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Kernfusion wieder mal vor dem Durchbruch | Jungbrunnen für Akkus | Formwandler im Licht | Weißer Goldrausch | Recycelter Wellensalat | Wenn’s Neptun erlaubt … | Alles kalter Kaffee
Die Nutzung der Kernfusion ist seit 70 Jahren 30 Jahre entfernt. Ob General Atomics’ neuer Ansatz nun endgültig den Durchbruch schafft? Der Konzern baut derzeit in San Diego mit Staatshilfe eine Anlage, in der mit der „Fusion Breeding Blanket“ eine neuartige Komponente getestet werden soll. Sie soll es dem Reaktor ermöglichen, seinen eigenen Brennstoff herzustellen und gleichzeitig Strom zu erzeugen. Es handelt sich um eine Schicht aus einer Lithiumlegierung, die die Plasmakammer (Tokamak) auskleidet. Sie erfüllt zwei Aufgaben:
1) Die Energie der Fusionsneutronen einfangen und sie in Wärme bzw. Strom umwandeln und 2) neuen Brennstoff für die laufende Reaktion erzeugen. Dadurch soll das Brennstoffproblem der Kernfusion gelöst werden. Sie braucht die Wasserstoffisotope Deuterium (D) und Tritium (T). Während Deuterium quasi unerschöpflich ist, gibt es von natürlichem Tritium (³H) wegen seiner kurzen Halbwertszeit von 12,3 Jahren weltweit nur rund 4 kg. Die zugehörige Reaktionsgleichung Li + n → He + T + 4,8 MeV zeigt, dass ein Neutron (n) Lithium (Li) zu Helium (He) und Tritium (T) transmutiert und Strahlungsenergie freisetzt. Das Neutron entsteht aus der eigentlichen Fusionsreaktion gemäß T + D = He + n + 17,6 MeV. Bislang wurden weltweit ca. 100 Milliarden US-Dollar in die Fusionsforschung gesteckt, ohne dass nutzbare Energie dabei herauskam.
Forscher der Cornell University haben ein Verfahren namens Direct Electrode-to-Electrode Regeneration (DEER) entwickelt, mit dem sich verbrauchte Lithium-Ionen-Akkus auffrischen lassen. Sie erreichen danach wieder 95 Prozent ihrer Kapazität. Der Hauptgrund für den langsamen Kapazitätsverlust von Akkus ist die Solid Electrolyte Interphase (SEI) an den Elektroden, die bei jedem Ladevorgang anwächst und dadurch den elektrischen Widerstand erhöht. Bei DEER werden die Elektroden entnommen und in ein Bad mit 1,3-Dimethyl-2-imidazolidinon getaucht. Darin löst sich die SEI-Schicht auf und die Elektroden können neu verbaut werden. Die Elektroden, die kritische Rohstoffe wie Lithium, Nickel, Kobalt etc. enthalten, sind die wertvollste und aufwendigste Komponente in einem Lithium-Ionen-Akku. Beim herkömmlichen Recycling wird der gesamte Akku geschreddert, zu „Black Mass“ verarbeitet und die Rohstoffe in energieintensiven Verfahren zurückgewonnen – nur um daraus wieder Akkus zu bauen. DEER könnte die Recyclingkosten um 56 Prozent reduzieren, bei gleichzeitig weniger Luftschadstoffen und geringerem Wasserverbrauch. Der Prozess funktioniert auch mehrfach: Nach einer zweiten Regeneration behielt der Akku im „dritten Leben“ noch knapp 90 Prozent seiner ursprünglichen Kapazität.
Forscher der Northwestern University haben ein neuartiges Energiespeichermaterial entwickelt: eine gelbe Flüssigkeit, die sich beim „Aufladen“ in ein schwarzes, elektrisch leitfähiges Hydrogel verwandelt. Wird das Material mit Licht oder Röntgenstrahlen angeregt, nehmen seine Moleküle Elektronen auf und schließen sich dabei zu supramolekularen Polymerfasern zusammen. Die Moleküle organisieren sich physisch um die gespeicherten Elektronen herum, wodurch die Ladung stabilisiert wird. Die Flüssigkeit wird zu einem festen, schwarzen Gel. Unter sauerstofffreien Bedingungen kann das Gel die gespeicherte Energie monatelang halten. Zur Energieabgabe wird Sauerstoff zugeführt. Er nimmt die gespeicherten Elektronen vom Gel auf und erzeugt dabei reaktive Sauerstoffspezies, die organische Substrate oxidieren können. Die Energie kommt also als chemische Redox-Aktivität heraus, nicht als elektrischer Strom. Die Forscher sprechen von „dunkler Photokatalyse“. Mögliche Anwendungen sind etwa der Abbau von Schadstoffen oder das Sterilisieren von Oberflächen. Sobald Sauerstoff das Gel wieder in die gelbe Flüssigkeit zurückverwandelt, lässt sich das System erneut aufladen. Es ist das erste bekannte Material, das Energie speichert, indem es sich selbst physisch umbaut. Ob sich das System auch zu einer Stromquelle weiterentwickeln lässt, ist noch unklar.
