Rekord bei Kernfusion und lebende Batterien – neues aus der Welt der Technik

Lebende Stromquelle aus Pilzen

Eine Batterie, die man nicht aufladen, sondern füttern muss? Genau das ist Schweizer Forschern der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt mit ihrer neuen Erfindung gelungen.

Korrekterweise handelt es sich hierbei nicht um eine Batterie, sondern um eine mikrobielle Brennstoffzelle. Wie alle Lebewesen wandeln Mikroorganismen Nährstoffe in Energie um. Mikrobielle Brennstoffzellen machen sich diesem Stoffwechsel zunutze und greifen einen Teil der Energie als Strom ab. Bislang übernahmen diese Arbeit meist Bakterien.

Carolina Reyes und ihr Forschungsteam haben indes zwei Pilzarten gefunden und ihnen die Fähigkeit zur Stromerzeugung entlockt. Während ein Hefepilz auf der Anodenseite Elektronen freisetzt, dient ein Baumpilz als Kathode, der dank eines Enzyms die Elektronen einfängt und sie aus der Zelle leitet.

Die Pilze werden jedoch nicht in die Batterie „gepflanzt“, sondern als integraler Bestandteil der Zelle mittels 3D-Druck hergestellt. Als „Nahrung“ dienen ihnen einfache Zuckermoleküle. Laut den Forschern könne die Pilzbatterie in getrockneten Zustand aufbewahrt und am Einsatzort durch die Zugabe von Wasser und Nährstoffen aktiviert werden.

Viel Strom produziere die lebende Batterie nicht – aber genug, um damit Sensoren über einige Tage zu betreiben. Solche Geräte kommen in der Landwirtschaft oder bei Forschungen in abgelegenen Regionen zum Einsatz. Ist ihre Arbeit getan, löst sich die biologisch abbaubare Pilzbatterie von innen heraus auf. Als Nächstes wollen die Forscher die Batterie leistungsfähiger und langlebiger machen und weitere Pilzarten suchen, die sich als Stromlieferanten eignen.

Mit Pilzen und zellulosebasierter Tinte drucken Schweizer Forscher lebende, biologisch abbaubare Brennstoffzellen. Foto: Empa

Lavendel macht Batterien langlebiger

Ein anderer Stromspeicher sind klassische Batterien, und eine Möglichkeit, speziell Natrium-Schwefel-Batterien langlebiger zu machen, ist Lavendelöl. Die Entdeckung der Forscher um Dr. Paolo Giusto vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam-Golm ist wichtig, da damit die größte Schwäche dieses Batterietyps gemindert wird.

Natrium-Schwefel-Batterien können bezogen auf ihr Gewicht weniger Energie speichern als Lithium-Akkus und sind auch nicht so langlebig. Ihr großer Vorteil liegt in der Natur der Bestandteile, die reichlich vorhanden sind. Im Schwefel liegt jedoch auch der Grund für die kurze Lebensdauer. So bilden sich beim sogenannten Schwefel-Shuttling Polysulfide, die von einem Pol zum anderen wandern, mit diesem reagieren und letztlich zum Versagen der Batterie führen. Lavendelöl mit seinem Hauptbestandteil Linalool kann hier Abhilfe schaffen.

Bildlich gesprochen, sperrten die MPI-Wissenschaftler die Polysulfide in einen Käfig aus Linalool und Schwefel ein. Beim Laden und Entladen der Batterie können die kleinen Natriumionen noch immer ungehindert durch die Lücken ein- und wieder ausströmen. Laut den Forschern erreicht die Batterie auch nach 1.500 kompletten Lade- und Entladezyklen noch mehr als 80 Prozent der ursprünglichen Ladekapazität.

Das chemische Gefängnis erhöht aber nicht nur die Lebensdauer der Batterien, sondern auch ihre Speicherkapazität. Da der Schwefel im Käfig gefangen ist, steht er fast vollständig für den Lade- und Entladevorgang zur Verfügung. Insgesamt kann die Batterie mehr als 600 Milliamperestunden pro Gramm liefern – das ist der höchste Wert, den dieser Batterietyp bislang erzielte. Ein praktischer Nebeneffekt: Fast der gesamte Schwefel wird für die Energiespeicherung genutzt.

Mit Lavendelöl flutscht es auch in Batterien besser und macht die Stromspeicher deutlich effizienter. Foto: Madeleine_Steinbach/iStock

Chinesischer Fusionsreaktor stellt Plasmarekord auf

Chinas „künstliche Sonne“, so der Spitzname des Kernfusionsreaktors EAST, hat einen neuen Rekord aufgestellt. Für 1.066 Sekunden (17 min 46 s) konnte der Reaktor den Plasmabetrieb mit hohem Einschluss aufrechterhalten. Dies ist mehr als doppelt so lang wie der bisherige Rekord von 403 Sekunden, aufgestellt in derselben Anlage im Jahr 2023. Neben einem neuen Weltrekord markiere der jüngste Erfolg auch einen Meilenstein in der Fusionsforschung, so die Forscher.

Das ultimative Ziel der Entwicklung ist die Nachbildung der Kernfusionsprozesse, die in der Sonne ablaufen. Damit soll der Menschheit eine unbegrenzte und saubere Energiequelle zur Verfügung gestellt werden und die Erforschung der Welt außerhalb unseres Sonnensystems ermöglichen.

