Daejeon (pte/20.04.2020/06:00) Forscher des Korea Institute of Energy Research (KIER) http://www.kier.re.kr haben ein neues Verfahren für Kohlekraftwerke entwickelt, das den Schadstoffausstoß um bis zu 80 Prozent reduziert. Die fein gemahlene Kohle oder andere fossile Brennstoffe werden in einem Reaktor herumgewirbelt wie Staub. Statt mit Luft wird sie mit einem Gemisch verbrannt, das einen hohen Anteil an Sauerstoff hat. In den Brennraum wird Kalkstein eingeblasen, der Schwefel bindet, bei Bedarf auch Harnstoff, der Stickoxide unschädlich macht.

Kraft- und Brennstoffe

Die Abgase enthalten fast nur noch CO2. Ein Teil davon wird mit dem Sauerstoff vermischt und erneut in den Reaktor geleitet. Das CO2 verhindert, dass übermäßig hohe Temperaturen entstehen. Es kann in geologische Formationen im Untergrund gepresst werden, sodass es der Atmosphäre dauerhaft entzogen bleibt. Eleganter ist es, das Klimagas mit Wasserstoff, der aus grünem Strom per Elektrolyse hergestellt wird, reagieren zu lassen. Dabei entstehen klimafreundliche Kraft- und Brennstoffe sowie Rohstoffe für die chemische Industrie. Die Verbrennung läuft bei 950 Grad Celsius ab.

Die neue Technik lehnt sich an ein Verfahren an, das sich Vattenfall vor gut zehn Jahren als Lösung des Klimaproblems angesehen hat. Das Unternehmen baute eine Anlage, in der die Kohle nicht mit Luft, sondern mit reinem Sauerstoff verbrannt wurde. Sie wurde nach relativ kurzer Betriebszeit stillgelegt, weil die Kosten vor allem durch die Verwendung von reinem Sauerstoff zu hoch waren.

Großes Anwendungspotenzial

Der entscheidende Vorteil der beiden Verfahren ist die Reinheit der Abgase. Während das CO2 aus dem Rauch von heute üblichen Kohlekraftwerken mit hohem apparativen und energetischen Auswand abgetrennt werden muss, um es zu nutzen, liegt es bei der Verbrennung mit stark sauerstoffhaltiger Luft in hoher Konzentration vor. Eine mit 100 Kilowatt (thermisch) relativ kleine Verbrennungsanlage ist in Südkorea bereits in Betrieb. Die neue KIER-Technik könnte vor allem bei der Lösung der Klimaprobleme in Ländern wie China und Indien helfen, die für die Stromerzeugung in hohem Maß auf Kohle setzen.

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Ann Arbor (pte/24.04.2020/12:00) Mit Geräten, die an die Protonenstrahler aus "Ghostbusters" erinnern, gegen Krankheitsserreger ankämpfen: Darauf setzen Forscher der Technischen Fakultät der University of Michigan http://engin.umich.edu . Sie arbeiten an einen Plasmastrahlen-Stab, der Ionen abgibt und damit eine schnellere Desinfektion verspricht als flüssige Desinfektionsmittel. Zudem bleiben Oberflächen trocken, sodass der Ansatz auch für Textilien von Spitalskleidung bis Flugzeugsitzbezügen geeignet scheint.

Plasma für alle Fälle

Flüssige Desinfektionsmittel kommen angesichts der COVID-Pandemie zwar vielerorts zum Einsatz, doch deren Nutzen scheint teils fraglich. "Ein Reinigungsmittel muss fünf bis zehn Minuten auf einer Oberfläche verbleiben, bevor es die Krankheitserreger zerstört", erklärt John Foster, Professor für Nukleartechnik und Strahlenwissenschaften. Zudem sind Flüssigkeiten für Textilien nur dann geeignet, wenn auch Zeit zum Trocknen bleibt. Doch es geht schneller und textiltauglich. "Plasma ist so hochreaktiv, dass man zur Dekontamination nur einige Sekunden Kontakt zwischen Plasma und Oberfläche benötigt", sagt Foster.

Er und seine Kollengen arbeiten daher an einem tragbaren Plasmastrahlen-Stab, den Nutzer einfach über jegliche zu desinfizierende Oberfläche führen könnten. Das Plasma aus geladenen Teilchen entsteht dabei bei Raumtemperatur, indem ein Gas durch ein starkes elektrisches Feld gejagt wird. Wasserdampf in Luft beispielsweise zerfällt so in Wasserstoff und ionisiertes Hydroxyl. "Die Hydroxyl-Radikale greifen organische Moleküle an und zersetzen sie zu CO2 und Wasser", so Foster. Eben das kann die Zellwände von Bakterien oder Proteinhüllen von Viren zerstören und so die Krankheitserreger abtöten.

Ideale Radikale

Für die Entwicklung ihres Plasmastrahlen-Stabes wollen die Forscher untersuchen, welche Molekülfragmente in Plasma besonders effektiv Erreger abtöten. Das soll ermöglichen, das Plasma zu optimieren, dass es möglichst viel besonders gute Keimkiller enthält. Zudem will das Team auch die Eigenschaften des UV-Lichts, das im Plasma entsteht, erfassen. Denn dieses kann zusätzlich desinfizierend wirken. Zunächst arbeiten die Forscher an einem Prototypen. Bis es ein einsatzbereites Endprodukt gibt, könnte zwar durchaus noch ein Jahr vergehen. Damit würde der Plasmastrahl-Stab vermutlich in der Spätphase der COVID-19-Pandemie zum Praxiseinsatz kommen.

