WISSEN DER ZUKUNFT - Magazin Wissen TOPPX

Konzentrierte Sonnenenergie kann technisch nicht nur zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt werden, man kann mit ihrer Hilfe auch Brennstoffe wie Wasserstoff oder indirekt sogar flüssige Treibstoffe produzieren. Nun wurde einer der Pioniere auf diesem Gebiet, Professor Aldo Steinfeld vom Paul Scherrer Institut (PSI) und der ETH Zürich, mit dem Yellott Award, dem Preis des amerikanischen Ingenieursverband ASME für Arbeiten zu erneuerbaren Energien ausgezeichnet.

Sonnenenergie ist im Wesentlichen uneingeschränkt vorhanden und ihre Verwendung ökologisch sinnvoll. Allerdings ist die auf die Erde treffende Solarstrahlung stark verdünnt, nicht dauernd verfügbar sowie ungleichmässig über die Erdoberfläche verteilt. Diese Nachteile können überwunden werden, wenn die Sonnenenergie konzentriert und in chemische Energieträger umgewandelt wird, und zwar in Form von solaren Brenn- und Treibstoffen, die über lange Zeit gespeichert und über weite Distanzen transportiert werden können.

Sonnenlicht erfolgreich konzentrieren

Dazu werden durch hochkonzentriertes Sonnenlicht chemische Reaktionen angeregt, deren Produkte als Treibstoffe dienen können - im einfachsten Fall kann man etwa Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten und mit dem gewonnenen Wasserstoff in einer Brennstoffzelle elektrischen Strom erzeugen. Die Arbeit von Steinfeld und seinen Kollegen konzentriert sich darauf, thermochemische Hochtemperatur-Prozesse zu erforschen und besonders effiziente Solarreaktoren zu entwickeln, in denen die Vorgänge unter den extremen Bedingungen der hochkonzentrierten Sonneneinstrahlung stattfinden können. “Die Technologien zum Konzentrieren der Sonnenenergie werden bereits erfolgreich im Megawatt-Massstab in solarthermischen Kraftwerken eingesetzt. Dabei heizt konzentriertes Sonnenlicht eine Flüssigkeit auf, die wiederum Dampf erhitzt, womit eine Turbine angetrieben und über den angeschlossenen Generator elektrischer Strom erzeugt wird. Man müsste also nur einen entsprechenden chemischen Reaktor in den Brennpunkt eines Solarturm-Kraftwerks einbauen, um unser Verfahren zu nutzen” erklärt Steinfeld einen der praktischen Vorteile und das Potenzial seiner Technologie. Solarthermische Kraftwerke werden bereits in mehreren Ländern genutzt und sind in den letzten Wochen durch die Idee, in Afrika erzeugten Strom nach Europa zu transportieren, wieder ins öffentliche Bewusstsein gerückt.

Zink als Sonnenspeicher

Die Forschenden von Steinfelds Arbeitsgruppen am PSI und an der ETH arbeiten an verschiedenen chemischen Verfahren, um solare Treibstoffe herzustellen. Besonders attraktiv ist die am PSI entwickelte Methode, Zinkoxid mit Hilfe von konzentrierter Sonnenenergie in metallisches Zink und Sauerstoff aufzuspalten. Bringt man das Zink später mit Wasserdampf in Kontakt, entsteht dabei wieder Zinkoxid sowie Wasserstoff, der als Treibstoff genutzt werden kann. Der Vorteil dieses thermochemischen Kreisprozesses besteht darin, dass Sauerstoff und Wasserstoff in getrennten Reaktionen entstehen und man so nicht mit einem explosiven Gasgemisch hantieren muss. Ausserdem kann die zweite Reaktion erst an dem Ort stattfinden, an dem der Wasserstoff benötigt wird - man muss also kein Wasserstoffgas lagern oder transportieren.

Sonnenenergie tanken

Als weiteres Beispiel nennt Steinfeld die solare Produktion von Synthesegas - einer Mischung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid - das mit bekannten chemischen Verfahren in flüssigen Treibstoff umgewandelt und somit an den vorhandenen Tankstellen wie gewöhnliches Benzin getankt werden kann. “Solare Brenn- und Treibstoffe machen es möglich, Kraftwerke, Fahrzeuge und Betriebe der chemischen Industrie mit umweltfreundlicher Energie zu versorgen und leisten damit einen Beitrag zur Lösung der Klimaproblematik.” betont Steinfeld.