Die Erde produziert seit Milliarden Jahren auf natürliche Weise Wasserstoff in ihrer Kruste bei hohen Temperaturen und Drücken. Dieses natürliche Vorkommen wird als „weißer Wasserstoff“ bezeichnet. Eine Studie der Oxford-Universität hatte bereits 2025 geschätzt, dass diese natürlichen Reserven fünf Billionen Tonnen betragen und den Weltenergiebedarf für 170.000 Jahre decken könnten. Die Herausforderung liegt im Auffinden und Anzapfen der unterirdischen Reservoire. Am vielversprechendsten sind sogenannte Reservoir-Trap-Seal-Systeme wie ein 2023 entdecktes in Nordfrankreich (Lothringen) mit geschätzt bis zu 46 Millionen Tonnen Wasserstoff. Forscher der Universitäten Toronto und Ottawa haben nun in einer aktuellen, in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Studie erstmals direkt gemessen, wie Wasserstoff aus Bohrlöchern im Kanadischen Schild entweicht, einer sehr alten, präkambrischen Gesteinsformation, die etwa die Hälfte der kanadischen Landmasse bildet. Gelingt es, diese kostengünstige Energiequelle zu erschließen, könnte Kanada einen Riesenschritt Richtung Energieautarkie machen. Weltweit erforschen derzeit rund 40 Unternehmen dieses Potenzial, indem sie kartieren, wo sich die wirtschaftlich lohnenden Konzentrationen befinden.
Ein internationales Forscherteam hat gezeigt, dass sich der erst vor wenigen Jahren entdeckte nichtlineare Hall-Effekt (NLHA) zur effizienten Umwandlung extrem schwacher elektrischer Signale über einen außergewöhnlich breiten Frequenzbereich in Gleichstrom nutzen lässt. NLHA ist ein quantenmechanischer Effekt in bestimmten Kristallstrukturen wie das verwendete Bismut-Tellurid (Bi2Te3). Er benötigt weder einen pn-Übergang noch eine Vorspannung und kann selbst sehr schwache hochfrequente Signale bis hinab zu 10-9Watt in nutzbaren Gleichstrom umwandeln. Da die Energie aus derUmgebung –etwa aus Funk-, WLAN- oder anderen hochfrequenten Signalen – gewonnen wird, handelt es sich um Energy Harvesting, gewissermaßen ein Recycling elektromagnetischer Wellen. Dadurch könnten künftig Sensoren, medizinische Implantate, Detektoren oder IoT-Bauteile ohne Batterie auskommen oder deutlich länger betrieben werden. Die Forscher sehen ihre Arbeit als wichtigen Schritt hin zu einer neuen Generation energieautarker Mikroelektronik. Bis zu einem praktischen Einsatz sind allerdings noch Verbesserungen bei Materialeigenschaften, Leistung und Integration in elektronische Bauteile erforderlich.
Forscher des US-amerikanischen Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) entwickeln neue Verfahren, um kritische Rohstoffe wie Magnesium, Lithium, Nickel und Seltenerdmetalle aus Meerwasser zu gewinnen. Bereits 0,1 Prozent des weltweiten Meerwassers enthält genug dieser Elemente, um den Materialbedarf der Menschheit für 50.000 Jahre zu decken. Die Konzentrationen sind aber meist zu gering für eine wirtschaftliche Gewinnung. Lithium und Nickel sind Schlüsselrohstoffe für Batterien in Elektroautos und Energiespeichern, Magnesium wird unter anderem im Leichtbau eingesetzt, der wiederum Energieeffizienz verbessert. Die Verfügbarkeit dieser Rohstoffe ist damit ein limitierender Faktor für den Ausbau erneuerbarer Energien. PNNL kombiniert drei Ansätze: ein vereinfachtes Verfahren zur Magnesiumgewinnung per Co-Flow-Reaktor; die Nutzung der Sole aus Entsalzungsanlagen als Säure zur Metallgewinnung aus Gestein; Meeresalgen, die Mineralien millionenfach anreichern können. Allein die Entsalzungsanlage Carlsbad in Kalifornien könnte damit dreimal so viel Magnesium gewinnen, wie die USA derzeit verbrauchen. Bislang existieren die Verfahren nur im Labormaßstab; eine kommerziell tragfähige Anlage steht noch aus.
Weltweit fallen jährlich rund 18 Millionen Tonnen nasser Kaffeesatz an – etwa so schwer wie die drei großen Pyramiden von Gizeh. Der Kaffeesatz hätte eigentlich Potenzial als Brennstoff, doch seine hohe Feuchtigkeit (rund 55 Prozent) machte bisher ein energieaufwendiges und langwieriges Vortrocknen nötig. Die Lösung könnte die Flame Plasma Pyrolysis (FPP) sein. Forscher des koreanischen Instituts KIGAM haben den nassen Kaffeesatz mit extrem heißen Plasmaflammen (800–900 °C) beschossen, erzeugt durch die Verbrennung von Flüssiggas (LPG) und Druckluft. Die Feuchtigkeit verdampft dabei so schlagartig, dass ein „Popcorn-Effekt“ entsteht: der Kaffeesatz wird porös und in nur 90 Sekunden in hochwertige Biokohle umgewandelt (bei 83,3 Prozent Massereduktion). Das ist ca. 240-mal schneller als herkömmliche Verfahren (bis zu 6 h). Der Heizwert soll bei 29 Megajoule/Kilogramm liegen (Holz: ca. 18 MJ/kg). Außerdem werden Schwefelverbindungen vollständig entfernt, was weniger Luftbelastung bedeutet. Da die Oberfläche von 1,5 auf 115 m2/kg wächst, könnte man den Brennstoff auch für Wasserreinigung und Luftfilterung verwenden. Das Verfahren ließe sich auch auf anderen feuchten organischen Abfall wie Lebensmittelreste, landwirtschaftliche Rückstände oder Klärschlamm übertragen und ist kompakt genug für dezentrale Anlagen vor Ort.