WISSEN DER ZUKUNFT - Magazin Wissen TOPPX

Im Rahmen des Forschungsprojekts „Stadtpilot“ hat die Technische Universität Braunschweig in ihrem Kompetenzzentrum, dem Niedersächsischen Forschungszentrum Fahrzeugtechnik, ein Forschungsfahrzeug entwickelt, dass automatisch eine vorgegebene Strecke im regulären Verkehr fährt. Bei Geschwindigkeiten bis 60 km/h kann das Forschungsfahrzeug „Leonie“ auf der zweispurigen Fahrbahn des Braunschweiger Stadtrings die Spur halten, Kreuzungen berücksichtigen, Hindernisse beachten sowie Abstände und Geschwindigkeiten dem fließenden Verkehr anpassen.

Die Fahrstrecke führt über einen Teil des Braunschweiger Stadtrings von der Hans-Sommer-Straße bis zur Kreuzung Mühlenpfordtstraße und zurück. Ein Sicherheitsfahrer, der notfalls eingreifen kann, ist dabei vorgeschrieben.

Forschungsprojekt „Stadtpilot“

Das Forschungsprojekt „Stadtpilot“ ist weltweit bisher das einzige Forschungsprojekt, das automatisches Fahren im realen Stadtverkehr umsetzt. Bereits 2007 hatte die TU Braunschweig mit dem VW Passat Variant „Caroline“ erfolgreich an der DARPA Urban Challenge, dem weltweit führenden Wettbewerb autonomer Fahrzeuge, teilgenommen und war einer der elf Finalisten von ursprünglich 89 Bewerbern. Aufbauend auf diesen Erfahrungen entwickelt ein interdisziplinäres Team aus drei verschiedenen Fakultäten nun den Nachfolger „Leonie“.

„Der Sprung von unserem ersten Fahrzeug ‚Caroline‘ zu ‚Leonie‘ ist groß“, erläutert Professor Markus Maurer. „Während ‚Caroline‘ beim Wettbewerb in einem kontrollierten Szenario gefahren ist, gilt es hier, das reale Verkehrsaufkommen zu bewältigen. ‚Leonie‘ hat es mit vielfältigen Verkehrsteilnehmern zu tun, die unterschiedlich und manchmal sogar regelwidrig fahren. Sie muss ihre Geschwindigkeit dem fließenden Verkehr anpassen. Und schließlich ist natürlich ein umfangreiches Sicherheitskonzept notwendig.“

„‚Leonie‘ muss nicht nur die Verkehrsregeln beherrschen, sondern auch all das, was auch ein Mensch zum Autofahren braucht. Sie muss ihre Umwelt ‚sehen‘, sie muss Entscheidungen treffen und alleine Gaspedal, Bremse und Lenkrad bedienen. Die ersten autonomen Fahrten auf dem Braunschweiger Stadtring sind allein schon auf Grund der realen städtischen Umgebung ein Meilenstein und Grundlage für viele weitere Forschungsjahre“, sagt Projektleiter Jörn Marten Wille.

Ziel des Projekts „Stadtpilot“ in den nächsten Jahren ist es, den Braunschweiger Stadtring vollständig autonom umfahren zu können. Die Herausforderungen dieses Projekts liegen in der besonders komplexen Umgebung: der dichte Verkehr auf der teilweise baulich getrennten zweispurigen Straße stellt erhöhte Anforderungen an die Umfeldwahrnehmung, die engen Straßen erfordern eine präzise Spurplanung und die dichte, urbane Bebauung erschwert die exakte Positionsbestimmung.

Forschungsfahrzeug „Leonie“

„Leonie“ ist ein VW Passat Variant, 2.0 TDI. Via Satellitenortung kann der Wagen seine Position im Straßenverkehr berechnen. Verschiedene Laserscanner und Radarsensoren sorgen dafür, dass „Leonie“ ihr Umfeld in jedem Moment wahrnehmen und dann im Rechner weiterverarbeiten kann.
Das Land Niedersachsen hat die Ausnahmegenehmigung für die Fahrten im realen Stadtverkehr (auf dem Braunschweiger Stadtring) erteilt. Sie basiert auf einem Gutachten des TÜV Nord Mobilität. Ein Sicherheitsfahrer ist dabei vorgeschrieben. Ein weiterer Fahrer gibt derzeit noch die Ampelphase ein, die noch nicht von „Leonie“ erkannt werden. (Quelle: idw; Foto: TU Braunschweig, Forschungsfahrzeug „Leonie“ vor dem Altgebäude der TU Braunschweig.)