Um die neu entwickelten Solarreaktoren testen zu können, betreibt das Labor für Solartechnik am PSI einen Solarofen, in dem die Sonnenenergie an einem Punkt bis zu 5000-fach konzentriert werden kann und in dem Temperaturen von über 2000°C erreicht werden können. Quelle: idw; Foto: Paul Scherrer Institut

Archäologenteams der Universitäten Strassburg und Basel graben zurzeit gemeinsam in einer Höhle in der elsässischen Gemeinde Lutter. Sie erhoffen sich neue Erkenntnisse über die Übergangszeit zwischen den letzten nomadisierenden Wildbeutern und den ersten sesshaften Bauern in der Oberrhein-Region vor rund 7500 Jahren.

Im Rahmen einer Kooperation zwischen den Universitäten Strassburg und Basel findet zurzeit eine archäologische Ausgrabung im Abri St. Joseph im elsässischen Lutter statt. Hauptziel der Ausgrabung ist die Erforschung des Übergangs zwischen den letzten Wildbeutergesellschaften und den ersten Bauern in der Region südlicher Oberrhein.

Erste Sondierungen von 1983 hatten ergeben, dass das kleine Felsschutzdach (Abri) erstmals während der mittleren Steinzeit vor etwa 9000 Jahren als temporären Siedlungsplatz von Jägern und Sammlern aufgesucht wurde. Weitere Besiedlungsspuren stammen aus der frühesten Phase der Jungsteinzeit vor etwa 7500 Jahren, als die Menschen bereits erstmals ihre Nahrungsmittel durch den Anbau von Kulturpflanzen und die Haltung von Haustieren selber produzierten. Über diesen beiden Fundschichten wurden weitere Horizonte aus der Jungsteinzeit, der Bronzezeit, der Eisenzeit und der Römerzeit gefunden. Anlässlich der diesjährigen Ausgrabungskampagne werden Schichten der mittleren und frühen Jungsteinzeit (zwischen 4500 und 5500 v. Chr.) und der späten Mittelsteinzeit (um 6000 v. Chr.) ausgegraben.

Elsässer Kühe sömmern im Solothurner Jura
Der Fundplatz liegt in einer Übergangszone zwischen dem elsässischen Sundgau und den ersten Solothurner Jurahügeln. Die Forschenden nehmen an, dass die frühesten Elsässer Bauern ihr Vieh während den Sommermonaten in den nahe gelegenen Jurahügeln geweidet haben. Das Abri St. Joseph könnte dabei als Unterschlupf für die Hirten gedient haben. Aufgrund der Bestimmungsergebnisse der Tierknochenfunde wurde von diesem Standort aus auch eine spezialisierte Jagd auf Pelztiere, wie Dachs, Marder oder Biber betrieben.

Um die Lebensweise während den verschiedenen Phasen des Überganges zwischen den letzten Wildbeutern und den ersten Bauern unserer Region rekonstruieren zu können, werden Ausgrabungssedimente systematisch geschlämmt. Dadurch werden auch kleinste, wenige Millimeter grosse Werkzeuge oder Schmuckstücke gefunden, welche von blossem Auge während der Ausgrabungen nicht erkannt werden können. Besonderes Augenmerk gilt dabei den botanischen und zoologischen Überresten in den Sedimenten. Zum Beispiel können verkohlte Getreidekörner gefunden werden, welche Auskunft darüber geben, welche Getreidearten angebaut wurden und ab wann diese Getreide in der Regio Basiliensis genutzt wurden.

Die Ausgrabung in Lutter wird von den Universitäten Strassburg und Basel als Lehrgrabung durchgeführt; sie ist ein Beispiel von vielen für die grenzüberschreitende Zusammenarbeit in Lehre und Forschung der Universitäten am Oberrhein. Studierende der beiden Universitäten haben die Möglichkeit, das “Ausgrabungshandwerk” zu erlernen. Die Kosten der Ausgrabung werden von der Universität Basel, dem französischen Kulturministerium und dem Département du Haut-Rhin getragen. Quelle: idw

Mehrere astronomische Experimente haben in jüngster Zeit mysteriöse Komponenten von Elementarteilchen im Universum gemessen. Doch der Ursprung der Elektronen und Positronen blieb bislang im Dunkeln. Ist wirklich, wie einige Physiker spekulieren, dunkle Materie die Ursache für diese Strahlung?

