strom und wird zu 100 % mechanisch angetrieben. Die Anlagen benötigen nur einen Meter hohe Wellen, um zu funktionieren, und das Unternehmen hofft, dass es sie ab dem nächsten Jahr kommerziell verkaufen kann. Es gibt sie in drei Größen, von denen die größte 8 Meter lang und 5 Meter breit ist, und sie können bis zu 49.000 Liter Trinkwasser pro Tag produzieren. Das System von Oneka ist modular aufgebaut – mehrere Bojen können nebeneinander verankert werden – und es ist meerestauglich.

In den Niederlanden verfolgt das niederländische Unternehmen Desolenator (www.desolenator.com) einen anderen Ansatz zur Nutzung erneuerbarer Energien für die Entsalzung – es verwendet Sonnenkollektoren. Deren gesammelte Wärme und elektrische Energie wird zum Betrieb eines thermischen Verdampfungssystems verwendet. Überschüssiger Strom, der nicht sofort verbraucht wird, wird in Batterien gespeichert, während überschüssige Wärme und elektrische Energie zum Betrieb eines thermischen Verdampfungssystems verwendet wird. Der nicht sofort benötigte Strom wird in Batterien gespeichert, während die überschüssige Wärme in Warmwasserspeichern gehalten wird. Dies führt zu einer ununterbrochenen Energieversorgung, so dass die Entsalzung auch in der Nacht fortgesetzt werden kann. Desolenator gibt keine Salzsole ins Meer zurück. Stattdessen wird das gesamte Salz für die kommerzielle Nutzung aufgefangen. „Sole war lange Zeit ein Problem bei der Entsalzung“, sagt Lauren Beck, Leiterin der Projektabteilung des Unternehmens. „Im Grunde ist sie ein Abfallprodukt. Wir kristallisieren die Sole, um hochwertiges Salz zu gewinnen. Und da wir keine schädlichen Chemikalien verwenden, ist dies ein sehr reines, hochwertiges Salz, das wir für jede Art von industrieller Nutzung verkaufen können. Dies ist ein echter Ansatz für die Kreislaufwirtschaft.“ Abbildung 1 zeigt die geplante Desolenator Anlage in den Vereinigten Arabischen Emiraten. Das Unternehmen installiert jetzt eine Anlage in Dubai mit einer Leistung von 40 Kubikmetern pro Stunde zum Preis von 1 US-Dollar pro 1000 Liter.

Fazit: Das sind zwei sehr unterschiedliche Technologien zur Erzeugung von sauberem Wasser. Man wünscht diesen Unternehmen viel Erfolg. Denn beide nutzen nahezu überall verfügbares Meerwasser als Quelle.

Die elektronische Nase – eine Erfolgsgeschichte

Sogen. „Elektronische Nasen“ sind sicherlich nicht neu. Aber in den letzten Monaten gab es erhebliche technologische Fortschritte, die diese Geräte immer empfindlicher gemacht haben. Und wie bei fast allen elektronischen Geräten sinken auch hier die Kosten stetig. Ihre Herstellung ähnelt der von Leiterplatten und ist daher für unsere Branche von Interesse. Aber vielleicht noch wichtiger ist, dass sich ihre Leistung dank der Einführung von Künstlicher Intelligenz enorm verbessert hat. Ein führendes Unternehmen, das allerdings erst 2021 gegründet wurde, ist das israelische Unternehmen Sensifi. Ihr Patent WO2022/101913 A2 trägt den Titel „Vorrichtung und Verfahren zum Nachweis von Krankheitserregern“. Es basiert auf einer interdigitalen Elektrode, auf deren Oberfläche Kohlenstoffpunkte angeordnet sind. Gegenwärtig ist die Haupttätigkeit von Sensifi der Nachweis von schädlichen Bakterien in Lebensmitteln. Abbildung 2 zeigt das Konzept und die elektrische Leistung, d. h. die Veränderung der Kapazität mit der Zeit.Abb. 2: Sensor auf der Grundlage einer interdigitalen Kohlepunktelektrode (IDE) mit zeitlicher Kapazitätsveränderung während des Bakterienwachstums Grafik: Sensifi

