Archiv für den Monat: Januar 2016

The Big Five

Unser Plant Erde ist alt, sehr alt, ca. 4,6 Milliarden Jahre. Das ist ein Zeitraum, der für unser Gehirn kaum fassbar scheint. Gleiches gilt auch für die Entstehung des Lebens auf unserem Heimatplaneten. Es gibt unterschiedliche Theorien, in denen davon ausgegangen wird, das vor etwa 3,8 Milliarden Jahren erste Lebensformen entstanden sein könnten. Das Leben entwickelte sich stetig auf der Erde, mal rasanter, mal weniger rasant. Gegen Ende des Präkambriums entstanden auch mehrzellige Organismen, die zum Teil unter die Vorläufer noch bestehender Organismengruppen gerechnet werden wie Schwämme (Porifera) und Nesseltiere (Cnidaria).

Immer wieder wurde diese evolutionäre Entwicklung jedoch gestoppt oder erhielt zum Teil mächtige Rückschläge. Ursachen dafür waren gravierende Naturereignisse, die zu Massensterben von Arten führten. Dass es diese Ereignisse, die zum Massensterben führte, auf der Erde immer wieder gegeben hat, erkannte als erster der französische Naturforscher Baron Georges Cuvier (1769-1832). Der Paläontologe am Pariser Naturkundemuseum ersann die Theorie, dass es im Laufe der Evolution mehrfach große Naturkatastrophen gegeben hat, in der Lebewesen in großer Zahl vernichtet wurden – teilweise ganze Arten – es jedoch danach immer wieder zu neuen evolutionären Prozessen kam.

Heute, etwa 200 Jahre später, wissen wir, dass die Thesen und Vermutungen von Baron Cuvier zutreffen. Die Geologie, die Paläontologie und andere Wissenschaften haben den Beweis erbracht, dass es zahlreiche Aussterbeereignisse in der Erdgeschichte gegeben hat. Die fünf größten dieser Ereignisse nennt die Wissenschaft „The Big Five“.

Der Erkenntnisgewinn, der mit Baron Cuvier begann, setzte sich zwar über das gesamte 19. und 20. Jahrhundert fort, jedoch hatte die Wissenschaft noch nicht die Möglichkeiten, die gewonnen Erkenntnisse zu evaluieren. Erst als der amerikanische Paläontologe Jack Sepkoski Anfang der 1980er Jahre begann, alle vorhandenen Daten zusammen zu tragen, zu analysieren und in Grafiken darzustellen, wurde das Puzzle zu einem Bild. Inzwischen konnten Forscher auf der ganzen Welt aus versteinerten Fossilien das Werden und Vergehen von Arten nachweisen:

Demnach setzte das erste große Massenaussterben, das sich derzeit nachweisen lässt, vor etwa 444 Mio. Jahren ein. Zwar hatte es wohl bereits etwa 40 Mio. Jahre zuvor ein großes Aussterbeereignis gegeben, bei diesem ordovizischen Ereignis gingen jedoch etwa 50 Prozent aller Arten unter. Da es zu jener Zeit noch keine Landlebewesen gab, beschränkte sich das Artensterben auf die Trilobiten, Conodonten und Armfüßler in den Weltmeeren. Die Thesen zu den Ursachen gehen bisher recht weit auseinander. Zwei Vermutungen bestimmen dennoch die Diskussion: Das erstmalige Auftreten von Landpflanzen, die dem Boden massenhaft wichtige Spurenelemente entzogen und somit zu einer chemischen Bodenverwitterung führten, was wiederum der Atmosphäre CO2 entzog. Die andere These setzt auf eine erdnahe Supernova, die eine radikale Klimaabkühlung bewirkte.