Kontakt:
Prof. Markus Maurer
Dipl.-Ing. Jörn Marten Wille
TU Braunschweig
Institut für Regelungstechnik
Lehrstuhl für elektronische Fahrzeugsysteme
Hans-Sommer-Str. 66
D-38106 Braunschweig
Tel.: +49-531/391-63060
E-Mail: maurer@ifr.ing.tu-bs.de
wille@ifr.ing.tu-bs.de

Bis vor kurzem war es noch gängige Meinung, dass es einen direkten Zusammenhang zwischen globaler Erwärmung und einer Zunahme von Naturkatastrophen gäbe. Dann wurden Mängel im Statusbericht des Weltklimarates (IPPC, 2007) aufgedeckt. Was gilt jetzt?

Sind Stürme, Überschwemmungen, Flutwellen, Unwetter und Dürren womöglich gar nicht auf einen Klimawandel zurückzuführen? Rat und Aufklärung verspricht der „Master of Disaster“ (Meister der Katastrophen), wie Gerhard Berz, der Chef der Georisikoforschung eines großen Rückversicherers von der Zeitschrift Focus genannt wurde. Sein aktuell im Februar 2010 erschienenes Buch mit dem Titel „Wie aus heiterem Himmel?“ behandelt das Thema der Naturkatastrophen unter dem Gesichtspunkt, was uns erwartet und wie wir vorsorgen können.

„Wenn es so weitergeht, geht es bald nicht mehr weiter“, betitelt Berz ein Kapitel in der zweiten Buchhälfte, in der er die Versicherungsstatistik der 60er Jahre über große Naturkatastrophen mit der des Jahrzehnts zwischen 1999 und 2008 vergleicht. Demnach hat sich die jährliche Zahl großer Naturkatastrophen nahezu verdoppelt. Ist diese dramatische Zunahme tatsächlich auf einen menschengemachten Klimawandel zurückzuführen?

Berz ist allerdings zu sehr Kenner der Materie, als dass er die minimalen Klimaschwankungen innerhalb von 50 Jahren als Hauptursache ansehen würde. Er listet vielmehr acht Gründe auf. Der erste Grund ist die Bevölkerungszunahme. Klimawandel als Grund für die Zunahme von Naturkatastrophen erscheint dagegen an letzter Stelle.

Als Leser frage ich mich unwillkürlich: Wie kann die Bevölkerungszunahme seit den 60er Jahren, immerhin auf das Dreifache ihres ursprünglichen Werts, der Grund für Naturkatastrophen sein? Es ist kaum denkbar, dass das Erdbeben von Haiti mit Hunderttausenden Toten oder das kürzliche Beben in Chile mit anschließendem Tsunami von einer wachsenden Erdbevölkerung ausgelöst wurde. Auch der Hurrikan 2005, der New Orleans verwüstete, wird wohl kaum seine Ursache in der Fruchtbarkeit der Bevölkerung haben.

Berz erklärt zunächst systematisch alle vorkommenden Extremereignisse der Natur. Beispielsweise hängen neunzig Prozent aller Erdbeben mit den Bewegungen der Erdkruste zusammen. Die Kontinentalplatten verschieben sich permanent, weil sie auf einem heißen zähflüssigen Erdinneren schwimmen. Wenn zwei Platten aneinander reiben, geht das nicht ohne Beben ab. Für die Natur ist das keine Katastrophe, sondern ein gewöhnlicher Vorgang: „Die Natur kennt keine Katastrophen“ (Max Frisch).

