Infopunkte Naturwissenschaft

raum&zeit Ausgabe 236

Thermochemie macht es möglich – Verlustfreie Wärmespeicherung

Wärme im Sommer erzeugen und diese dann im Winter verbrauchen? Das sollte nur sehr eingeschränkt nötig sein, denn bekanntlich lässt sich Wärme nur höchst unvollständig zwischenspeichern. Ein gewisser Wärmeaustausch mit der thermischen Umgebung ist unvermeidbar, jedenfalls wenn der Isolieraufwand im Rahmen bleiben soll. Eine Lösung sind sogenannte thermochemische Speicher, bei der die Energie in Form einer chemischen oder physikalischen Reaktion gespeichert wird. Zum Beispiel wird bei der Sorptionsspeicherung im Kessel statt Wasser ein Granulat wie Kieselgel vorgehalten. Es ist extrem porös, sodass es eine extrem große innere Oberfläche besitzt. Genau genommen ist Kieselgel kein Speichermedium, sondern ein Arbeitsmedium. Wie lädt man dieses nun auf? Indem man Wärme zuführt, es also erhitzt. Denn dadurch verdunstet alles Wasser, das von der inneren Oberflächenstruktur adsorbiert worden war. Es wird einem Kondensator zugeführt, wo es in verflüssigter Form verbleibt. Dieser Vorgang (sogenannte Desorption) könnte zum Beispiel von einer Solarthermieanlage im Sommer geleis-tet werden. Natürlich muss in diesem geladenen Zustand ein Flüssigkeitsaustausch mit der Umgebung verhindert werden, was aber technisch viel leichter und effizienter zu gewähren ist als die Verhinderung von Wärmeaustausch. Führt man nun im Winter wieder Wasser in das Arbeitsmedium, so saugt es sich voll (sogenannte Adsorption) und erhitzt sich dabei – die im Sommer benutzte Wärme für das Austrocknen des Kieselgels wird als Nutzwärme wieder frei. Diese thermochemische Speicherung überzeugt mit einer erstaunlich hohen Speicherdichte von 200 bis 300 Kilowattstunden pro Kubikmeter Kieselgel. Zum Vergleich: Wasserspeicher erreichen nur circa 60 Kilowattstunden. Die nahezu verlustfreie thermochemische Wärmespeicherung erlaubt sogar Geschäftsmodelle mit mobilen Sorptionsspeichern, die etwa auf einem Solarfeld geladen und anschließend zum Abnehmer gebracht werden. Und wissenschaftliche Fortschritte gibt es auch zu vermelden. So hat das Fraunhofer FEP im Rahmen des Projekts „ZeoMet“ einen Weg gefunden, das noch viel oberflächenreichere Material Zeolith so zu beschichten, dass ein effizienter Wärmeübergang möglich wird. Das Zeolith-Granulat wird dabei in einem Drehtrommelverfahren im Vakuum metallisiert und erhält so eine dünne Aluminium-Schicht (< 0,1 mm). Zeolith-Granulat macht allerdings eine höhere Arbeitstemperatur von 100 bis 300 °Celsius erforderlich, während Kieselgel bereits im Temperaturintervall von 40 °C bis 100 °C arbeitet. (DS)

Quelle: www.fep.fraunhofer.de

Fortschritte beim Recycling Seltener Erden

Forscher nutzen ein selektives Protein

Die Metalle der Seltenen Erden umfassen insgesamt 17 Elemente, die sich chemisch ähnlich sind. So selten wie der Name suggeriert, sind sie jedoch gar nicht. Selbst das am seltensten vorkommende Seltenerdelement Thulium findet sich in der Erdkruste immer noch häufiger als die Edelmetalle Gold oder Platin. Seltenerdmetalle werden heute in vielen Schlüsseltechnologien eingesetzt, etwa in Plasmabildschirmen, Akkumulatoren, Festplatten, in der Elektromobilität oder in Generatoren von Windkraftanlagen. Der Abbau von Seltenen Erden geht in der Regel mit einer erheblichen Umweltbelastung einher. Zurück bleibt oft ein Schlammsee aus Säuren, radioaktiven Materialien und Schwermetallen. Betroffen ist hier vor allem China. Die einst weltweit größte Mine in den Vereinigten Staaten wurde aus Umweltschutzgründen bereits vor vielen Jahren geschlossen. Die Lösung kann hier nur Recycling lauten, denn dann ließen sich aus den weltweit wachsenden Elektroschrottbergen die wertvollen Komponenten zurückgewinnen. Doch das Recycling war bisher nur äußerst aufwändig möglich, weil sich die verbauten Metalle nur schwer voneinander trennen lassen. Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory (Kalifornien) haben kürzlich eine neuartige Lösung für das Problem vorgestellt: ein Protein namens Lanmodulin. Es verdaut einerseits Methan, bindet andererseits aber auch die Elemente aus den Lanthaniden, die allein 15 der SE-Metalle ausmachen. Dazu gehören unter anderem Cer und Neodym, die für viele Elektronikbauteile unverzichtbar sind. Den Forschern gelang es, das Lanmodulin an poröse Mikrokugeln zu koppeln. Werden diese dann in eine Lösung gegeben, die Cer und Neodym enthalten, binden sie diese an sich und filtern sie so heraus. Dieser Recyclingprozess funktioniert, ohne dass der Energieaufwand zu hoch wird oder weitere giftige Chemikalien benötigt werden. Ein weiterer selektiver Vorteil liegt darin, dass Lanmodulin sich unterschiedlich stark an verschiedene SE-Metalle bindet, je nachdem, wie sauer die Lösung (pH-Wert) jeweils ist. Auf diese Weise konnten die Forscher im Labor rund achtzig Prozent der SE-Elemente Neodym und Dysprosium zurückgewinnen und voneinander trennen. Zumindest theoretisch könnte Elektroschrott damit zu einer konkurrenzfähigen Quelle zur Gewinnung Seltener Erden werden. Die Wissenschaftler testeten die Lanmodulin-Kugeln auch mit Kohlenasche, in der sich ebenfalls gewisse Mengen an Seltenen Erden finden. Auch hier erfüllte das Protein die Hoffnungen der Forscher. Kohlenasche könnte somit zukünftig als Quelle für Seltene Erden dienen. (DS)
Quelle: www.trendsderzukunft.de