Sensifi ist bei weitem nicht der einzige Akteur in diesem Bereich. Das weltweit tätige Unternehmen NTTData (https://nttdata-solutions.com) hat Niederlassungen in mindestens einem Dutzend Städten in Deutschland, vor allem in Berlin. Das Unternehmen deckt ein breites Spektrum an Aktivitäten ab und beschäftigt sich auch damit, wie KI für die Erkennung und Analyse von Gerüchen genutzt werden kann. Da elektronische Nasen immer empfindlicher werden und mit KI verbunden werden, um ihre Leistung zu verbessern, werden sie in immer mehr Bereichen eingesetzt. Der erste Bereich war die Lebensmittelsicherheit (bakterielle Verunreinigung). Inzwischen werden sie in verschiedenen Bereichen der Medizin eingesetzt. Die NTTData-Website listet eine Reihe neuer oder potenzieller Anwendungen auf. Da stellt sich mir die Frage: Könnten wir diese Geräte in unserer Branche einsetzen? Die Oberflächentechnik setzt organische Verbindungen ein. Eine elektronische Nase könnte undichte Stellen oder gefährliche Mengen flüchtiger Verbindungen aufspüren. Sie könnte vielleicht sogar für einige Formen der chemischen Analyse verwendet werden. Unsere Branche ist an der Herstellung dieser Geräte beteiligt - vielleicht kann sie sie ja auch selber einsetzen.

Shauloff, N., Morag, A., Yaniv, K. et al. Sniffing Bacteria with a Carbon-Dot Artificial Nose. Nano-Micro Lett. 13, 112 (2021). (https://doi.org/10.1007/s40820-021-00610-w)

Hoch fliegen – aber wie?

Vor einigen Wochen sorgte die Fluggesellschaft Virgin Atlantic für Schlagzeilen, als sie den ersten Transatlantikflug in einem Düsenflugzeug mit „Sustainable Aviation Fuel“ (SAF), zu deutsch: Nachhaltigem Flugtreibstoff) durchführte. Es ist also unbestritten, dass diese Technologie machbar ist. Aber ist sie auch wirtschaftlich sinnvoll? Eine Reihe von Unternehmen auf der ganzen Welt entwickelt Treibstoffe aus Pflanzen oder anderen pflanzlichen Stoffen. Eines dieser Unternehmen ist Virent (www.virent.com) mit Sitz in Madison, Wisconsin, USA. Das Unternehmen arbeitet an der Kommerzialisierung seiner BioForming-Technologie zur Herstellung einer Reihe von Kohlenwasserstoffen und anderen organischen Verbindungen als Alternativen zu denen, die aus natürlichem Erdöl gewonnen werden. Abbildung 3 skizziert das Verfahren.Abb. 3: Das Virent-Verfahren zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen Grafik: Virent

Allein die weltweite Luftfahrtindustrie verbraucht rund 300 Milliarden Liter Kerosin pro Jahr. Wie viel davon könnte aus Pflanzen und ähnlichen organischen Stoffen hergestellt werden? Es hat sich gezeigt, dass SAF aus organischem Abfall, wie z. B. Küchenmüll aus Restaurants, hergestellt werden kann. Aber das ist eine so kleine Quelle, dass sie unbedeutend ist. Virent hat, wie auf seiner Website zu sehen ist, einige sehr große Partner, einschl. Johnson Matthey, Ineos und Marathon Petroleum. Wir können sicher sein, dass Virent einen vernünftigen Geschäftsplan hat, aber man fragt sich, wie dieser aussieht? Werden wir jemals in der Lage sein, genügend SAF zu produzieren, um einen bedeutenden Beitrag zur Nutzung durch Fluggesellschaften zu leisten?