Berz überrascht in einem späteren Kapitel den Leser, wenn auch eher unbeabsichtigt. Die Überraschung hängt mit der Definition des Begriffs „Große Katastrophen“ zusammen. So werden nämlich Ereignisse bezeichnet, welche die Selbsthilfefähigkeit der betroffenen Region deutlich übersteigen. Dazu müssen zwei Dinge zusammenkommen. Erstens müssen Menschen von dem Ereignis betroffen sein und zweitens muss es deren Selbsthilfefähigkeit weit übersteigen. Eine verheerende Überschwemmung in der Sahara, bei der keine Menschen betroffen sind, ist demnach keine große Naturkatastrophe.

Als aufmerksamer Leser wundere ich mich nun, dass sich die Zahl der großen Naturkatastrophen seit den 60er Jahren nur verdoppelt hat, während die Weltbevölkerung bekanntlich auf das Dreifache anstieg. Wegen des Zusammenhangs zwischen der betroffenen Bevölkerungszahl und der Definition großer Katastrophen hätte eigentlich auch die Zahl der Menschen, deren Selbsthilfefähigkeit deutlich übertroffen wird, auf das Dreifache steigen müssen. So macht es fast den Eindruck, als habe die absolute Zahl an Extremereignissen eher abgenommen. Berz löst zwar nicht das Paradoxon, aber mithilfe der gegebenen Information kommt man als Leser selbst auf die Lösung.

Die absolute Schadenszunahme hängt einerseits mit den immer ausgedehnteren und zahlreicheren Großstadtregionen zusammen, die von Extremereignissen betroffen werden. Andererseits müssen aber die Vorsorgemaßnahmen gegen die Naturkatastrophen zugenommen haben und zwar noch mehr als die Zunahme der Schäden.

Das Treffen von Vorsorgemaßnahmen ist ein wichtiges Anliegen von Berz. Zu jeder beschriebenen Katastrophenart schildert er, wie man Katastrophen entweder vermeidet, und wenn das nicht möglich ist, durch vorbeugende Maßnahmen zumindest soweit abmildern kann, sodass selbst bei Eintritt eines Extremereignisses nicht mehr von einer großen Naturkatastrophe die Rede sein kann.

Es sind keineswegs die extrem kostenträchtigen und kaum wirksamen Maßnahmen gegen CO2-Emissionen, welche der Vorsorge gegen große Naturkatastrophen dienen. Es sind einfache und direkt wirksame Maßnahmen, wie die folgenden Beispiele zeigen.

Die Kölner Altstadt wird durch mobile Schutzwände gegen Überschwemmungen des Rheins geschützt. Die Kosten betragen nur einen Bruchteil der sonst möglichen Schäden. Gegen Tsunamis kann man Warn- und Kommunikationssysteme aufbauen: Es braucht keine Hunderttausende Tote zu geben. In Bangladesh dienen Betonschutzbauten auf Stelzen zur Vorsorge gegen Killer-Zyklonen. Die Einhaltung und Kontrolle spezieller Bauvorschriften verhindert ein Erdbebeninferno. Ein gutes Warnsystem kann dafür sorgen, dass wertvolle bewegliche Gegenstände vor einem drohenden Extremereignis in Sicherheit gebracht werden. Mögliche Schäden an unbeweglichen Gütern brauchen deshalb nicht zum völligen Ruin des Geschädigten zu führen.

Die Klimamärchen des Weltklimarats haben uns lange den Blick getrübt für wirklich sinnvolle Vorsorgemaßnahmen gegen große Naturkatastrophen. Berz öffnet uns mit seinem Buch die Augen und zählt auf, wie wir zwar nicht Extremereignisse, aber doch große Naturkatastrophen mit relativ einfachen und wirksamen Mitteln weitgehend verhindern können. - Klaus-Dieter Sedlacek - Bild: Flut cc-by-sa Joy Garnett (archive)(flickr)

Video: Schwarze Löcher - Materiefresser im All

Nackt trotz kosmischer Zensur? Wenn ein Schwarzes Loch die Hüllen fallen lässt

Ein Schwarzes Loch - singulärer Endpunkt eines massereichen Sterns - wird nach gängiger Meinung umhüllt vom Ereignishorizont, der die Grenze herkömmlicher Physik markiert. Aber muss das so sein?

