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Silbermembran trennt CO2 kostengünstig ab


Silbermembran trennt CO2 kostengünstig ab

Forscher der Newcastle University setzen zum Schutz der Umwelt auf Filtern statt Auswaschen

Schlote: Aus Rauchgasen soll CO2 abgetrennt werden (Foto: CC0 Public Domain)

Schlote: Aus Rauchgasen soll CO2 abgetrennt werden (Foto: CC0 Public Domain)

Newcastle upon Tyne (pte/04.05.2020/11:30) Eine neue Klasse von Membranen zur CO2-Abtrennung aus Gasgemischen, etwa Rauchgasen, haben Forscher der Newcastle University http://ncl.ac.uk entwickelt. Der Trennprozess ist mit diesem Verfahren ebenso teuer wie mit bisherigen Techniken, etwa der Aminwäsche, sagen die Entwickler. Der technische Aufwand sei jedoch bedeutend geringer, sodass die Gesamtkosten bei einer breiteren Anwendung noch sinken könnten.

Silberatome organisieren sich

Das Besondere an der Membran: Sie formt ihre innere Struktur selbstständig. Die Membran könnte genutzt werden, um CO2 abzutrennen, sodass das Klimagas chemisch verwertet oder in tiefliegenden geologischen Formationen endgelagert werden könne. Die neue Methode, die bisher noch nie eingesetzt wurde, basiert auf Aluminiumpellets und -röhrchen. Diese bilden das Grundgerüst, das mit Silberpartikeln angereichert wurde. Der Durchsatz von CO2 und Sauerstoff regt die Silberatome schließlich dazu an, sich so zu formieren, dass eine effektive Membran besteht, die nur harmlose Gase wie Sauerstoff und Stickstoff passieren lässt.

Das Team konnte diesen Effekt mithilfe einer Röntgentomografie nachweisen. Die Menge an Edelmetall ist so gering, dass die Kosten im Rahmen bleiben. Die Wirksamkeit der Membran liegt um eine Zehnerpotenz höher als von den Forschern selbst gefordert. Das heißt, sie lässt nur einzelne CO2-Moleküle passieren, die den Umwelteffekt allerdings nicht beeinträchtigen. "Die Kosten der CO2-Abtrennung sind der Schlüsselfaktor für den Einsatz solcher Techniken. Wir hoffen, dass unsere Arbeit den Weg weist, neue Membranen zu entwickeln, die noch weniger kosten", so Forscher Greg Mutch. Diese neue Klasse von Membranen könne auch für weitere Anwendungen im Umweltschutz interessant sein.

Erderwärmung wird verzögert

Von Menschen verursacht, reiche der CO2-Ausstoß, verglichen mit der vorindustriellen Zeit, für einen Temperaturanstieg von 1,5 Grad Celsius aus. Dass bisher nur ein Grad Plus erreicht wurde liege daran, dass die Erderwärmung verzögert einsetze, so der Forscher. Eine Erwärmung um zwei Grad habe schwerwiegende Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit, die Produktion von Nahrungsmitteln, den Anstieg der Migration und allgemein auf die Umwelt. "Aus diesem Grund brauchen wir dringend Verfahren, um CO2 einzufangen und dauerhaft aus der Atmosphäre zu entfernen", so Mutch.

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Super-Transistor aus einem Atom rückt näher


Super-Transistor aus einem Atom rückt näher

US-Wissenschaftler planen Serienfertigung von Mini-Computern mit gigantischer Leistung

So ist der neue Ein-Atom-Transitor aufgebaut (Grafik: S. Kelley, nist.gov)

So ist der neue Ein-Atom-Transitor aufgebaut (Grafik: S. Kelley, nist.gov)

Gaithersburg/College Park (pte/12.05.2020/06:00) Ein-Atom-Transistoren könnten die Bausteine einer neuen Computer-Generation mit unvorstellbarer Power werden. Einen wichtigen Schritt in Richtung Serienproduktion haben Forscher am National Institute of Standards and Technology (NIST) http://nist.gov und der University of Maryland http://umd.edu gemacht.

Komplizierte Fertigung

Das Rezept sieht die Herstellung in mehreren Schritten vor. Der erste ist in der Forschung bereits etabliert. Eine Silizium-Unterlage wird von Wasserstoffatomen überzogen wie ein Tisch mit einer Decke. Diese klammern sich relativ fest an. Die Bindung ist jedoch nicht stark genug, um der feinen Spitze eines Rastertunnelmikroskops zu widerstehen. Sie kickt die meisten Wasserstoffatome weg, sodass ein Muster entsteht.

Die verbleibenden Atome fungieren als Barriere gegen Monophosphan, ein giftiges Gas, das sich aus Phosphor und Wasserstoff zusammensetzt. Phosphan-Moleküle können nur da andocken, wo Wasserstoff fehlt. Dann wird die Anordnung erwärmt. Dabei trennen sich die Wasserstoffatome vom Phosphor, das in Atomform übrigbleibt. Die Phosphoratome tauschen dann ihre Plätze mit den darunterliegenden Siliziumatomen. Eins davon, das die Transistorrolle übernehmen wird, bleibt eingekesselt zurück.