Die Erzeugung von Elektrizität aus einer Kernfusionsanlage erfordert jedoch die Bewältigung wichtiger Herausforderungen, wie das Erreichen von Temperaturen von über 100 Millionen Grad Celsius, die Aufrechterhaltung eines stabilen Langzeitbetriebs und die Gewährleistung einer präzisen Kontrolle des Fusionsprozesses.

„Eine Fusionsanlage muss über Tausende Sekunden hinweg einen stabilen Betrieb mit hohem Wirkungsgrad erreichen, um eine sich selbst erhaltende Plasmazirkulation zu ermöglichen, die für die kontinuierliche Stromerzeugung künftiger Fusionsanlagen unerlässlich ist“, erklärte Song Yuntao.

Mit dem derzeit im Bau befindlichen Reaktor „ITER“ in Südfrankreich sollen künftig weitere Rekorde gebrochen werden. Was bleibt, ist die Herausforderung, die erzeugte Energie nutzbar zu machen.

Darstellung einer Plasmafusion im ITER. Foto: US ITER Organization, http://www.iter.org/

Schrödingers Katze bekommt sieben Leben

Ein Sprichwort besagt, dass Katzen neun Leben haben. Für Schrödingers Katze scheint das jedoch nicht zu gelten. Die berühmte Samtpfote soll laut australischen Quantenphysikern – rein theoretisch – sieben Leben besitzen.

In der Welt der Quantenphysik können winzige Objekte gleichzeitig an zwei Orten sein oder verschiedene Geschwindigkeiten besitzen. Erwin Schrödinger fasste dies 1935 mit seinem berühmten Katzenparadoxon zusammen: So ist eine Katze in einem Karton gleichzeitig tot und lebendig, bis die Schachtel geöffnet wird und der Zustand der Katze „kollabiert“, sprich offenbart wird. Mit der Metapher Schrödingers Katze wird also eine Überlagerung von Quantenzuständen beschrieben.

Dieses Gedankenexperiment haben die Forscher um Professor Andrea Morello von der University of New South Wales kürzlich in der realen Welt demonstriert. Als Karton diente ihnen dabei ein Silizium-Quantenchip und als Katze ein Antimon-Atom. Die Antimon-Katze kann laut den Forschern acht verschiedene Spin-Richtungen – also Quantenzustände – annehmen. Die bislang eingesetzten herkömmlichen Quantenbits hatten nur zwei – in Katzenanalogie entweder tot oder lebendig.

Da Antimon aber acht Zustände hat, könnten siebenmal die Quantenzustände durch die Änderung der Spin-Richtung geändert werden, bis die letzte und achte Veränderung zum „Tod“ führt. Aber wer weiß: Wenn niemand nachschaut, hat Schrödingers Katze vielleicht auch neun Leben. Oder mehr.

1935 beschrieb Erwin Schrödinger das Paradoxon der Quantenphysik anhand einer Katze im Karton: die Geburtsstunde der berühmten Schrödingers Katze. Foto: kmsh/iStock

„Kettenhemd“ aus dem Drucker

Ob die neueste Erfindung der US-amerikanischen Materialforscher in Illinois eines Tages das Leben von Schrödingers Katze schützen könnte, ist offen. Mit der Entwicklung eines zweidimensionalen, mechanisch ineinandergreifenden Materials könnte der Grundstein jedoch gelegt sein. Das Material ähnelt den ineinandergreifenden Gliedern eines Kettenhemdes – nur viel kleiner – und weist eine außergewöhnliche Flexibilität und Festigkeit auf.

Diese Art von Schutz besteht aus mechanisch verzahnten zweidimensionalen Polymeren, die senkrecht zueinander verlaufen und 100 Billionen mechanische Bindungen pro Quadratzentimeter aufweisen – die höchste jemals erreichte Dichte an mechanischen Bindungen. Wolle man diese Bindungen brechen, müsste man an sehr vielen verschiedenen Stellen ansetzen, so die Forscher.

Mit 100 Billionen mechanischen Bindungen pro Quadratzentimeter weist das neue Material die höchste jemals erreichte Dichte an mechanischen Bindungen auf. Foto: Mark Seniw, Center for Regenerative Nanomedicine, Northwestern University

Ein weiterer Pluspunkt sei die Tatsache, dass das neue Material in großen Mengen hergestellt werden könne. Bisherige Polymere mit mechanischen Bindungen wurden in der Regel in geringen Mengen mit Methoden hergestellt, die sich nicht rentieren.

Doch laut den Forschern könne ihre Erfindung auch anderen Materialien zugefügt werden, wie Ultem. Ultem gehört zur gleichen Familie wie Kevlar und ist ein sehr starkes Material, das extremen Temperaturen sowie sauren und ätzenden Chemikalien standhält. Ein von den Forschern entwickelter Verbundwerkstoff aus 97,5 Prozent Ultem und 2,5 Prozent ihres Kettenhemd-Polymers erhöhte die Gesamtfestigkeit und Zähigkeit des Mischmaterials deutlich.

Mit weiteren Arbeiten könnte das neue Material künftig für hochleistungsfähige, leichtgewichtige Körperpanzer verwendet werden, die leichte, flexible und widerstandsfähige Materialien erfordern.