Die moderne Naturwissenschaft hat viele höchst ungewohnte Ideen hervorgebracht, aber kaum eine ist so seltsam wie das Schicksal eines großen Sterns. Nachdem er im Lauf von Millionen Jahren seinen Brennstoff verbraucht hat, kann er seiner eigenen Schwere nicht mehr widerstehen und beginnt zu kollabieren. Bei einem genügend massereichen Himmelskörper überwindet seine Gravitation letztlich alle Kräfte, die den Kollaps aufhalten könnten, und ein Millionen Kilometer großes Objekt schrumpft praktisch auf einen Punkt zusammen.

Die meisten Physiker und Astronomen glauben, das Resultat sei ein Schwarzes Loch - ein Körper, dessen ungeheure Schwerkraft alles in seiner unmittelbaren Nachbarschaft verschlingt. Dieses Monstrum besteht aus zwei Teilen. In seinem Zentrum liegt eine Singularität - der unendlich kleine Punkt, in dem sich die gesamte Materie des Sterns zusammenballt. Rundherum liegt ein Gebiet, dessen Rand Ereignishorizont heißt und aus dem es kein Entkommen gibt. Sobald etwas in diese Zone eindringt, verschwindet es auf Nimmerwiedersehen. Falls das hineinstürzende Objekt Licht aussendet, wird auch dies von der Singularität eingefangen; ein äußerer Beobachter sieht es niemals wieder.

Aber ist dieses Bild wirklich wahr? Pankaj S. Joshi, Physikprofessor am Tata Institute of Fundamental Research in Mumbai (Indien) und Spezialist für Gravitation und Kosmologie, hat seine Zweifel, die er in der Dezember-Ausgabe von Spektrum der Wissenschaft begründet. Aus den bekannten physikalischen Gesetzen, so Joshi, geht zwar hervor, dass eine Singularität entsteht, aber über den Ereignishorizont sind die Aussagen verschwommen. Den meisten Physikern kommt der Horizont als wissenschaftliches Feigenblatt sehr gelegen, denn sie müssen erst herausfinden, was bei einer Singularität genau vor sich geht: Materie wird zermalmt, aber was wird dann aus ihr? Indem der Ereignishorizont die Singularität versteckt, kaschiert er diese Wissenslücke durch eine so genannte “kosmische Zensur”: Was auch immer in einem Schwarzen Loch geschehen mag - es bleibt drin.

Doch neue Forschungen ziehen diese Arbeitshypothese zunehmend in Zweifel. In manchen Kollaps-Szenarien bildet sich kein Ereignishorizont, und die Singularität bleibt sichtbar oder, wie Physiker sagen, nackt. Sowohl Materie als auch Strahlung können hineinfallen und wieder herauskommen. Während der Besuch der Singularität in einem Schwarzen Loch eine Reise ohne Wiederkehr wäre, könnte man sich im Prinzip einer nackten Singularität beliebig weit nähern und zurückkehren, um davon zu berichten.

Falls nackte Singularitäten existierten, wären die Folgen enorm; sie würden fast jeden Aspekt der Astro- und Grundlagenphysik berühren. Wenn es keine Horizonte gibt, können mysteriöse Vorgänge in der Nähe der Singularitäten die Außenwelt beeinflussen. Vielleicht erklären nackte Singularitäten gewisse rätselhafte astronomische Phänomene bei hohen Energien, und vielleicht bieten sie die Möglichkeit, das Gewebe der Raumzeit bei kleinsten Größenordnungen zu erforschen. Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Dezember 2009

Was sich wie ein Delikt anhört, nämlich das »Tunneln« ist ein ganz normaler quantenphysikalischer Vorgang. Erstmals ist es nun gelungen Elektronen live zu beobachten, wie sie die Atome verließen, von denen sie gefangen gehalten wurden (Heraustunneln).