Ein internationales Astrophysikerteam um die Bochumer Juniorprofessorin Dr. Julia Becker und den Dortmunder Physiker Prof. Dr. Dr. Wolfgang Rhode haben jetzt eine einfache Erklärung gefunden:
Gigantische Sterne, mindestens fünfzehnmal so schwer wie unsere Sonne, senden bei ihrem Tod in einer finalen Explosion die Elementarteilchen aus.
Der auf Basis dieser Theorie berechnete Fluss an Elektronen und Positronen stimmt mit dem in den astronomischen Experimenten beobachteten und bislang rätselhaften Signal überein. Wie sie die Beobachtungen mit ihrer Theorie der schweren Sternexplosionen erklären, erläutert die sechsköpfige Gruppe von internationalen Forschern in der Physical Review Letters (Ausgabe 7. August 2009).

Elementarteilchen aus dem Universum

In mehreren astronomischen Experimenten wurde kürzlich von der Beobachtung einer mysteriösen Komponente von Elektronen und Positronen aus dem Universum berichtet. Die Quellen dieser Elementarteilchen kann von den Experimenten selbst nicht identifiziert werden: Kosmische Magnetfelder lenken sie von ihren Bahnen ab und verwischen ihre Spur. Seit der Veröffentlichung der Messungen wurden viele Versuche unternommen, den Ursprung dieser Teilchenstrahlung zu erklären. Unter anderem wurde die These aufgestellt, ein solches Signal sei einzig durch die so genannte dunkle Materie erklärbar - eine Materieart, deren Ursprung bisher noch völlig unbekannt ist. “Aber die Natur hat vielleicht eine viel einfachere Erklärung für die beobachteten Teilchen”, sagt Julia Becker, die mit einem Forscherteam von Instituten aus Deutschland, den USA und Schweden zusammenarbeitet. Das Team erklärt die Teilchenstrahlung mit Explosionen von gigantischen Sternen, die mehr als das 15-fache der Masse unserer Sonne besitzen.

Das dramatische Ableben der schwersten Sterne

Ein sterbender Stern mit hoher Masse schleudert die meiste Materie, Plasma genannt, in einer finalen Explosion von sich. Die Folge ist, dass das ausgestoßene Plasma unausweichlich auf die den Stern umgebende Materie zuläuft - den sog. Sternenwind. Dieser bildet sich um die massiven Sterne, da sie schon in einem früheren Stadium einen Teil ihrer Hülle abgeben, bevor sie in der letzten Explosion vergehen. “Bei der Kollision der schnellen Materie aus der finalen Explosion mit dem Plasma früherer Ausstoßungen entstehen dann sog. Schockfronten, ähnlich wie man sie etwa auch bei Überschallflugzeugen beobachten kann”, erklärt der Dortmunder Astrophysiker Wolfgang Rhode: “Fliegt ein Flugzeug schneller als der Schall, wird die das Flugzeug umgebende Luft mit einer Geschwindigkeit nach außen gedrängt, die die Schallgeschwindigkeit überschreitet. Es kommt zum Überschallknall, der sich in Form einer Schockfront ausbreitet.” Als Schockfront bezeichnet man die sprunghafte Änderung der Dichte des Mediums an sich - dort, wo das Flugzeug die Materie wegschiebt, entsteht eine hohe Dichte, während auf der anderen Seite des Schocks die niedrige Dichte der ungestörten Atmosphäre herrscht. Genau dasselbe geschieht, wenn ein Plasma mit hoher Geschwindigkeit in ein langsameres Plasma gedrückt wird, wie es bei den Explosionen der gigantischen Sternen der Fall ist.

Elektronen und Positronen aus schweren Sternexplosionen

Wie nun in den Schockfronten der schweren Sternexplosionen Elektronen und Positronen beschleunigt werden, erklären die Forscher in ihrem Artikel: Indem sich das Plasma seinen Weg durch den Sternenwind bahnt, entstehen zwei unterschiedliche Regionen, in welchen sich jeweils unterschiedliche Schocks bilden. Auf fast der gesamten Oberfläche sind die Magnetfelder des Sterns senkrecht zu der Geschwindigkeit der Schockfront ausgerichtet. Hier entsteht ein niederenergetisches Signal von Elektronen und Positronen. Gleichzeitig ist das Magnetfeld an den Polen des ehemals rotierenden Sterns parallel zur Geschwindigkeit des Schocks ausgerichtet. Hierdurch wird hochenergetische Elektronenstrahlung erzeugt. Beide Komponenten sind in dem beobachteten Spektrum der Elektronen und Positronen sichtbar und die Messungen können mit dem Modell des Forscherteams hervorragend erklärt werden. “Für die dunkle Materie heißt das, dass sie Elektronen und Positronen nicht in gleichem Maße produziert wie die Riesensterne und dass man sie daher an anderer Stelle suchen muss”, folgert Dr. Becker. Quelle: idw

