Leuchtende Bäume – Die Straßenlaternen der Zukunft?

Glowing Plants; Source: Seon-Yeong Kwak

Der globale Energieverbrauch ist enorm und steigt rapide. Glaubt man den Zahlen der Internationalen Energie Agentur IEA, so lag der sogenannte Weltenergieprimärbedarf bei 21.963 Terrawattstunden (TWh), also 21.963 Billionen (1012!) Watt. Das ist die Energie, die von knapp 2000 Atomkraftwerken (AKW) erzeugt werden müsste (nimmt man ein AKW mit 1400 Megawatt Leistung als Referenz).

Nun gibt es weltweit Anstrengungen, den Energiebedarf zu senken, um die globalen Ressourcen zu schonen und auch die damit einhergehende Umweltverschmutzung einzudämmen. Maßnahmen, wie der Einsatz von Energiestromlampen, Kühlschränken und Waschmaschinen mit A+++-Effizienzklasse, Wärmerückgewinnungsmaßnahmen in der Industrie werden immer häufiger eingesetzt, da wir schon heute mehr verbrauchen, als unser wunderbarer Planet hergibt. Eine eindrucksvolle Zahl, genauer gesagt ein Datum, zeigt uns in diesem Zusammenhang der vom „Global Footprint Network“ initiierte „Earth Overshoot Day“ oder auch „Erdüberlastungstag“. Dieser beziechnet den Tag eines Jahres an dem die humane Nachfrage nach natürlichen Ressourcen das natürliche Angebot und/oder die Reproduktionsrate unserer Erde übersteigt. 2017 war dies der 2. August, 1971 noch der
21. Dezember. Mit atemberaubendem Tempo brauchen wir Menschen also die Ressourcen auf, die uns unser Planet netterweise zur Verfügung stellt.

Auch die Straßenbeleuchtung aller deutschen Kommunen trägt mit jährlich ca. 600 TWh zu diesem enormen Energiebedarf bei.

Wir sehen also: es muss sich etwas tun und genau hier kommt ein genialer und visionärer Ansatz von Forschern um Prof. Michael Strano vom MIT ins Spiel. Er und seine Arbeitsgruppe arbeiten an einer Technik, um eines Tages Bäume, die an Straßen stehen, als organische Straßenlaternen einsetzen zu können. Klingt absurd oder nach unrealistischer Science-Fiction? Ich denke nicht, schaut man sich erste Arbeiten dieser Wissenschaftler an: u.a. modifizierte Kresse, welche für knapp 4 Stunden Licht erzeugen kann. Dazu stellten Sie in aufwendigen Verfahren drei aus verschiedenartigen Materialien bestehende und unterschiedlich große (10 und 100 nm) Nanopartikel her und koppelten jeweils ein bestimmtes Molekül an diese Partikel (siehe Grafik weiter unten):

1. Das an Silica gebundene Enzym Luciferase aus dem Glühwürmchen, das dort an der Lichtentstehung beteiligt ist (SNP-Luc)

2. an Poly(lactid-co-glycolid) gebundenes D-Luciferin, dem Substrat, welches vom Luciferin umgesetzt wird und dadurch Licht entsteht (PLGA-LH2) und

3. das an Chitosan gebundene Molekül mit dem schönen Namen Coenzym-A, welches die Lichtproduktion der Luciferase stabilisiert (CS-CoA).

Testpflanzen wurden nun in einem spzeiellen Verfahren mit einer Lösung dieser Nanopartikel behandelt, wodurch diese durch Stomata genannte Spaltöffnungen an der Unterseite der Blätter in das Blattgewebe und gezielt in sogenannte Mesophyll-Zellen manövriert wurden.

Engineering of living plants for visible light emission; Source: http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.7b04369#showFigures

Auch an einen Aus-Schalter haben die Forscher um Prof. Strano gedacht: ein weiteres Nanopartikel, beladen mit einem Molekül, dass die Funktion des Enzyms Luciferase stoppt. Sollten Probleme wie die Lichtintensität und Dauer, des von diesen Pflanzen ausgestrahlten Lichtes gelöst werden, und keine Gefahr von diesen Nanopartikeln für die Umwelt ausgehen, sollten derartigen Baum-Straßenlaternen nicht mehr viel im Wege stehen.