Höhenflug – mit Wasserstoff

In den letzten Wochen gab es bedeutende Fortschritte bei der Verwendung von flüssigem Wasserstoff als Flugkraftstoff. Das deutsche Unternehmen H2Fly, das 2021 von der US-amerikanischen Joby Aviation übernommen wurde, demonstrierte im September dieses Jahres seine Technologie mit vier Flügen, darunter einem, der drei Stunden dauerte. Ihr Flugzeug nutzt flüssigen Wasserstoff und Brennstoffzellen, um elektrisch angetriebene Propeller mit Energie zu speisen. Im Juni 2023 kündigte Joby Aviation die Entwicklung eines neuen Brennstoffsystems an, das es Flugzeugen mit 20 bis 80 Sitzplätzen ermöglichen wird, in Höhen von über 7000 Metern zu fliegen. Joby Aviation entwickelt auch eine Reihe von Lufttaxis, die senkrecht starten und landen können, einige mit Wasserstoff, andere mit Batterien betrieben. Auf ihrer Website www.jobyaviation.com/news finden Sie Einzelheiten zu ihren Projekten. Joby Aviation ist bei weitem nicht das einzige Unternehmen, das wasserstoffbetriebene Flugzeuge entwickelt. Zeroavia (www.zeroavia.com) entwickelt ebenfalls Passagierflugzeuge mit bis zu 80 Passagieren. Gegenwärtig verfügen wir noch nicht über die Technologie für Interkontinentalflüge, aber vielleicht werden wir in zehn Jahren das Ende der herkömmlichen Gasturbinen für innereuropäische Flüge erleben (Abbildung  4).Abb. 4: Angetrieben von flüssigem Wasserstoff und Brennstoffzellen hat das H2Flyaircraft viele erfolgreiche Testflüge absolviert Foto: Joby Aviation

Endlich – der Neue Tesla Cybertruck

Vor drei Jahren stellte Tesla-Eigentümer Elon Musk das neue Modell des Unternehmens vor – den Cybertruck – und kündigte an, dass die Produktion sofort beginnen würde. Es war in vielerlei Hinsicht ein radikal neues Fahrzeug. Die Markteinführung war nicht zu 100 % erfolgreich – Musk behauptete, das neue Fahrzeug habe unzerbrechliche Fenster. Um dies zu demonstrieren, warf Franz von Holzenhausen, sein technischer Direktor, eine schwere Metallkugel gegen eine der Scheiben – die zu seiner Verlegenheit zerbrach! Aber dann gab es viele Probleme mit der Lieferkette und es wurden keine Cybertrucks produziert. Jetzt, Anfang dieses Monats, wurde der Cybertruck auf den Markt gebracht und wird jetzt produziert, wenn auch zunächst nur in kleinen Stückzahlen. Elon Musk präsentierte das neue Modell auf eine Theaterbühne in Austin, Texas. Der Cybertruck ist ein sogenannter „Pick-up“-Truck. Die Fahrgastzelle hat fünf Sitzplätze und eine Ladefläche von 1,83 x 1,22 m und kann eine Last von 1134 kg tragen. Das Ladevolumen beträgt 3420 Liter. Er kann einen fast 5000 kg schweren Anhänger ziehen, hat eine Bodenfreiheit von 43 cm und eine Reichweite von 540 km (700 km mit sogen. „Range Extender“). Es gibt zwei Versionen, eine mit zwei Elektromotoren und die andere mit Allradantrieb. Der Cybertruck ist das erste neue Modell von Tesla seit vier Jahren, und Tesla plant eine Produktion von 250.000 Einheiten pro Jahr bis 2025. Der Cybertruck hat eine Karosserie aus rostfreiem Stahl, die nicht lackiert ist. Der Cybertruck ist so neuartig, dass einige unsicher sind, ob sich die Käufer für ihn entscheiden werden oder ob sie bei ihren alten Favoriten wie dem Ford F150 (E) bleiben werden. Der Listenpreis beträgt 61.000 US-Dollar für das Modell mit Zweiradantrieb, 80.000 US-Dollar für das Allradmodell und eine Luxusversion für 99.990 US- Dollar. Zum Vergleich: Der Ford F150 „Lightning“ EV kostet nur 50.000 US-Dollar. Ähnliche E-Pickups werden von Rivians RIT für 73.000 Dollar angeboten, und der größere und leistungsstärkere GM „Hummer“ kostet 93.000 Dollar. Wird der Cybertruck ein kommerzieller Erfolg werden? Er ist in vielerlei Hinsicht radikal, und einige potenzielle Käufer sind in ihren Kaufgewohnheiten konservativ. Die Zeit wird es zeigen!