Der Tunneleffekt erklärt unter anderem, wie es zur Kernfusion in der Sonne kommt oder auch die Funktionsweise des Raster-Tunnelmikroskops, mit dem man bis zu 100-Millionenfach vergrößern kann. Der Fernsehprofessor der Physik, Harald Lesch, demonstriert in der Bildungssendung Alpha Centauri eindrucksvoll, was es mit diesem Phänomen »Tunneleffekt« auf sich hat. Zu Beginn schwebt er durch die Tafelwand der Fernsehkulisse, so wie ein Geist, den keine Barriere von einem Spuk abhalten kann. Gleich darauf nimmt er wieder eine feste Gestalt an und erklärt, dass der Zuschauer seine Vorführung mit Vorsicht genießen soll. Mit dieser Warnung hat er wohl recht. Denn wenn ein Zuschauer es ihm gleich tun wollte, würde er nur Beulen und blaue Flecke davontragen. Die Wahrscheinlichkeit, dass Menschen durch Wände gehen können, ist verschwindend gering. Nur mikroskopischen Quantenobjekten wie Elektronen oder Protonen gelingt dieses Kunststück mit deutlich höherer Wahrscheinlichkeit.

Man kann den Effekt am Beispiel einer Kugel erklären, die ein Mensch mit Schwung einen Hügel hochrollen lässt. Wenn die Energie, welche der Kugel mitgegeben wird, nicht genügt, rollt die Kugel immer wieder zurück, anstatt die Kuppe zu überwinden und ins nächste Tal zu gelangen. In der Quantenphysik besteht dagegen für Quantenobjekte die Möglichkeit den Potentialwall, wie der Hügel genannt wird, zu durchtunneln. In einem Augenblick befindet sich das Quantenobjekt noch vor dem Potentialwall und im nächsten Augenblick schon dahinter im nächsten Tal. Es ist ein sprunghafter Übergang ohne Zwischenzustände.

Heraustunneln von Elektronen aus Atomen

Noch niemand konnte bisher das Quanten-Tunneln in Echtzeit beobachten. Dieses Kunststück ist nun Physikern des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik gelungen. Sie haben das Heraustunneln von Elektronen aus einem Atom erstmals in live verfolgt. Die elektrischen Kräfte innerhalb eines Atoms halten normalerweise jene Elektronen fest, die sich in seinem Inneren aufhalten. Die Kräfte bilden den Potentialwall, den es zu überwinden gilt, wenn sich ein Elektron aus dem Atom herauslösen soll.

Der Trick der Max-Planck-Physiker bestand darin, mit Hilfe von Attosekunden-Laserblitzen die Elektronen näher an den Rand ihres Atomgefängnisses zu bringen. Eine Attosekunde ist milliardster Teil einer milliardstel Sekunde und damit unvorstellbar kurz. Der Laserblitz vergrößert die Wahrscheinlichkeit, dass die Elektronen aus ihrem Atomgefängnis entkommen können. Und tatsächlich, nach einem zweiten Laserblitz, der die Breite des Potentialwalls ein wenig verringerte, nutzen die Elektronen die Gelegenheit, um herauszutunneln.

Atome, denen ein Elektron fehlt, sind positiv geladen. Als die Physiker im Anschluss an das Experiment die positiv geladenen Atome zählten, waren sie nicht schlecht überrascht, dass zahlreiche Elektronen entkommen waren. Noch interessanter ist aber die Feststellung, dass der Zeitbedarf für das Heraustunneln praktisch kaum messbar ist, sodass die Physiker annehmen, der Tunnelprozess benötige überhaupt keine Zeit. Die Erkenntnisse sollen helfen, bessere Röntgenlaser für die medizinische Therapie zu entwickeln.

