Kohlenstoffdioxid – ein als Klimakiller viel gescholtenes Gas mutiert zum umweltfreundlichen Antriebsmittel und begehrten Rohstoff?

Der Treibhauseffekt

Die wichtigsten Treibhausgase sind Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid. Der zu Unrecht negativ besetzte Begriff „Treibhausgas“ lässt vermuten, dass jegliche Konzentration von Wasserdampf oder Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre schädlich ist. Im Gegenteil: Gerade der natürliche Treibhauseffekt, ohne den die Temperatur auf der Erde deutlich niedriger wäre, ermöglicht die mannigfachen Lebensformen.

Im Fokus der Klimaexperten steht dagegen das Problem, dass die erhöhte Kohlenstoffdioxidkonzentration durch anthropogen verursachte Emissionen, die auf unsere Industriegesellschaft zurückgehen, die Temperaturen zu schnell steigen lässt.

Was ist Kohlenstoffdioxid?

Kohlenstoffdioxid, eine chemische Verbindung der Zusammensetzung C: O = 1:2, ist ein farbloses, geruchsloses Gas, das aus den Elementen Kohlenstoff und Sauerstoff besteht. Es löst sich in Wasser und reagiert zur Kohlensäure. Kohlenstoffdioxid entsteht bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Substanzen. Speziell fossile Brennstoffe wie Kohle, Erdgas und Erdöl verursachen durch Verbrennung große Mengen an Kohlenstoffdioxid.

Man konnte nachweisen, dass das durch anthropogene Aktivitäten freigesetzte Kohlenstoffdioxid nur ungefähr zur Hälfte in der Atmosphäre verbleibt. Große Volumina werden von den Wäldern der nördlichen Erdhalbkugel aufgenommen. Ein weiterer wesentlicher Teil wird von den Meeren absorbiert, wodurch es zu einer zunehmenden Abnahme des pH-Wertes und Versauerung der Meere kommt, was wiederum für Organismen mit Kalkschalen wie Muscheln äußerst schädlich ist. Forscher versuchen daher auch, das bei industriellen Verfahren abgegebene Kohlenstoffdioxid einer sinnvollen Nutzung zuzuführen, anstatt es nur in die Luft entweichen lassen.

Geothermie – das Zauberwort

Eine faszinierende Verwendung des bei Kraftwerken entweichenden Kohlenstoffdioxids ist Folgende: Mittels Kohlenstoffdioxid soll Erdwärme als Energielieferant genutzt werden.

Bei der Verwertung der Erdwärme (Geothermie) wird bisher in tiefen Lagen des Erdinneren Wasser durch heißes Gestein erhitzt. Mit dem entstehenden Wasserdampf können Generatoren angetrieben werden. Nachteilig ist hierbei, dass das heiße Wasser bzw. der Wasserdampf unter großem Energieaufwand nach oben gepumpt werden muss.

In innovativen Anlagen soll die Aufgabe des Wassers nun von Kohlenstoffdioxid übernommen werden. Der Einsatz von Kohlendioxid in der Geothermie bietet den Vorteil der schnelleren und besseren Aufheizbarkeit im Vergleich zu Wassers. Das aufgeheizte Kohlenstoffdioxid dehnt sich stark aus und bewirkt einen natürlichen Auftrieb, so dass das energieaufwendigere Aufwärtspumpen entfällt.

Im Vergleich zur Wassernutzung soll durch den Einsatz des Kohlenstoffdioxids ungefähr die doppelte Menge an Strom erzeugt werden können. Die Verwendung von Kohlenstoffdioxid zur Verwertung der Erdwärme könnte auch in unter Wasserknappheit leidenden Gegenden eingesetzt werden.

Noch steckt das Verfahren in den Anfängen. Es müssen technologische Details geklärt werden, beispielsweise wie die für den Prozess des Einführens von Kohlenstoffdioxid in das Gestein aufgewandte Energie minimiert werden kann. Bei dem Verfahren fällt wieder Kohlenstoffdioxid an. Ein Trost ist, dass auf jeden Fall Strom erzeugt bzw. Energie gewonnen wird, ohne zusätzliche Emission von Kohlenstoffdioxid. Ein Nullsummenspiel wäre bereits ein Gewinn für die Umwelt.

Geothermie, Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid: Antriebsmittel für Brennstoffzellen

Mithilfe einer Brennstoffzelle kann elektrischer Strom bzw. elektrische Energie erzeugt werden. Die Brennstoffzellen benötigen den sogenannten Brennstoff, der aus Wasserstoff, Methangas oder Methanol (sowie aus weiteren Substanzen) bestehen kann.