Science Fiction – jetzt ist sie da

Science-Fiction-Liebhaber kennen die magischen Flugmaschinen, die ihre Benutzer ohne viel Training jederzeit und überall hinbringen können. Ist die Science-Fiction nun Wirklichkeit geworden? Ein französischer Erfinder, Franky Zapata, hat den so genannten „Airscooter“ entwickelt, der nächstes Jahr in Marseille in Produktion gehen soll. Der Airscooter ist in Wirklichkeit ein Ein-Personen-Hubschrauber. Er hat 12 Rotorblätter, und ist ein Elektro-Benzin-Hybrid. Er hat eine Reichweite von 200 km, eine Reisegeschwindigkeit von 80 km/h und eine Höchstgeschwindigkeit von 100km/h, mit einer Flugzeit von > 2 Stunden. Er kann eine Last von bis zu 120 kg tragen. Es wird behauptet, dass jeder diese Maschine nach nur 10 bis 30 Minuten Unterricht fliegen kann. Er ist außerdem mit einem Bordcomputer ausgestattet, der die Flugparameter so einschränkt, dass der Pilot innerhalb eines vordefinierten Bereichs in einer sicheren Höhe bleibt. Es ist nicht möglich, scharf zur einen oder anderen Seite abzubiegen oder unsichere Manöver durchzuführen.

Zapatas Firma (www.zapata.com) hat zumindest einen Großinvestor angezogen, Lukasz Gadowski, einen deutschen Geschäftsmann, der bereits in ein chinesisches Lufttaxiunternehmen und die indische Motorradgruppe TVS investiert hat. Allerdings gibt es ein großes Problem. Die verschiedenen Bundesländer haben unterschiedliche Vorschriften für die Zulassung von Flugzeugen. Die europäischen Luftfahrtvorschriften verpflichten die Piloten von Ultraleichtflugzeugen, eine Ausbildung und Prüfung zu absolvieren, was den Einsatz von Zapatas Airscootern ausschließt. In den USA und einer Handvoll anderer Länder wie Brasilien und China gibt es keine solchen Vorschriften. In den USA können Flugzeuge mit einem Gewicht von weniger als 115 kg ohne Lizenz geflogen werden. Derzeit gibt es keine Pläne, die Airscooter an Privatpersonen zu verkaufen, obwohl Preise zwischen 69.000 und 100.000 US-Dollar genannt wurden. Vielmehr sollen sie für den Freizeitgebrauch vermietet werden.Abb. 5: Kostengünstige Satelliten können mit einer industriellen Strickmaschine hergestellt werden

Ein gestrickter Satellit

Weltraumsatelliten werden heute fast täglich gestartet und kreisen auf einer niedrigen Erdumlaufbahn oder im tieferen Weltraum. Die Herausforderung besteht darin, ihre Kosten zu senken. Ein neuer britischer Satellit, der nächstes Jahr gestartet werden soll, dürfte dieses Ziel erreichen. Er heißt CarbSar und könnte dazu beitragen, eine Lücke in den britischen Spionagekapazitäten zu schließen. Der Satellit wird die Radartechnologie nutzen, um durch die Wolken hindurch zu blicken und wird sogar nachts arbeiten. Im Ukraine-Konflikt hat sich der Wert solcher Systeme gezeigt, die zur Überwachung russischer Stellungen eingesetzt wurden. Die beiden britischen Unternehmen – Surrey Satellite Technology Limited (SSTL) und Oxford Space Systems – sind der Ansicht, dass sie ein ähnliches, selbst entwickeltes System anbieten können. Der neue Satellit befindet sich im Bau – und ein Start mit einer amerikanischen Rakete ist bereits gebucht. Neu ist die Art der Konstruktion. Der Satellit besteht aus einem gestrickten Wolframdrahtgeflecht, das für den Start eng gefaltet wird, sich aber in der Umlaufbahn zu einer großen, schirmartigen Form aufspannt. Die endgültige Form muss bis auf 1–2 mm genau sein. Es entsteht eine 3 m breite Antenne/Reflektor, mit der der Satellit den Erdboden abbildet. Das vergoldete Wolframgeflecht ist an einer Reihe von Stäben aus Kohlefaserverbundwerkstoff befestigt, die radial um eine zentrale Nabe gewickelt werden können, so dass die Dehnungsenergie in diesen Stäben oder Rippen, sobald sie freigesetzt wird, auf natürliche Weise in ihre aufgerichtete Konfiguration zurückspringt und dabei das Geflecht in Position zieht. Der „Schirm“ wird mit einer herkömmlichen Strickmaschine hergestellt (Abbildung 5), was die Herstellungskosten erheblich senken wird. Sobald der Satellit in der Umlaufbahn ist, wird er in der Lage sein, Objekte bis zu einer Größe von einem Meter zu erkennen, sowohl bei Tag als auch bei Nacht. Die Kosten für Raketenstarts sind in den letzten Jahren stark gesunken. Wer weiß, was wir mit kostengünstigeren Satelliten noch alles erreichen können.