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Wuhan/Washington (pte/24.04.2020/06:00) Künftig lassen sich Laptops, Smartphones und Co mit einem Hydrogel kühlen, das gleichzeitig Strom erzeugt. Der dünne Film besteht aus einem Kunststoffgerüst, in dem Wasser eingelagert ist. Er wird direkt auf die Batterie gelegt. Das System hat ein Team um Xuejiao Hu von der Wuhan University http://en.whu.edu.cn entwickelt. Die chinesischen Forscher stellen es in der Fachzeitschrift "Nano Letters" vor.

Gel entzieht Luft Wasser

Wenn das Wasser im Hydrogel aufgrund der Wärme, die Batterien oder mikroelektronische Bauteile abgeben, verdampft, entsteht Verdunstungskälte. Die kann jeder spüren, der einen angefeuchteten Finger in den Wind hält. Das Gel ist ein Selbstversorger. Es entzieht der Umgebungsluft Wasser, wenn es während einer Betriebspause nichts zu kühlen gibt, sodass das Gel wieder fit wird für den nächsten Zyklus ist.

In das Gel integriert ist ein thermoelektrisches Element, das Strom erzeugt, sodass die Batterie ein wenig entlastet wird. Das basiert auf dem Seebeck-Effekt, den der gleichnamige Arzt und Physiker bereits 1821 entdeckte. Wenn eine Kombination aus zwei verschiedenen Metallen einer Temperaturdifferenz ausgesetzt wird, entsteht ein elektrischer Strom. In diesem Fall ist es auf der einen Seite die Wärme der Batterie, auf der anderen das kühle Gel.

Batterietemperatur sinkt

Um die Funktionsfähigkeit des thermoelektrischen Kühlgels zu demonstrieren, platzierten die Forscher es auf einer Smartphone-Batterie, während diese mit dem höchstmöglichen Stromfluss geladen wurde. Die Leistung des Pads lag bei fünf Mikrowatt. Die Temperatur der Batterie reduzierte sich um 35 Grad Celsius.

"Die Temperatursenkung erhöht die Sicherheit von Batterien", sagt Xuejiao Hu. Die gewonnene elektrische Energie lasse sich nutzen, um den Batteriezustand zu überwachen oder das Kühlsystem zu kontrollieren. Wenn mobile elektronische Geräte längere Zeit genutzt werden, können sie sich so stark erhitzen, dass sie langsamer arbeiten, Komponenten zerstört werden oder sogar Brände und Explosionen auftreten. Auch wenn es keine extreme Überhitzung gibt, sind Schäden programmiert. Die Lebensdauer sinkt.

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Norman (pte/22.04.2020/06:00) Forscher der University of Oklahoma http://ou.edu haben einen entscheidenden Schritt auf dem Weg hin zu den Solarzellen der Zukunft mit einem Wirkungsgrad von 60 Prozent gemacht. Das ist mehr als das Doppelte dessen, was heutige Solarzellen schaffen. Es handelt sich um sogenannte Hot-Carrier-Zellen, die ein effizienzminderndes physikalisches Phänomen umgehen.

Lösung nach 15 Jahren

Ein großer Teil der energetisch angeregten Elektronen, die die Lichtteilchen (Photonen) aus dem Halbleitermaterial befreien, fließt nicht als Strom zum angeschlossenen Verbraucher, sondern rekombiniert, vereinigt sich also mit ihren Gegenpolen, den Löchern. Dabei wird Wärme frei, die den Wirkungsgrad noch einmal verringert, jedenfalls bei Siliziumzellen. Die Rekombination findet genau in der Schicht statt, in der die Elektronen angeregt werden, dem sogenannten Absorber, der die Lichtteilchen "schluckt".

Hot Carrier nennt die Forschung diese für die Stromerzeugung verlorenen Elektronen, also Wärmetransporteure. "Obwohl Hot-Carrier-Solarzellen seit 15 Jahren Gegenstand der Forschung sind, ist es noch niemandem gelungen, eine praktisch nutzbare Lösung für dieses Problem zu finden", sagt Ian Sellers vom Institut für Physik und Astronomie der Hochschule. Es habe lediglich Machbarkeitsstudien mit unrealistische Randbedingungen oder mit Materialien gegeben, die für den Bau von Solarzellen nicht infrage kämen.

Elektronen fließen schneller ab

Sellers' Team ist es gelungen, die Rekombination, die binnen kürzester Zeit stattfindet, teils zu verhindern. Es experimentierte nicht mit Siliziumzellen, sondern mit III-V-Halbleitern. Diese nutzen Elemente aus der dritten und fünften Hauptgruppe des Periodensystems. In diesem Fall ist es eine Kombizelle aus Indium-Gallium-Arsenid und Aluminium-Indium-Arsenid mit einem speziellen Aufbau, der die Potenzialunterschiede zwischen den einzelnen Schichten verändert. Das sorgt dafür, dass die Elektronen so schnell aus dem Absorber abfließen, dass viele gar keine Zeit haben, sich mit den Löchern zu vereinigen.

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