Methanol ist ein einfacher Alkohol, der aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid mittels hoher Temperatur (Geothermie!) hergestellt werden kann. Einige Zukunftsforscher prophezeien, dass das Auto der kommenden Zeit, neben der Verwendung von Wasserstoff oder dem Elektroauto, mit Methanol fahren wird.

Zukünftige Verwertung von Kohlenstoffdioxid ist essentiell

Mein Fazit: Weltweit beschäftigen sich Wissenschaftler mit dem Problem, den Verursacher der Klimaänderung – Kohlenstoffdioxid – unschädlich zu machen. Zukunftsorientierte Forschung geht davon aus, dass das Kohlenstoffdioxid sowohl als Antriebsstoff, als Ausgangsstoff in der Kunststoffindustrie – ja sogar grundsätzlich als Ersatz für Erdöl und dessen vielfältige Verwendungsmöglichkeiten – dienen kann. Diese Varianten können ein wichtiger Bestandteil sein, um dem hausgemachten Klimawandel entgegenzuwirken.

Revolutioniert der 3D-Druck die Zahntechnik?

3D-Druck – Was versteht man darunter?

Zunächst einmal steht 3D für dreidimensional. Mithilfe des 3D-Druckers werden unter Einsatz eines Rechenprogramms computergesteuert maßgeschneiderte Formen üblicherweise aus Kunststoff gefertigt.

Additives und subtraktives Verfahren beim 3D-Druck

Das additive Verfahren ist ein Schichtverfahren. Es werden Lagen von Material aufgetragen bzw. hinzugefügt und so schrittweise das berechnete Modell entwickelt. Beim subtraktiven Verfahren wird nicht aufgetragen, sondern es wird abgetragen. Durch Fräsen und Bohren wird das gewünschte Werkstück modelliert. Beide Prozesse verlaufen digital gesteuert, wodurch eine enorme Präzision erreicht wird.

Konventionelle Fertigungstechniken für Zahnersatz

Gewöhnlich macht der Zahnarzt bzw. dessen Helfer einen Abdruck des Zahnes, wobei als Material meist Silikon verwendet wird. Der Abdruck wird in die Dentalwerkstatt geschickt, dort formt ein Zahntechniker ein Gipsmodell. In einem weiteren Arbeitsschritt wird das Gipsmodell in ein Wachsmodell überführt und letztendlich eine Krone aus Gold oder Porzellan gefertigt. Auf die gleiche Art und Weise werden Inlays aus Keramik hergestellt.

Anwendung des 3D-Druckers in der Zahnmedizin

Es beginnt mit einem Foto des Zahns oder auch der Zahnhöhle, genauer gesagt mit einem digitalen Abscannen. Die gefertigten Bilder werden per Computerprogramm in ein 3D-Modell umgerechnet. Die zugehörige Software ist ein Meisterstück der interdisziplinären Zusammenarbeit von Zahnmedizinern, Ingenieuren und Informatikern.

Anschließend wird je nach Verwendungszweck im additiven Verfahren ein Kunststoffinlay hergestellt oder mit der subtraktiven Methode ein Keramikteil ausgefräst. Beide Verfahren sind im Gegensatz zur klassischen Methode zeitsparender, da einige Arbeitsschritte entfallen. Die angefertigten Passformen sind von höchster Präzision.

Neue Aufgaben für den Zahntechniker

Die Zahntechniker der Zukunft müssen Experten im Umgang mit den Computerprogrammen sein, die speziell für den Zahnersatz entwickelt wurden. Ferner müssen sie genaue Kenntnisse in Hinblick auf die einzusetzenden Materialien haben und über ästhetischen Geschmack verfügen. Die Vision, dass der Zahntechniker im Nebenzimmer des Behandlungsraumes sitzt, ist in manchen Arztpraxen bereits Wirklichkeit geworden.

Der Zahnarzt scannt den zu behandelnden Zahn, der Computer berechnet die genaue Form des Ersatzteils, die Druckmaschine vollführt ihre Arbeit, der Zahntechniker trägt eine passende Farbe auf und härtet das Teil aus.

Die so erhaltene Krone (beispielsweise) setzt der Zahnarzt sofort dem Patienten ein. Das erfordert kein erneutes Erscheinen des Patienten. Dieses Verfahren kann letztendlich den Krankenkassen eine beträchtliche Summe an Behandlungskosten einsparen.

Warum arbeiten noch nicht alle Arztpraxen mit der 3D-Technik?

Mein Fazit: Allein die Effizienz der Arbeitsprozesse würde für den flächendeckenden Einsatz der 3D-Drucker sprechen. Doch noch kann nicht von einer optimal ausgereiften Technik gesprochen werden. Sowohl die Materialien als auch die Software sind ausbaufähig. Ferner mangelt es teilweise an der Anwenderfreundlichkeit.