Chinesen vermelden Quantenüberlegenheit

Angeblich zwei Durchbrüche

Es schwelt und brodelt in der Hexenküche der Quantencomputer. Seit Jahren verdichten sich die Meldungen über neue Rekorde im Hinblick auf Rechengeschwindigkeit, Komplexität des Problems oder Stabilität der Quantenzustände. Allein – wer geglaubt hat, die Quantenrechner würden nun locker von Rekord zu Rekord eilen und bald sogar für Privatanwender verfügbar sein, der muss sich weiterhin gedulden. Quantenrechner bieten bekanntlich den Vorteil, dass sie aufgrund des quantenmechanischen Superpositionsprinzips parallel arbeiten und daher – zumindest theoretisch – letztlich millionenfach schneller sind als herkömmliche Supercomputer, die nur linear rechnen können. Das große Problem heißt nach wie vor Stabilität und Kontrolle der Qubit genannten Quantenzustände, was nur mit erheblichem technischen Aufwand (meist extremer Kühlung und energetischer, thermischer Isolation von der Umgebung) erreichbar ist. Zwar sollen durchaus schon Quantenrechner im Einsatz sein – so führt etwa der Volkswagenkonzern ein öffentliches Verkehrsprojekt (Routen- und Fahrgast-optimierung) in Lissabon mithilfe eines Quantenrechners des kanadischen Unternehmens D-Wave sowie Google als weiterem Technologiepartner durch – allerdings wurden bislang kaum Resultate beziehungsweise Erfahrungen öffentlich kommuniziert. Es gibt Experten, die das D-Wave-Prinzip der Quantenannihilation nicht als „echtes“ Quantencomputing ansehen, weil der Anwendungsbereich eingeschränkt sei und eben damit niemals die sprichwörtliche „Quantenüberlegenheit“ erreicht werden könne. Nicht anders sieht das im experimentellen Bereich aus. Erst 2019 verkündete Google einen entsprechenden Durchbruch, der jedoch flugs von IBM-Entwicklern infrage gestellt wurde. Die Aufgabe, die der Google-Quantenrechner bewältigt habe, sei zu einseitig gewesen, gleichzeitig seien die Fähigkeiten klassischer Superrechner als untertrieben dargestellt worden. Allein daran lässt sich ermessen, dass man es nicht mit einer klassischen Technologie zu tun hat, deren Bewertung nach eindeutigen Standards geschieht. Entsprechend vorsichtig sollte man daher Meldungen wie die folgende bewerten, wonach gleich zwei chinesische Entwicklergruppen „Quantenüberlegenheit“ für ihre Quantenrechner proklamierten. Das auf tiefgekühlter Supraleitung basierende Projekt Zuchongzhi 2 bringt es auf 66 Qubits, was über eine Billiarde Zustände für die parallele Berechnung ermöglichen würde. Das andere chinesische Projekt ist der Photonenrechner Juizhang 2, der mit 113 Photonen operieren soll. Der kleine, aber entscheidende Pferdefuß: Die Photonen lassen sich nicht einzeln kontrollieren; allerdings habe man hier mithilfe optischer Prozessoren entscheidende Verbesserungen erzielt. Zuchongzhi 2 indessen – nun ja, auch er wartet noch auf sinnvolle Anwendungen seiner Quantenkunst. Es scheint, dass hier die Lösung zeitlich vor dem Problem vorhanden ist – mal wieder so ein verflixtes Quantenparadoxon. (DS)
Quelle: www.trendsderzukunft.de