Das zweite Ereignis der „Big Five“ wird in die Zeit des oberen Devon, also vor etwa 360 Mio. Jahren, datiert. Benannt wurde dieses Aussterbeereignis nach einem deutschen Flusstal. Bereits um 1850 entdeckte der Geologe und Botaniker, Bergrat Friedrich Adolf Roemer (1809-1869), im Kellwassertal, einem Nebenflusstal der Oker bei Goslar, einen geologischen Aufschluss, der ihn zu genaueren Untersuchungen veranlasste. Er erkannte in dem geologischen Aufschluss dieser Lokalität die dunklen, meist mergeligen Gesteine als organische Ablagerungen, die nach dem Ort des Auffindens Kellwasser-Kalk genannt wurden. Römer legte mit seinen diesbezüglichen Forschungen und Beschreibungen – insgesamt von mehr als 800 Fossilien identifizierte er – einen bedeutenden Beitrag zur geologischen und paläontologischen Forschung. Dieses Aussterbeereignis wird in der Wissenschaft als Kellwasser-Event bezeichnet. Erneut starben 50 Prozent aller Arten aus, darunter Fische, Korallen und Trilobiten. Es starben auch etliche „Riffbauer“ unter den Korallen, was zur Folge hatte, dass die Zahl der Korallenriffe erheblich abnahm. Das Kellwasser-Event war kein lokales, sondern ein globales Ereignis, wie wir heute wissen. Auch hierfür gibt es über die Ursachen nur Vermutungen: Es wird angenommen das der Sauerstoffgehalt im Wasser sank, was vielen Tieren den Tod brachte. Demnach überlebten nur Tiere, die sich anpassen oder auch Sauerstoff außerhalb des Wassers aufnehmen konnten. Die Zeit der Amphibien war gekommen.

Hundert Millionen Jahre später hatte sich die Land-Fauna und -Flora über die Erde ausgebreitet. Da trat vor etwa 252 Mio. Jahren ein neues Ereignis ein, dem ca. 95 % aller meeresbewohnenden Arten sowie ca. 66 % aller landbewohnenden Arten (Reptilien- und Amphibienarten) zum Opfer fielen. Dieses Artensterben war kein plötzliches, sondern es zog sich über etwa 200 000 Jahre hin. Die Ursachen sind bisher unbekannt – es kann sich jedoch um keine Naturkatastrophe gehandelt haben. Die meisten Wissenschaftler machen heute den sibirischen Trapp verantwortlich. Dabei handelt es sich um eine aus Flutbasalten entstandene Großmagmatische Provinz, bei deren Entstehung große Mengen CO2 freigesetzt wurden, wodurch sich das Klima veränderte. Obwohl bei diesem Ereignis das Leben auf der Erde zu einem Großteil ausgelöscht wurde, ließ sich die Evolution nicht aufhalten. Die damals wohl entstandenen „Treibhausgase“ beeinflussten das Weltklima wohl über mehrere hunderttausend Jahre und stellen die heutigen Debatten weit in den Schatten.

Vor ca. 200 Millionen Jahren, am Ende der Trias, ereignete sich das vierte Event: 50 bis 80 % aller Arten, unter anderen fast alle Landwirbeltiere, starben aus. Wie zuvor, so sind auch hier die Ursachen nicht klar. Die Wissenschaft vermutet einen Zusammenhang mit gewaltigen vulkanischen Aktivitäten und daraus resultierende mächtige Eruptionen. Gewaltige Magmafreisetzungen beim Auseinanderbrechen des globalen Superkontinentes Pangaea könnten die Ursache darstellen, dass riesige Mengen CO2 und Schwefeldioxid in die Atmosphäre gelangten und die großen und flachen Meere durch Schwefelwasserstoffe vergiftet wurden.