Tunneleffekt und Hirnforschung

In der Hirnforschung kann das quantenmechanische Tunneln möglicherweise eine Erklärung für die Geschwindigkeit von bewussten Denkprozessen liefern. Die einzelnen Neuronen des Gehirns werden durch Schnittstellen verbunden, die Synapsen heißen. Diese besitzen einen winzigen Spalt, der überwunden werden muss, wenn ein Signal von Neuron zu Neuron übertragen werden soll. Die herkömmliche Theorie besagt nun, dass zur Übertragung von Signalen an den Synapsen, das ursprünglich elektrische Signal in ein chemisches umgewandelt werden muss. Die Theorie kann aber nicht die Geschwindigkeit von bewussten Denkprozessen erklären. Wie jeder weiß, der schon mal einen Akku am Stromnetz geladen hat, benötigt die Umwandlung von elektrischer Energie in chemische erhebliche Zeit. Würde die herkömmliche Theorie stimmen, müsste Denken schneckengleich langsam sein. Weil das der Erfahrung widerspricht, nehmen einige Hirnforscher an, dass der extrem schnelle quantenmechanische Tunneleffekt zur Überwindung des synaptischen Spalts eine Rolle spielt. Sollte man das experimentell bestätigen können, hätte man gleichzeitig eine Verbindung von Bewusstsein zur Welt der Quanten mit all ihren seltsamen Phänomenen gefunden. - Klaus-Dieter Sedlacek - (Foto: R.Motti via flickr.com)

Der Autor ist Verfasser des Buchs mit dem Titel »Unsterbliches Bewusstsein, Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen« in dem aufgrund quantenphysikalischer Phänomene die Existenz von Bewusstsein auch außerhalb des Gehirns nachgewiesen wird.

Vor allem in Südafrika und Australien gibt es mächtige, zwei bis 3,4 Milliarden Jahre alte geologische Formationen aus Eisenoxid und Siliziumdioxid. Manche von diesen sogenannten gebänderten Eisenformationen (englisch: Banded Iron Formations, BIFs) enthalten viele Milliarden Tonnen Eisenoxid und haben eine Ausdehnung von 100.000 Quadratkilometern. Diese Eisenerze decken nicht nur einen Großteil des Weltbedarfs an Eisen, sondern sind auch von besonderem Interesse für die Wissenschaft. Die Wissenschaftler erhoffen sich von der Erforschung dieser Gesteinsformationen Aufschluss über die Entwicklung der Atmosphäre und des Klimas sowie der Evolution von Mikroorganismen in der frühen Erdgeschichte. Wie die Ablagerungen mit den auffälligen Bänderungen entstanden sind, ist bislang unbekannt. Doch die Geomikrobiologen vom Zentrum für Angewandte Geowissenschaften der Universität Tübingen Nicole R. Posth und Florian Hegler unter der Leitung von Prof. Andreas Kappler können jetzt der Entstehungsgeschichte ein wichtiges Puzzleteil hinzufügen. Sie haben erstmals eine plausible Erklärung gefunden, auf welche Weise Mikroorganismen an der Bildung der Eisenerze beteiligt waren und wie sie auch zur Ablagerung der immer im Wechsel mit dem Eisen auftretenden Siliziumdioxid-Schichten beigetragen haben.

Das Eisen im Urozean stammte aus heißen Quellen am Ozeanboden und war als reduziertes, zweiwertiges Eisen im Wasser gelöst. Der Großteil des Eisens in den heutigen BIFs liegt jedoch als oxidiertes, dreiwertiges Eisen vor. Die Forscher wissen deshalb, dass das zweiwertige Eisen zur Ablagerung oxidiert werden musste. Im klassischen Modell zur Entstehung der BIFs wurde angenommen, dass die Oxidation durch Sauerstoff geschah, den frühe einzellige Lebewesen, die Cyanobakterien, durch ihren Stoffwechsel als Abfallprodukt gebildet hatten. Die Forschung der letzten Jahre hat gezeigt, dass zu diesem frühen Zeitpunkt in der Erdgeschichte vermutlich nur sehr wenig oder sogar kein Sauerstoff vorhanden war. Es wurde auch bezweifelt, dass es damals überhaupt schon Cyanobakterien gab. Die Bildung der ältesten BIFs kann also nicht durch Sauerstoff geschehen sein. Denn die ältesten bekannten gebänderten Eisenerze stammen bereits aus dem Präkambrium, sie sind bis zu vier Milliarden Jahre alt - das Alter der Erde wird auf 4,5 bis 4,6 Milliarden Jahre geschätzt.