Wesentlich ist auch, dass die Erfahrungen in Hinblick auf die Haltbarkeit und Körperverträglichkeit der Zahnersatzteile, die durch 3D-Technik gefertigt wurden, noch nicht als valide zu betrachten sind.

Der Natur abgeschaut – Stoffe, die sich selbst reparieren

Pflanzliche und tierische Vorbilder für innovative Materialien

Wer kennt ihn nicht, den Gecko, der aufgrund unzähliger Härchen an den Füßen glatte Wände hochklettern kann? Wissenschaftlern ist es gelungen, diesen Hafteffekt nachzuahmen. Sie entwickelten einen Klebestreifen mit unendlich vielen dünnen Härchen, die selbst größere Gewichte an der Decke oder der Wand halten können.

Weitere Zusammenhänge machen deutlich, wie eng Natur und Technik verbunden sind: Klette und Klettverschluss, Lotosblatt und sich selbstreinigende Wandfarbe, Ficus Benjamini (Birkenfeige) und sich selbstheilende Gummireifen. Die Wissenschaft, die biologische Phänomene erforscht und mit Technik kombiniert, heißt Bionik. Das Wort setzt sich zusammen aus „Bio” von Biologie und „nik“ von Technik. Ich stelle Euch im Folgenden einige interessante Beispiele dieser innovativen Forschungsrichtung vor.

Intelligente Werkstoffe

Als Smart Materials (intelligente Werkstoffe) werden Materialien wie beispielsweise Baustoffe bezeichnet, die selbstständig auf destruktive Einflüsse reagieren können. Sie bestehen meist aus Kunststoffen (Polymeren). Auch Metalle oder Metallverbundstoffe befinden sich unter diesen zukunftsträchtigen Werkstoffen.

Reparatur ohne Eingriff von außen

Forscher arbeiten an der Entwicklung fluider Polymere (teilweise gelartige Kunststoffe), die selbstheilende Systeme darstellen. Diese Materialien sollen beim Flugzeugbau eingesetzt werden. Sie besitzen die Fähigkeit, Schädigungen selbstreparierend zu beseitigen.

Ferner sollen diese multifunktionellen Nanokomposite (Polymere, die kleinste Teilchen enthalten – nano = Zwerg) in der Lage sein, das Flugzeuggewicht zu dezimieren. Damit wird als positiver Nebeneffekt der Treibstoffverbrauch verringert und die Umweltbelastung reduziert.

Kratzer im Handy oder im Autolack?

Der einfache, der Natur abgeschaute Trick liegt darin, dass, wenn der Kunststoff beschädigt wird, eingelagerte Moleküle (kleinste Teilchen) die Stellen wieder verschließen. Die Lianen sind Vorbild: Bilden sich Risse in den Stängeln, so verheilen sie in kurzer Zeit. Hierbei drängen Moleküle oder besser „Heilzellen“ aus der Biomasse der Liane zur angegriffenen Stelle, quellen dort und schließen den Riss.

Systemische Computer

Der Absturz eines Computers kann ein mittelgroßes bis großes Chaos bewirken. Der Computer der Zukunft soll so konstruiert sein, dass er sich selber reparieren kann. Er besteht aus mehreren Zentraleinheiten, die so vernetzt sind, dass jede eine Kopie der Funktionen bzw. Aufgaben abgespeichert hat. Ist ein Computervirus in eine Recheneinheit eingespeist worden, übernimmt automatisch eine andere Einheit den Part der infizierten Zelle und repariert diese anhand der abgelegten Kopie. Nach außen hin war nichts von dem Angriff zu bemerken, der Computer hat seine Arbeit kompetent fortgesetzt.

Diese sogenannten systemischen Computer sind von besonders großem Interesse für militärische und industrielle Einrichtungen, aber auch für Krankenhäuser und Energieversorgungsbetriebe. Letztendlich wird zukünftig auch jeder Privathaushalt ein entsprechendes Gerät besitzen.

Wasserstoff – Treibstoff der Zukunft?

Ausgangslage

Heutzutage werden Motoren für unterschiedliche Antriebszwecke größtenteils mit Benzin, Diesel oder Kerosin betrieben. Diese Betriebsstoffe gehören zu den Kohlenwasserstoffen, deren Umsetzungsprodukte umweltschädigende Wirkung besitzen. Die Forschung arbeitet an alternativen Treibstoffen. Hierbei gilt Wasserstoff als Favorit, da er bei der Verbrennung zum umweltfreundlichen Wasser oxidiert. Das leicht entzündliche chemische Element ist auf der Erde fast ausschließlich in gebundener Form vorhanden. Die wohl bekannteste wasserstoffhaltige Verbindung ist das Wasser – eine schier unerschöpfliche Ressource. Wasserstoff ist auch Bestandteil aller organischen Verbindungen. Erdgas und Erdöl sind hierfür bekannte Beispiele.