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Das letzte Big-Five-Event ist wohl das bekannteste. Es führte unter anderen zum Aussterben der Saurier und ereignete sich vor ca. 66 Millionen Jahren an der Kreide-Paläogen-Grenze (früher Kreide-Tertiär-Grenze genannt). Dieses Massenaussterben, bei dem erneut ca. 50 Prozent aller Tierarten, mit Ausnahme von Vögeln, ausstarben, markiert gleichzeitig den Übergang vom Erdmittelalter zur Erdneuzeit. Als Ursache werden zwei Ereignisse erörtert: Der Einschlag eines Meteoriten nahe der Halbinsel Yucatán und der kontinentale Ausbruch einer Mantel-Plume (Aufstrom heißen Gesteinsmaterials aus dem tieferen Erdmantel) in der Dekkan-Trapp-Region in Vorderindien. Dieses Aussterbe-Event ist auch als KT-Impakt (Kreide-Tertiär-Einschlag) bekannt.

Inzwischen sind einige weitere, kleinere Aussterbe-Ereignisse bekannt, jedoch auch von diesen sind die Ursachen noch nicht bekannt. Alle Ereignisse haben dennoch eines gemeinsam: Sie brachten gravierende Klimaveränderungen mit sich – wohl die eigentlichen Ursachen für die Massensterben. Sämtliche haben tiefe Einschnitte hinterlassen, denen unmittelbar mächtige evolutionäre Aufschwünge folgten.

Teile der Wissenschaft gehen davon aus, dass seit dem Ende der Eiszeit vor 50 000 – 10 000 Jahren durch die damit verbundene Klimaänderung, und daran anschließend bis heute, eine durch den Menschen beschleunigte Klimaveränderung, mit einem 6. Massenaussterben eingesetzt hat. Diese These ist jedoch sehr umstritten und wird heiß diskutiert. Ich halte nichts von dieser These, denn Artensterben und Artenaussterben gab es zu allen Zeiten der evolutionären Entwicklung; an keiner war der Mensch beteiligt. Es lässt sich sogar über die These trefflich streiten, ob die Entwicklung des Menschen ohne die Big Five überhaupt eingesetzt hätte. Unstrittig ist, dass der Mensch teilweise Raubbau mit der Natur betreibt. Dem ist Einhalt zu gebieten und der Mensch hat wohl seine diesbezügliche Verantwortung mittlerweile erkannt. Jedoch von einem 6. Massenaussterben zu reden, halte ich für Populismus und Panikmache gewisser gesellschaftlicher Gruppen. Wir stehen sicherlich vor großen Herausforderungen, was Umwelt- und Naturschutz betrifft, aber wir werden diese bewältigen. Gegen globale Naturkatastrophen hingegen, die uns jederzeit treffen können, sind wir völlig machtlos.




Mit biologischen Abfällen zum Hochleistungs-Akkumulator

Akkumulatoren werden wohl nie die primäre Lösung zur Speicherung von Energie liefern können, so die bisherige Auffassung. Ihnen wird sicherlich, zumindest in absehbarer Zukunft, eine entscheidende Rolle bei Fahrzeugen sowie bei mobilen elektrischen und elektronischen Geräten zukommen. Vielmehr aber wohl nicht – zu groß ist der Rohstoffeinsatz und zu gering sind Speichervolumen und die Lebensdauer.

Unter dem technischen Begriff eines Akkumulators versteht man, wie bei der klassischen Batterie, galvanische Elemente, die beim Aufladen elektrische Energie in chemische umwandeln und beim Entladen die chemische Energie wieder in elektrische. Wesentlicher Unterschied: Das Sekundärelement des Akkus ist wieder aufladbar, das Primärelement der Batterie nicht.
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Die erste Vorform eines Akkumulators, der – im Gegensatz zu den Zellen von Alessandro Volta – nach der Entladung wieder aufladbar war, wurde schon im Jahr 1803 von dem Niederschlesischen Physiker Johann Wilhelm Ritter (1776-1810) erfunden und gebaut. Der wohl bekannteste Akku-Typ dagegen, der Bleiakkumulator, wurde erst in den Jahren 1850 bis 1886 entwickelt. Seit dieser Zeit wird kontinuierlich an der Weiterentwicklung dieses Elektroenergiespeichers gearbeitet und geforscht. Eigentlich ist die Funktionsweise eines Akkus recht einfach, so sieht es wenigstens auf den ersten Blick aus. Beim Aufladen wird elektrische Energie in chemische umgewandelt. Wird ein elektrischer Verbraucher an den Akku angeschlossen, so wird die chemische in elektrische Energie zurückgewandelt. Klingt doch einfach und unkompliziert, oder? Die für eine elektrochemische Zelle typische elektrische Nennspannung, der Wirkungsgrad und die Energiedichte hängen jedoch wesentlich von den verwendeten Materialien ab. Und diesbezüglich ist den Forschern und Entwicklern bisher noch nicht der ganz große Wurf gelungen.