Andreas Kappler und seine Arbeitsgruppe knüpften bei ihren Forschungen an eine Theorie an, die im Jahre 1969 zum ersten Mal veröffentlicht wurde: Danach sollten die Erze durch eisenoxidierende Bakterien entstanden sein, die zum Leben zwar Licht, aber keinen Sauerstoff benötigten. Allerdings wurden solche anaeroben phototrophen eisenoxidierenden Bakterien erst 1993 in der Natur entdeckt und konnten dann im Labor gezüchtet und untersucht werden. Mit Hilfe von Lichtenergie oxidieren sie zweiwertiges Eisen und setzen es zu dreiwertigem Eisen um - eben zu solchen rostigen Mineralen, wie sie in den BIFs enthalten sind. Die Tübinger Geomikrobiologen entdeckten nun, dass die Ausfällung von Eisen- und Silikatmaterialien in den BIFs natürlichen Temperaturschwankungen unterlag. Die Abhängigkeit von der Temperatur würde auch die bisher unerklärte alternierende Bänderung der Gesteinsformationen erklären: Die Eisenbakterien oxidieren zweiwertiges Eisen nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches. Wenn die Temperatur sinkt, werden weniger Eisenoxide gebildet. Im Gegenzug fällt in einer chemischen Reaktion das im Wasser gelöste Siliziumdioxid in Form von festem Silikat aus. Steigt die Temperatur erneut, werden die Eisenbakterien wieder aktiv und lagern die nächste Schicht Eisenminerale ab - und so weiter. Dadurch lässt sich die typische Wechsellagerung von Eisenoxid- und Silikatmineralien erklären.

Durch ihre Arbeiten können die Tübinger Wissenschaftler nicht nur erstmals erklären, wie Mikroorganismen an der Bildung der Bänderung der BIFs beteiligt sind. Die Forschungsergebnisse geben auch weitere Hinweise darauf, dass zu dieser frühen Zeit auf der Erde sauerstoffbildende Bakterien wie die Cyanobakterien nicht die wichtigste Rolle gespielt haben oder vielleicht noch gar nicht vorhanden waren. Damit hätte es auch noch keinen beziehungsweise nur wenig Sauerstoff in der Atmosphäre gegeben. Stattdessen dominierten vor einigen Milliarden Jahren andere Mikroben wie die von den Tübingern untersuchten Eisenbakterien die Ozeane. (Quelle: idw)

Die Entwicklung eines effektiven, mit Sonnenlicht angetriebenen Systems zur Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gehört heute zu den wichtigsten Herausforderungen der wissenschaftlichen Forschung, insbesondere mit Hinblick auf das Langzeitpotenzial von Wasserstoff als sauberen, umweltfreundlichen Treibstoff. Die existierenden künstlich entwickelten Systeme sind sehr ineffizient und benötigen zumeist den Einsatz zusätzlicher chemischerWirkstoffe, weshalb die Entwicklung neuer Methoden zur Aufspaltung von Wasser so wichtig ist.

Prof. David Milstein und seine Kollegen vom Fachbereich Organische Chemie am Weizmann Institut haben einen einzigartigen Ansatz entwickelt, der wichtige Stufen zur Bewältigung dieser Herausforderung bietet. Das Forschungsteam konnte eine neue Art der Bindungsentstehung zwischen Sauerstoffatomen nachweisen und sogar ihren Mechanismus bestimmen. Den Flaschenhals beim Aufspaltungsprozess von Wasser stellt eigentlich die Erzeugung von Sauerstoffgas durch die Formation einer Bindung zwischen zwei Sauerstoffatomen aus Wassermolekülen dar. Die Forschungsergebnisse des Teams wurden kürzlich in Science veröffentlicht.

Die Natur hat einen anderen Weg eingeschlagen und dabei ein sehr produktives Verfahren entwickelt: die Photosynthese in den Pflanzen ist die Quelle allen Sauerstoffs auf der Erde. Obwohl es deutliche Fortschritte im Verständnis der Photosynthese gegeben hat, ist noch immer unklar, wie dieses System funktioniert; weltweit bemüht man man sich intensivst - jedoch ohne große Erfolge - um die Entwicklung eines künstlicher photosynthetischer Systeme, welche auf Metallkomplexen basieren, die als Katalysatoren dienen. (Ein Katalysator ist eine Substanz, die eine chemische Reaktion steigern kann, ohne selbst verbraucht zu werden.)