Möglichkeiten des Einsatzes von Wasserstoff

Eine einfache – jedoch in der Praxis mit Problemen behaftete Möglichkeit – ist Wasserstoff direkt in Verbrennungsmotoren einzuleiten. Eine weitere Methode ist die Verwendung von Wasserstoff als Energieträger in Brennstoffzellen, in sogenannten mobilen Energiequellen.

In der besagten Zelle wird Wasserstoff mit Sauerstoff oder Luft zu Wasser oxidiert. Die dabei entstehende chemische Energie kann direkt in elektrische Energie umgewandelt werden. Die gewonnene elektrische Energie treibt dann Elektromotoren an.

Brennt in der Brennstoffzelle irgendetwas?

Nein! Der Name „Brennstoffzelle“ ist auf die Brennbarkeit des zugeführten Brennstoffs Wasserstoff zurückzuführen. Die modernen Zellen enthalten eine Polymermembran, das heißt, eine poröse Trennwand aus Kunststoff, die die beiden Reaktionsräume – Wasserstoff und Sauerstoff – voneinander trennt. Sie ist durchlässig für Protonen (Wasserstoffionen).

Die Protonen treffen auf Sauerstoffmoleküle, wobei Wasser gebildet wird und Elektronen freigesetzt werden. Vereinfacht gesagt, kann der Elektronenfluss als elektrische Energie nutzbar gemacht werden.

Die Zukunft hat schon begonnen

Vor mehr als einem Jahrzehnt wurden in Hamburg die ersten mit Brennstoffzellen versehenen Busse im Linienbetrieb eingesetzt. Schiffe, Autos und selbst Bahnen können bereits mit Wasserstoff betrieben werden, wobei die Technologie immer ausgefeilter und effizienter wird.

Ist Wasserstoff als Treibstoff eine echte Alternative für konventionelle Energielieferanten?

Die Vorteile des Einsatzes von Wasserstoff sind, dass der Rohstoff Wasserstoff nahezu unbegrenzt verfügbar ist. Beim Einsatz von Wasserstoff entsteht das unbedenkliche Wasser, das heißt, die umweltschädigende Emission von Kohlenstoffdioxid entfällt. Die Speicherung von Wasserstoff ergibt jedoch noch immense Probleme. Besonders die Gefährlichkeit des brennbaren Wasserstoffs stellt die Forscher vor große Herausforderungen. Zur Lagerung bieten sich folgende Systeme an: Tieftemperatur-Flüssiggasspeicher, Hochdrucktanks und Hybridspeicher.

Ein weiterer Nachteil ist, dass die mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellen in Reihe geschaltet werden müssen. Je nach Verbrauch kann es hier zu hohen Gewichten solcher Brennstoffzellenaggregate kommen. Im Besonderen für den Betrieb großer Schiffe wie Luxusliner ist die heutige Technik noch nicht ausgereift genug.

Warum fahre ich kein Wasserstoffauto?

Neben dem Vorteil, dass bei der Fahrt das umweltfreundliche Wasser entsteht, gibt es für mich bisher noch zu viele Nachteile. Vor allem erwähnenswert ist das Problem des Tankens. Es gibt bisher kaum Tankstellen, die Wasserstoff anbieten. Außerdem trage ich letztendlich doch zur Umweltverschmutzung bei, solange der Wasserstoff selber mit hohem Energieaufwand aus fossilen Energieträgern (u. a. dem Erdgas) gewonnen werden muss.

Lösung des Abgas- und Energieproblems oder Verlagerung des Problems?

Zu Beginn des Jahrtausends haben Umwelt- und Verkehrspolitiker den Einsatz von Wasserstoff als Kraftstoff der Neuzeit befürwortet. Hierfür sprechen immer noch die ausreichende Rohstoffverfügbarkeit und die saubere Verbrennung. Trotz der prognostizierten Chancen für Wasserstoff als Treibstoff bleibt aber noch die unbeantwortete Frage: Wo soll die Energie zur Herstellung des Wasserstoffs herkommen?

Mein Fazit: Die sehr kostspielige und zum Teil noch unausgereifte Technik bzw. Infrastruktur macht Wasserstoff bisher nicht zum Allheilmittel für unsere Abgas- und Energieprobleme.