Heute haben wir, besonders im Bereich der Elektronik, hochentwickelte Akkus mit kleinen Abmessungen, hohem Wirkungsgrad und großer Energiedichte. Die gängigen Lithium-Ionen-Akkus sind auch schon sehr schnellladefähig und von langer Lebensdauer. Das verwendete chemische Element Lithium – ein Alkalimetall – ist jedoch chemisch wenig stabil. Lithium hat an der Erdkruste einen Anteil von etwa 0,006 %. Es kommt damit etwas seltener als Zink, Kupfer und Wolfram sowie etwas häufiger als Kobalt, Zinn und Blei in der Erdkruste vor. Lithium steht somit nicht unbegrenzt zur Verfügung und es ist auch nicht ganz einfach zu gewinnen.

Bei Akkumulatoren für die Elektrotechnik bzw. für größere Verbraucher sind hingegen bisher keine entscheidenden Fortschritte gemacht worden. Das trifft insbesondere auf Akkumulatoren für den Einsatz in Kraftfahrzeugen sowie zur Zwischenspeicherung für regenerative Energie – Wind- und Solarenergie – zu. Die Akkumulatoren der Zukunft werfen bisher nur einen schwachen Schein am Horizont, so benötigen wohl noch eine lange Zeit der Entwicklung bis sie praxistauglich sind.

Lithium-Schwefel-Akkus sind in der Entwicklung. Erneut findet das nur begrenzt verfügbare Element Lithium Anwendung. Bei diesem Akku wurden noch nicht die vorhergesagten Ergebnisse erzielt. Die theoretische Energiedichte ist zwar die höchste aller Akkumulatoren, die Praxis konnte diese Werte bisher jedoch nicht bestätigen. Zudem sind sie recht empfindlich gegen Temperaturschwankungen und auch ihre Lebensdauer ist unzureichend.

Auch an Lithium-Polymer-Akkus wird geforscht. Erneut wird hier Lithium benötigt! Diesem Akku-Typ wir viel Potential zugeschrieben, denn er ist in seiner Formgestaltung sehr variabel, da er keine Flüssigkeiten enthält und auch seine Lebensdauer gibt Anlass zu Optimismus. Jedoch ist dieser Akku sehr kälteempfindlich.

Auch ein Lithium-Luft-Akku ist Forschungsgegenstand. In der Theorie soll er eine 10 – 20 Mal höhere spezifische Energie aufweisen als herkömmliche Lithium-Akkus, jedoch ist er über die Forschung kaum hinausgekommen und zudem wird auch hier erneut Lithium benötigt.

Natürlich gibt es auch noch Akkumulatoren die nicht mit Lithium arbeiten. Bei den modernen Akku-Typen sind das insbesondere solche, deren Elektroden aus Nickelverbindungen bestehen. Da Nickel jedoch noch seltener vorkommt als Lithium und zudem auch wesentlich umwelt- und gesundheitsschädigender ist kann diesem Typ wohl keine Zukunft gegeben werden. Besonders die in der Vergangenheit üblichen Nickel-Cadmium-Akkus sind inzwischen durch EU, sowie nationale Verbote, weitgehend aus dem Verkehr genommen worden.