Dazu Prof. Strano:

“Unser Ziel ist es, einen Setzling oder eine reife Pflanze einmal zu behandeln, und diese Fähigkeit für die gesamte Lebensdauer zu erhalten“, sagt Strano. “Unsere Arbeit ermöglicht ernsthaft Straßenlaternen, die nichts anderes als behandelte Bäume sind, und indirekte Beleuchtung in der Umgebung von Häusern.”

Ich drücke die Daumen, dass dieses Projekt irgendwann einmal Realität wird. 

 

Neue Akkus braucht die Welt

Wer kennt das nicht? Wer sein elektronisches Gehirn, sprich sein Smartphone, jeden Tag intensiv nutzt, der muss jeden Abend sein Smartphone laden oder darf sich ansonsten wieder wie in der Steinzeit fühlen. Da unsere Smartphones aber auch gleichzeitig immer leistungsfähiger werden sollen und müssen, darf man sich dann aber auch nicht darüber wundern, dass sie so schnell schlapp machen. Dennoch wäre es klasse, wenn dieses lästige Laden nun endlich ein Ende finden würde. Doch danach sieht es langsam, aber sicher aus.
Dafür sprechen diese sehr guten Nachrichten aus der elektrochemischen Forschung: das aus dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) ausgegründete Start-Up SolidEnergy scheint das leidige Problem mit den schnell an Leistung verlierenden Akkus auf Basis der Lithium-Ionen-Technologie nun gelöst zu haben.

Bevor ich aber ein paar Worte über die neu entwickelte Technologie verliere, möchte ich euch kurz erläutern, wie ein derartiger Akku funktioniert und worin das Problem besteht.

Akku

Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle (Quelle: Wikipedia)

Das Funktionsprinzip solcher Akkus basiert auf der Verschiebung von Lithium-Ionen. Dazu wird die Potentialdifferenz zwischen Lithiumionen einer negativ geladenen Elektrode (oftmals wird hierzu Li-Graphit verwendet) und einer positiv geladenen Elektrode (häufig Lithiumcobaltdioxid) genutzt. Dabei wandern Lithiumionen beim Laden bzw. Entladen in einem nicht-wässrigen Trägermedium (dem sogenannten Elektrolyt) zwischen den beiden Elektroden hin- und her und geben Elektronen ab, die das zu betreibende Gerät mit Energie versorgen.

SolidEnergy optimierte dazu die “Problemzone” heutiger Lithiumionen-Akku’s: die aus Lithium-Graphit bestehende Anode. Dazu entwickelten die Forscher des Start-Up’s eine hauchdünne Metall-Anode aus mit Lithium beschichtetem Kupfer, welche sehr viel kompakter und mit 1200 Wh/L auch eine doppelte Kapazität aufweist.

Anode

Unterschiede zu herkömmlichen Anoden-Design (Quelle: Solid-Energy)

Zusammen mit Verbesserungen bei den Betriebssystemen und neuen und sparsameren Prozessoren, wie z.B. dem ARM Cortex-M0 wird das Leiden hoffentlich bald ein Ende haben.

Navigation per Chemie

Ein unglaublich faszinierendes und interessantes Experiment.

Ein Team aus physikalischen Chemikern und Mathematikern hat ein „chemisches Navi“ gebaut, dass mit Hilfe des Marangoni-Effektes eine Route zu einer Pizzeria in Budapest korrekt gefunden hat.

Am Zielort eines mit alkalischer Flüssigkeit gefüllten Labyrinths wird ein mit Säure versetztes Gel angebracht. In kurzer Zeit verteilt sich die Säure im noch alkalischen Irrgarten, der Grossteil davon bleibt allerdings zusammen mit dem Gel am Zielort. Gibt man nun an das andere Ende des Labyrinths, also am Eingang, eine mit Farbstoffen versehene Lauge, sucht sich diese automatisch den Weg zum Zielort, also dem Ort mit dem höchsten Säuregehalt.

Das „Chemical Computing“ steckt zwar noch in den Kinderschuhen, hat aber großes Potential in der Hirnforschung, Psychologie, Netzwerkforschung und Robotik, da die Navigation sehr viel schneller vonstatten geht, als bei elektronischen Pendants.

http://www.internetchemie.info/news/2014/oct14/chemical-computing-navigation.php

Originalpublikation:

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/la5018467