Der neue Ansatz des Weizmann-Teams unterteilt sich in eine Serie von aufeinanderfolgenden thermalen und durch Licht beeinflussten Reaktionen, die zur Freilassung von Wasserstoff und Sauerstoff in Stufen führen. Die Reaktionen werden durch einen einzigartigen Zusatz katalysiert: ein besonderer Metallkomplex, den das Milstein-Team in vorherigen Forschungsstudien entwickelte. Darüber hinaus ist der von ihnen entworfene Metallkomplex, der auf dem Element Ruthenium beruht, ein “schlauer” Komplex, in dem das Metallzentrum und der angeheftete organische Teil bei der Aufspaltung des Wassermoleküls zusammenwirken.

Das Team fand heraus, dass beim Vermischen des Komplexes mit Wasser, die Bindung zwischen einem Wasserstoffatom und dem Sauerstoffatom im Wassermolekül aufbricht, wobei das Wasserstoffatom sich an den organischen Teil anbindet, während das verbliebene Wasserstoff- und Sauerstoffatom (OH-Gruppe) sich an das Metallzentrum des Komplexes binden.

Diese modifizierte Version des Komplexes stellt die Grundlage für den nächsten Abschnitt in dem Verfahren dar: der “Heizabschnitt”. Wenn die Wasserlösung auf 100 Grad Celsius erhitzt wird, wird das Wasserstoffgas aus dem Komplex freigelassen (eine potenzielle Quelle für sauberen Treibstoff ) und eine weitere OH-Gruppe wird dem Metallzentrum hinzugefügt.

“Aber der interessanteste Abschnitt ist der dritte, der “Lichtabschnitt”,” sagt Milstein. “Wenn wir diesen dritten Komplex bei Zimmertemperatur dem Licht aussetzten, wird nicht nur Sauerstoffgas produziert, sondern der Metallkomplex fällt zurück in seinen Ursprungszustand und läßt sich dann für weitere Reaktionen wieder verwenden.”

Diese Ergebnisse sind deshalb so bemerkenswert, weil die Erzeugung einer Bindung zwischen zwei Sauerstoffatomen durch einen künstlich hergestellten Metallkomplex ein sehr seltenes Ereignis ist und bisher unklar war, wie dies überhaupt geschieht. Auch haben Milstein und sein Team es geschafft, einen bisher unbekannten zugrundeliegenden Mechanismus solcher Verfahren zu identifizieren. Weitere Experimente haben gezeigt, dass in diesem dritten Abschnitt Licht die notwendige Energie bietet, um die beiden OH-Gruppen zusammen zu bringen, die dann Wasserstoffperoxid (H2O2) bilden, dass schnell in Sauerstoff und Wasser auseinander bricht. “Weil Wasserstoffperoxid als ein relativ instabiles Molekül bekannt ist, haben Wissenschaftler diesen Abschnitt stets mißachtet und als implausibel erachtet; aber wir haben das Gegenteil bewiesen,” sagt Milstein. Darüber hinaus hat das Forschungsteam gezeigt, dass die Anbindung zwischen den beiden Sauerstoffatomen in einem einzigen Molekül entsteht - und nicht zwischen den Sauerstoffatomen in separaten Molekülen, wie bisher angenommen - und dass sie von einem Metallzentrum ausgeht.

Die Entdeckung eines effizienten künstlichen Katalysators für die von Sonnenlicht angetriebene Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff ist ein Hauptziel der Erforschung erneuerbarer, sauberer Energie. Bisher hat Milsteins Team einen Mechanismus für die Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser vorgeführt, mit Hilfe von Licht und ohne den Einsatz eines chemischen Wirkstoffs. Für ihre nächste Studie planen sie diese Abschnitte miteinander zu verbinden, um ein effektives Katalysatorsystem zu schaffen, das die Erforschung alternativer Energien einen wichtigen Schritt in Richtung ihrer praktischen Anwendung voranbringen soll.