Die wohl größten Hoffnungen setzten Forschung, Wissenschaft und Entwicklung derzeit auf Natrium-Ionen-Akkumulatoren. Sie sind deutlich leistungsstärker als Systeme mit Nickel-, oder Bleielektroden und repräsentieren eine echte Alternative zu den Lithium-Ionen-Akkus. Ihre Ausgangsstoffe sind weit verbreitet, einfach zugänglich und somit kostengünstig; zudem sind sie wenig umweltbelastend. Daher sind Natrium-Ionen-Systeme insbesondere eine äußerst vielversprechende Technologie für stationäre Energiespeicher, welche eine zentrale Rolle in der proklamierten Energiewende einnehmen müssen.

Bei der Entwicklung von Aktivmaterialien für Natrium-basierte Energiespeichersysteme ist dem Team um Professor Stefano Passerini und Dr. Daniel Buchholz am Helmholtz-Institut Ulm, des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), nun ein bedeutender Schritt gelungen. Für die negative Elektrode wurde ein kohlenstoffbasiertes Material entwickelt, welches aus Apfelabfällen gewonnen wurde und exzellente elektrochemische Eigenschaften besitzt. Über 1000 Lade- und Entladezyklen mit hoher Systemstabilität und hoher Kapazität konnten bisher demonstriert werden. Diese Entwicklung stellt einen wichtigen Schritt zur nachhaltigen Nutzung und Verwertung von nachwachsenden Rohstoffen sowie biologischen Abfällen dar.

Für die positive Elektrode wurde ein Material entwickelt, dass aus verschiedenen Schichten von Natriumoxiden besteht. Auf der Erde ist Natrium mit einem Anteil an der Erdkruste von 2,36 % das sechsthäufigste Element. Es kommt aufgrund seiner Reaktivität nicht elementar, sondern stets in Verbindungen, den Natrium-Salzen, vor. Ein großer Speicher von Natrium ist das Meerwasser. Ein Liter Meerwasser enthält durchschnittlich 11 Gramm Natriumionen.  Zudem kommt Natrium auch im gesamten Universum sehr häufig vor.

Das neue Natrium-Aktivmaterial kommt zudem völlig ohne das teure und umweltschädigende Element Kobalt aus, welches noch immer häufig ein Bestandteil in Aktivmaterialien von Lithium-Ionen-Akkus ist. Das neue Aktivmaterial, in dem die eigentliche Speicherung von Energie stattfindet, hat bei gleichen Leistungsdaten im Labor hunderte von Zyklen ohne Kobalt absolviert.

Mit den diesen neuen Materialien konnte ein bedeutender Schritt, hin zur Entwicklung kostengünstiger und umweltfreundlicher Natrium-Ionen-Akkumulatoren gemacht werden.




Millionenschatz in Goslarer Teichen

Der Harz war im Mittelalter und auch noch in der älteren Neuzeit die bedeutendste Bergbauregion Europas. Besonders die Erze von Silber, Kupfer und Zinn und Blei wurden gefördert und weiterverarbeitet.

Dieser intensive Harzer Bergbau und die zugehörige Verhüttung brachten zahlreiche bedeutende Erfindungen hervor, die in aller Welt Anwendung fanden: die Schienen-Hunte (Loren), Dynamit, das Drahtseil, die Fahrkunst und vieles mehr. Jedoch war die Erzaufbereitung des sogenannten „Alten Mannes“ (abgebaute, verlassene und aufgefüllte alte Bergwerke), wie auch die Weiterverarbeitung in den Hütten bis weit ins Industriezeitalter hinein wenig effizient.

Im Folgenden werde ich mich nun der Erzaufbereitung in der Neuzeit zuwenden und das speziell im Rammelsberger Revier in Goslar. Mit der Nutzung der Wasserkraft ab dem 16./17.Jahrhundert entstanden ganz neue Möglichkeiten und Technologien. So nutze man das Wasser zum Auswaschen von Lettern (erdige, taube Gangbestandteile) sowie zur Trennung von Erz und tauben Gestein, über die unterschiedliche Dichte der Mineralien. Die Wasserkraft wurde darüber hinaus auch für die Pochwerke eingesetzt. So werden Stampfwerke, Stoßwerke oder Schlagwerk genannt, die zum Zerkleinern der Erze dienen. Diese Pochwerke waren in der Regel in den tiefen Flusstälern angesiedelt, wohin man das Erz transportierte. Das Wasser bezogen die Pochwerke von den Gruben, wo es zuvor Kehr- und Kunsträder in Bewegung gehalten hatte.