Yellowstone Daisy Geyser - Foto: cc-by Alaskan Dude (flickr)

Hamburg (ots) - Der Feuerschlot des Yellowstone unter dem gleichnamigen amerikanischen Nationalpark rumort, und Wissenschaftler befürchten einen Ausbruch dieses Supervulkans - mit katastrophalen Folgen für Mensch und Natur auf der ganzen Welt. Das berichtet NATIONAL GEOGRAPHIC DEUTSCHLAND in der Titelgeschichte der August-Ausgabe (EVT 24.7.2009). Der Yellowstone ist einer der größten und gefährlichsten Magmaherde der Welt. Wenn er ausbricht, könnte ein globaler Winter die Erde überziehen: Bei einer Eruption würden mit großer Wucht geschmolzenes Gestein, Asche und Gase in die Luft geschleudert und bis 800 Grad heiße pyroklastische Stürme über das Land fegen. Wenn sich hoch in die Stratosphäre aufsteigende Gase mit Wasserdampf vermischen, kommt ein Dunst aus Sulfatschwebstoffen, die das Sonnenlicht dämpfen - und das Weltklima verändern.

Seit 2004 Jahren heben sich Teile des Yellowstone-Kraters um fast acht Zentimeter pro Jahr. Das ist der stärkste Auftrieb seit Beginn der Beobachtungen in den siebziger Jahren. Erst damals wurde festgestellt, dass der Yellowstone nicht erloschen, sondern noch aktiv ist. Ende vergangenen Jahres registrierten Wissenschaftler einen sogenannten Bebenschwarm, der insgesamt elf Tage andauerte. Eigentlich hätte dabei Druck entweichen und sich der Erdboden senken müssen - doch er hebt sich weiter. Ob das Rumoren das Nachbeben eines früheren Ausbruchs oder der Vorbote einer neuen Eruption ist, können die Wissenschaftler noch nicht sagen.

Vor rund 2,1 Millionen Jahren fand die erste Super-Eruption im Gebiet des heutigen Yellowstone-Nationalparks statt. Insgesamt konnten die Wissenschaftler drei Super-Ausbrüche nachweisen, die alle gewaltiger waren als die meisten bekannten prähistorischen Ereignisse. Das bei diesen Ausbrüchen ausgeworfene Material entspricht einer Masse, mit der sich der ganze Grand Canyon füllen ließe.

Von Waldgeistern, Kobolden und Dämonen
Als die Volksmagie noch zum Christentum gehörte

“Knochen zu Knochen, Blut zu Blut, Glied zu Glied, als seien sie zusammengefügt!” So lautet der Zweite Merseburger Zauberspruch aus dem 10. Jahrhundert. Seine Überlieferungsgeschichte verrät, wie das christliche Weltbild im frühen Mittelalter das heidnische ablöste, berichtet das Geschichtsmagazin epoc (5/09).
Das aktuelle Titelthema “Magie im Mittelalter” gibt einen Einblick in die Volksmagie mit ihren Amulette, Alraunen und Zaubersprüchen, die die Menschen als magischen Bestandteil des Christentums verstanden. Theologen verurteilten die Zauberpraktiken jedoch. Papst Silvester II. (945-1003) kannte sich in den Naturwissenschaften und der Mathematik aus. Seine Zeitgenossen verdächtigten ihn deshalb, mit dem Teufel verbündet zu sein.

Der Merseburger Zauberspruch beschwört die Heilkraft des Gottes Wotan. Die Verse wurden im 19. Jahrhundert in einer Schrift voller christlicher Texte und Gebete entdeckt - ohne erkennbaren Bezug zu ihnen. Bis heute wissen Historiker nicht, wie die heidnische Formel in das Kirchenbuch geriet. Sie haben aber herausgefunden, wie das Christentum das Heidentum verdrängte: Mit der Taufe bekehrten sich die Menschen zu Christus und sagten sich von den alten Göttern los. Ihre magischen Rituale gaben sie deshalb aber nicht auf, wie zahlreiche überlieferte Zaubersprüche belegen. Sie gleichen der Merseburger Handschrift inhaltlich und formal - mit einem Unterschied: Die Namen der germanischen Götter wurden durch Gottvater, Jesus Christus und den Heiligen Geist ersetzt.

Wer im Mittelalter auf eine gute Ernte, Beistand vor Gericht oder Schutz auf einer Reise hoffte, versuchte seinem Glück mit Magie auf die Sprünge zu helfen. Häufig zauberten die Menschen mit Hilfe eines Priesters oder Mönchs oder sie versuchten sich selbst in Zaubersprüchen, trugen Amulette bei sich und stellten Essen für freundliche Kobolde bereit. Bis ins 18. Jahrhundert hinein durchdrang die Volksmagie das Leben der Menschen.