Siliziumatome wichtig

Auf der Oberfläche werden weitere Siliziumatome angesiedelt, die den verbleibenden Wasserstoff verdrängen. Damit sich ein perfektes Kristallgitter bildet, heizen die Forscher das Gebilde auf. Um eine Verbindung zum eingeschlossenen Phosphoratom herzustellen, applizieren die Wissenschaftler jetzt zwei Kontakte aus Palladium auf der Oberfläche. Es wird erhitzt, sodass es in die Gitterstruktur eindringt. Es bildet gemeinsam mit den Phosphoratomen rechts und links vom eingeschlossenen Teilchen eine elektrische Verbindung von der Oberfläche zum Transistor.

"Die Herstellung von Transistoren aus einem einzigen Atom ist ein schwieriger Prozess, an dem sich manch einer die Zähne ausbeißen dürfte. Aber wir haben die einzelnen Schritte so ausgelegt, dass andere Forscher sie nachvollziehen können", erklärt NIST-Forscher Curt Richter. Die Funktion der so hergestellten Transistoren basiert auf dem Tunneleffekt, der in der Quantenmechanik, nicht aber in der klassischen Physik vorkommt. Er beschreibt das Phänomen, dass ein Elektron eine Potenzialbarriere, also eine elektrische Spannung, auch dann überspringen kann, wenn seine Energie dazu eigentlich gar nicht reicht.

Video: https://youtu.be/ZI0F3DWDqI8

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Trinkwasser wird mit Elektroschocks sauberer


Trinkwasser wird mit Elektroschocks sauberer

Forscher der japanischen Nagoya University verbessern die Filterung mithilfe von Nanopartikeln

So entstehen Superfilter aus Nanocarbon (Grafik: en.nagoya-u.ac.jp)

So entstehen Superfilter aus Nanocarbon (Grafik: en.nagoya-u.ac.jp)

Nagoya (pte/23.03.2020/13:30) Mit einem neuen Verfahren zur Wasserreinigung von Forschern der Nagoya University http://en.nagoya-u.ac.jp lassen sich dank Kohlenstoff-Nanopartikeln fast 100 Prozent der Schadstoffe entfernen. Materialwissenschaftler Nagahiro Saito und seine Kollegen behandeln die winzigen Partikel hierzu mit Aminosäuren. Dann setzen sie das Material einer Elektrobehandlung aus. Das verbessert deren Fähigkeit, Schwermetalle wie Blei und Quecksilber zu entfernen und vor allem auch festzuhalten.

Aufwendiges Verfahren

Ohne die Spezialbehandlung sind die Kräfte, die die Nanopartikel und die Schwermetalle miteinander verbinden, relativ schwach. Sie können aufbrechen, sodass das Wasser, das diesen Filter verlässt, nicht vollends gereinigt ist und doch noch zur Gesundheitsgefahr werden kann. Die Wissenschaftler mischen Phenol, eine Kohlenstoffquelle, mit einer Substanz namens APTES, einer Quelle für Aminogruppen. Diese Mixtur schütten sie in ein Glasgefäß und setzen es einem hohen elektrischen Feld aus, das in der Flüssigkeit ein Plasma erzeugt. Die Behandlungsdauer liegt bei 20 Minuten. So entstehen aminomodifizierte Nanoteilchen aus Kohlenstoff. Nach dem Waschen und Trocknen sind sie als Filtermaterial einsatzbereit.

"Unser Prozess verbessert die Haftung zwischen Aminogruppen und Nanopartikeln. Das verbessert die Adsorption von Schwermetallionen drastisch, verglichen mit unbehandelten Nanoteilchen", erklärt Saito. Er und sein Team haben das modifizierte Filtermaterial in zehn Zyklen zur Entfernung von Kupfer-, Zink- und Cadmiumionen eingesetzt. Zwischendurch wuschen sie die Teilchen. Im Laufe der Zeit nahm die Adsorptionskraft der Partikel zwar ab, doch nur ein wenig. "Sie erweisen sich als relativ stabil trotz mehrfachen Gebrauchs", so Saito.

Günstigere Wasseraufbereitung

Schließlich verglichen die Forscher ihre modifizierten Partikel mit fünf anderen, alle auf der Basis von Kohlenstoff-Nanoteilchen. Sie stellten fest, dass ihre Version die effektivste war. "Unser Prozess kann dabei helfen, die Kosten für die Aufbereitung von Trinkwasser zu senken", unterstreicht Saito. "Das bringt uns näher an das Ziel, bis 2030 alle Menschen auf der Welt mit sauberem Trinkwasser zu versorgen."