Bis zum Beginn des Industriezeitalters (um 1850) war die Erzaufbereitung dennoch mit viel Handarbeit verbunden und zudem recht dezentral und kleinräumig angelegt. Nach 1850 wurden die verstreuten kleineren Pochwerke und Erzwäschen durch zentralere Erzaufbereitungen abgelöst. Das Grundprinzip Grobzerkleinerung – Handscheidung – Sieben – Setzen – Feinzerkleinerung – Herdwaschen/ Feinsetzen und Schlammwäsche blieb auch weiterhin sehr ähnlich, wurde jedoch ständig technologisch perfektioniert und mechanisiert. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde ein nassmechanisches Erzaufbereitungsverfahren eingeführt, dass nach dem 1. Weltkrieg durch ein Flotationsverfahren abgelöst wurde. Dieses Flotationsverfahren wurde ständig perfektioniert und bis zur endgültigen Einstellung der Förderung im Rammelsberg im Jahr 1988 angewandt. Zwar konnte die Ausbringung der Metalle aus den Erzen ständig erhöht werden, dennoch ging der Abgang der Nassaufbereitung in dazu angelegte Bergbauteiche zwischen Goslar und Oker. Dort lagerten sich diese stark erz- und mineralhaltigen Pochwerksschlämme in den Bergteichen am Bollrich als Bodensatz ab.

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Experten der TU Clausthal-Zellerfeld haben nun vor einigen Jahren die Spur dieses Bodensatzes aufgenommen, in dem sie begannen ihn einer chemischen Analyse zu unterziehen. Was die Wissenschaftler auf dem Grund dieser unscheinbaren Teiche vermuten, hört sich wie der Stoff zu einem Märchen an: 1,5 Tonnen Gold, 200 Tonnen Silber, 14.000 Tonnen Kupfer, 70.000 Tonnen Blei, 100.000 Tonnen Zink, 1,5 Mio. Tonnen Schwerspat sowie seltene und wertvolle Metalle wie Iridium, Kobalt und Gallium.

„Man kann davon ausgehen, dass in dem Sediment Metall im Wert von mehreren hundert Millionen Euro lagert“, meint der Clausthaler Professor Daniel Goldmann, der einen Lehrstuhl für Rohstoffaufbereitung und Recycling innehat. „Und das ist keine Vermutung auf blauen Dunst“, meint Goldmann.

Um die Metalle und Mineralien zu orten, zu bergen, zu gewinnen und aufzuarbeiten hat die TU Clausthal mit Firmen und Institutionen einen Verbund gebildet. Bund und Land fördern das Projekt vorerst mit zwei Millionen Euro.

Die notwendige Entnahme von Bohrkernen aus den Teichsedimenten wurde im Dezember 2015 abgeschlossen. Nun werden die entnommenen Proben in der TU Clausthal untersucht. Es werde dann noch einige Jahre dauern, bis die Verfahren zur Aufbereitung des metallhaltigen Materials soweit entwickelt seien, dass der Schatz tatsächlich gehoben und aufbereitet werden könne, sagt Prof. Goldmann.

Das Projekt um die Goslar-Rammelsberger Teichsedimente ist jedoch nicht das einzige Projekt, dass eine Renaissance des Harzer Bergbaus verspricht. Auch Lagerstätten, die früher aus wirtschaftlichen Gründen nicht bergbaulich genutzt wurden, geraten wieder in den Focus und selbst die gewaltigen Abraumhalden des Bergbaus sind Gegenstand von Nutzbarkeitsanalysen. Aber dazu mehr in einem späteren Beitrag.