Unter gelehrten Theologen kam magisches Denken vor allem ab dem 14. und 15. Jahrhundert in Verruf: Einige bewerteten die Zauberpraktiken als Unfug oder Teufelswerk. Andere sahen darin ein Überbleibsel des Heidentums. Doch solche Dispute fanden fast ausschließlich in den Universitäten statt. Für die meisten Menschen gehörte die Volksmagie zum magischen Christentum - und blieben ihr treu.

Die negative Sicht der Magie in Theologen- und Gelehrtenkreisen beeinflusste auch den Nachruf auf einen klugen Mann: Papst Silvester II. Der Geistliche beschäftigte sich schon vor seiner Berufung in das heilige Amt im Jahr 999 mit Astronomie, Mathematik und Musik. Da seine Zeitgenossen seine Gedanken nicht nachvollziehen konnten, geriet der gelehrte Franzose schon zu Lebzeiten unter den Verdacht, mit dem Teufel im Bund zu stehen. Seine Karriere als Geistlicher nahm dadurch zwar keinen Schaden - sein Andenken in späteren Jahren aber schon. Quelle: epoc, 5/2009

Kein Pflänzchen weit und breit – dafür ist es in der Wüste zu trocken. Doch in der Luft ist Wasser enthalten. Forscher haben nun einen Weg gefunden, aus der Luftfeuchtigkeit Trinkwasser zu gewinnen. Das System basiert nur auf regenerativer Energie und ist daher autark.

Risse ziehen sich durch den ausgedörrten Wüstenboden – die karge Landschaft ist geprägt von Wassermangel. Doch selbst dort, wo es an Seen, Flüssen und Grundwasser mangelt, sind in der Luft erhebliche Wassermengen gespeichert: In der Negev-Wüste in Israel beispielsweise beträgt die relative Luftfeuchtigkeit im Jahresmittel 64 Prozent – in jedem Kubikmeter Luft befinden sich 11,5 Milliliter Wasser.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart haben gemeinsam mit ihren Kollegen von der Firma Logos Innovationen einen Weg gefunden, diese Luftfeuchtigkeit autark und dezentral in trinkbares Wasser umzuwandeln. »Der Prozess, den wir entwickelt haben, basiert ausschließlich auf regenerativen Energiequellen wie einfachen thermischen Sonnenkollektoren und Photovoltaikzellen, was diese Methode vollständig energieautark macht. Sie funktioniert also auch in Gegenden, in denen es keine elektrische Infrastruktur gibt«, sagt Siegfried Egner, Abteilungsleiter am IGB. Das Prinzip: Hygroskopische Salzsole – also Salzlösung, die Feuchtigkeit aufsaugt – rinnt an einer turmförmigen Anlage hinunter und nimmt Wasser aus der Luft auf. Anschließend wird sie in einen Behälter gepumpt, der in einigen Metern Höhe steht und in dem Vakuum herrscht. Energie aus Sonnenkollektoren erwärmt die Sole, die durch das aufgenommene Wasser verdünnt ist. Der Siedepunkt liegt aufgrund des Vakuums niedriger als bei normalem Luftdruck. Diesen Effekt kennt man aus den Bergen: Da der Luftdruck auf dem Gipfel geringer ist als im Tal, kocht Wasser bereits bei Temperaturen deutlich unter 100 Grad Celsius. Das verdampfte, salzfreie Wasser kondensiert über eine Destillationsbrücke und läuft über ein vollständig gefülltes Rohr kontrolliert nach unten ab, wobei die Schwerkraft dieser Wassersäule kontinuierlich das Vakuum erzeugt – eine Vakuumpumpe ist nicht nötig. Die wieder konzentrierte Salzsole fließt erneut an der Turmoberfläche hinunter, um Luftfeuchtigkeit aufzunehmen.

»Das Konzept eignet sich für verschiedene Größenordnungen: Es sind sowohl Einzelpersonenanlagen denkbar als auch Anlagen, die ganze Hotels mit Wasser versorgen«, sagt Egner. Für beide Komponenten, die Aufnahme der Luftfeuchtigkeit und die Vakuumverdampfung, gibt es Prototypen. In Laborversuchen haben die Forscher das Zusammenspiel der beiden Komponenten bereits getestet. In einem weiteren Schritt wollen die Forscher eine Demonstrationsanlage entwickeln.  (Text und Bild: Copyright © by
Fraunhofer-Gesellschaft)