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Schlagzeugspielen verändert das Gehirn


Schlagzeugspielen verändert das Gehirn

Dickere Fasern im Hauptverbindungstrakt zwischen den beiden Hirnhälften nachgewiesen

Drummer haben eine veränderte Gehirnstruktur (Foto: pixabay.com, skeeze)

Drummer haben eine veränderte Gehirnstruktur (Foto: pixabay.com, skeeze)

Bochum (pte/09.12.2019/13:30) Menschen, die jahrelang regelmäßig Schlagzeug spielen, unterscheiden sich in Hirnstruktur und -aktivität von unmusikalischen Menschen. Schlagzeuger besitzen demnach weniger, aber dafür dickere Fasern im Hauptverbindungstrakt zwischen den beiden Hirnhälften. Zudem sind ihre motorischen Hirnareale effizienter organisiert, wie Forscher des Universitätsklinikums Bergmannsheil http://bergmannsheil.bg-kliniken.de im Zuge einer MRT-Studie ermittelt haben. Details wurden in "Brain and Behavior" veröffentlicht.

Corpus Callosums verändert

"Die meisten Menschen können feinmotorische Aufgaben nur mit einer Hand ausführen und haben Probleme, mit beiden Händen gleichzeitig unterschiedliche Rhythmen zu spielen. Schlagzeuger können Dinge, die für untrainierte Menschen unmöglich sind", so Lara Schlaffke. Sie und das Team haben 20 Profi-Schlagzeuger getestet, die ihr Instrument durchschnittlich seit 17 Jahren spielten und aktuell mehr als zehn Stunden pro Woche übten. MRT-Bildgebungstechniken halfen dabei, ein genaues Bild vom Gehirn zu erhalten.

Die Daten verglichen die Wissenschaftler mit Messungen von 24 unmusikalischen Kontrollprobanden. Beide Gruppen mussten zunächst Schlagzeug spielen, um ihre Fähigkeiten zu testen, und wurden dann im MRT-Scanner untersucht. Ergebnis: Schlagzeuger zeigten deutliche Unterschiede im vorderen Teil des Corpus Callosums, einer Hirnstruktur, die die beiden Hemisphären miteinander verbindet und deren vorderer Teil für die Planung der Motorik verantwortlich ist.

Informationen fließen besser

Die erhobenen Daten der Forscher deuteten darauf hin, dass Schlagzeuger weniger, aber dickere Fasern im wichtigen Verbindungstrakt zwischen den Hirnhälften haben. Dadurch können die Musiker Informationen schneller zwischen den Hirnhälften austauschen als die Kontrollpersonen. Die Struktur des Corpus Callosums sagte auch die Leistung beim Schlagzeug-Test voraus: Je höher das Maß für die Dicke der Fasern im Corpus Callosum war, desto besser waren die Fähigkeiten beim Schlagzeugspielen. Auch war das Gehirn von Schlagzeugern bei motorischen Aufgaben weniger aktiv als das der Kontrollprobanden.

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Terahertzstrahlen machen Ladegeräte obsolet


Terahertzstrahlen machen Ladegeräte obsolet

MIT-Forscher nutzen für "Energie-Erntemaschine" Graphen und kombinieren es mit Bornitrid

Handy: Energie aus allgegenwärtigen Strahlen (Bild: José-Luis Olivares, mit.edu)

Handy: Energie aus allgegenwärtigen Strahlen (Bild: José-Luis Olivares, mit.edu)

Cambridge (pte/30.03.2020/12:35) Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) http://mit.edu wollen Terahertzstrahlen von beispielsweise WLAN-Sendern einfangen und in elektrischen Strom umwandeln. Dies sei eine ideale Quelle zur Energieversorgung elektronischer Kleingeräte oder sogar für Implantate wie Herzschrittmacher denkbar.

Graphen als Ausgangsmaterial

Die "Energie-Erntemaschine" des MIT basiert auf dem Kohlenstoffmaterial Graphen. Die Forscher haben es mit Bornitrid kombiniert. Damit zwangen sie den Elektronen im Graphen eine Richtung auf. Wird diese Anordnung Terahertzstrahlen ausgesetzt, mobilisieren diese die Elektronen, sodass sie in eine Richtung fließen, also einen elektrischen Strom bilden, der einen Verbraucher direkt oder indirekt über eine Batterie versorgen kann.

"Das könnte ein Beitrag dazu sein, die energetischen Herausforderungen zu meistern, denen wir ausgesetzt sind", sagt MIT-Forscher Hiroki Isobe. Er hat sich auf Werkstoffkombinationen spezialisiert, in denen von Terahertzstrahlen angeregte Elektronen in eine bestimmte Richtung fließen. Die Materialien müssen sehr rein sein, damit die Elektronen an Fehlstellen nicht gestreut werden, der gerade Stromfluss also unterbrochen wird.

Gesteuerter Elektronenfluss

Graphen erschien Isobe als ideales Ausgangsmaterial. Es hat nur einen Nachteil. Werden dessen Elektronen aktiviert, fließen sie in alle Richtungen. Das verhinderte der Forscher, indem er Graphen auf einem Film aus Bornitrid abschied, der nur ein Molekül dick war. So zwang er sie, in nur eine Richtung zu fließen. Die Terahertzstrahlen fing er mit einer Antenne auf. Es funktioniert ähnlich wie eine Solarzelle, sagen Isobe und seine Kollegen. Der Unterschied sei nur, dass die Frequenzen der genutzten Strahlung extrem unterschiedlich seien.

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