Pressemeldung der Universität Kassel vom 23.02.2016

Die Universität Kassel hat in einem internationalen Projekt Methoden entwickelt, um in verschiedensten Klimazonen kostbares Ackerland zu bewahren. Schon der geschickte Anbau bestimmter Feldfrüchte kann helfen, Ernten in Europa, Afrika und auf anderen Kontinenten dauerhaft zu sichern.

Immer weniger Ackerland muss weltweit immer mehr Menschen ernähren. Der Mensch geht fahrlässig mit dem Boden um: Nach Angaben der Welthungerhilfe gehen durch Erosion, Versalzung, Austrocknung oder Versiegelung jährlich zwischen fünf und sieben Millionen Hektar landwirtschaftlicher Nutzfläche verloren. Unter Leitung von Prof. Dr. Maria Finckh, Agrarwissenschaftlerin der Universität Kassel, hat eine internationale Forschungsgruppe Methoden entwickelt, um Ackerland vor Auslaugen und Erosion zu schützen – schonend und naturnah.

Im Ergebnis kann schon der Anbau von Zwischenfrüchten viel zum Erhalt von Ackerland beitragen. Diese Zwischenfrüchte werden nicht geerntet, sondern sterben ab und bilden eine Mulchschicht, die als Dünger und Bodenschutz dient. Als guter Dünger sind manche Pflanzenfamilien wie Leguminosen (Hülsenfrüchtler) schon bekannt, aber vergleichende Versuche in einer Größenordnung wie im Rahmen des Projekts OSCAR hatte es bislang nicht gegeben. Die Forschergruppe testete in den vergangenen vier Jahren insgesamt über 1000 Arten und Sorten auf ihre Eignung als Untersaaten oder Zwischenfrüchte. Die Pflanzen wurden in elf Ländern auf drei Kontinenten sowohl unter konventionellen als auch ökologischen Bedingungen mit innovativen Maschinen und Sämethoden angebaut. In einer Datenbank wurde erfasst, welche Pflanzensorte wo unter welchen Bedingungen den größten Beitrag zum Bodenschutz lieferte.

Als besonders geeignet erwiesen sich Wicken und Platterbsen (beides Leguminosen-Arten). Ihre Wurzeln leben in Symbiose mit Knöllchenbakterien, die Stickstoff sammeln – einen guten Dünger. In Mitteleuropa wirkt auch Ölrettich vorteilhaft. Ebenso wie Wicken und Platterbsen entwickelt er starke Wurzeln, was zu einem guten Schutz vor Erosion führt. „Es ist klar, dass die Zwischenfrüchte einen erheblichen Beitrag dazu leisten können, Böden zu schützen. Der Effekt ist viel größer als bislang angenommen und in allen Klimazonen nachweisbar“, so Finckh. Bedingung: „Die Pflanzen sollten nach der Ernte der Hauptfrucht auf einem Acker gesät und wenigstens drei Monate bis zur Aussaat der nächsten Hauptfrucht stehen gelassen werden.“ Im Rahmen der EU-Greening-Verordnungen werden inzwischen europaweit vermehrt Zwischenfrüchte eingesetzt.

Wertvolle Leguminosen

Als vielversprechend für den Bodenschutz erwies es sich auch, weniger auf schwere Landmaschinen und mehr auf neuartige, leichtere Anbaumaschinen zurückzugreifen. Zum Teil sind hier aber noch technische Entwicklungen nötig. Um den Anwendern Informationen gut verständlich zur Verfügung zu stellen, wurde eine mehrsprachige interaktive Informationsplattform inklusive Internet-basierter Entscheidungshilfe aufgebaut, die auch nach Projektende weiter zur Verfügung stehen wird und weiter entwickelt werden soll (www.covercrops.eu). Damit wird den Nutzern ermöglicht, für ihre jeweiligen Standorte die besten Pflanzen und Methoden zu finden und auszuprobieren.

Das EU-Forschungsprojekt OSCAR („Optimizing Subsidiary Crop Applications in Rotations“; deutsch: Optimierung der Anwendung von ergänzenden Pflanzen in Fruchtfolgen) umfasste 20 Partner aus elf Ländern Europas, Afrikas und Südamerikas und wurde mit rund drei Millionen Euro gefördert. Die Ergebnisse wurden jetzt am Fachbereich Ökologische Agrarwissenschaften der Universität Kassel in Witzenhausen vorgestellt.

Externer Link: www.uni-kassel.de

Presseaussendung der TU Wien vom 15.02.2016

An der TU Wien wurde eine neuartige photo-elektrochemische Zelle entwickelt, mit der man die Energie von UV-Licht bei hohen Temperaturen chemisch speichern kann.

Die Natur macht es vor: Pflanzen können Sonnenlicht auffangen und chemisch speichern. Dieses Kunststück auf großtechnischer Skala nachzumachen, gelingt uns heute aber noch nicht besonders gut. Photovoltaik wandelt das Licht direkt in Strom um, aber bei hohen Temperaturen nimmt der Wirkungsgrad konventioneller Solarzellen deutlich ab. Wenn man den Strom zur Gewinnung von Wasserstoff nutzt, kann man die Energie chemisch speichern, doch die Effizienz dieses Prozesses ist begrenzt.

An der TU Wien wurde nun ein neues Konzept entwickelt: Durch die Auswahl ganz spezieller Materialien gelang es, Hochtemperatur-Photovoltaik mit einem elektrochemischen Element zu kombinieren. Damit kann man UV-Licht nutzen, um Sauerstoffionen durch eine keramische Elektrolytmembran zu pumpen – so wird die Energie des UV-Lichts chemisch gespeichert. In Zukunft soll man mit dieser Methode Wasser mit Sonnenlicht direkt in Wasserstoff und Sauerstoff spalten können.

Hochtemperatur-taugliche Materialien

Schon als Student hatte Georg Brunauer immer wieder darüber nachgedacht, wie man Photovoltaik und elektrochemische Speicherung kombinieren könnte. Allerdings müsste ein solches System bei hohen Temperaturen funktionieren. „Dann könnte man nämlich das Licht der Sonne mit Spiegeln konzentrieren und große Anlagen mit hohem Wirkungsgrad bauen“, sagt Brunauer. Gewöhnliche Solarzellen funktionieren allerdings nur bis etwa 100°C gut – in einem Solarkonzentrator-Kraftwerk würden viel höhere Temperaturen entstehen.

Bei der Arbeit an seiner Dissertation gelang es Brunauer dann, einen Lösungsansatz für dieses Problem umzusetzen – und zwar mit einer ungewöhnlichen Wahl von Materialien. Anstatt silizium-basierter Photovoltaik wurden spezielle Mischmetalloxide vom Typ Perovskit verwendet. Durch die Kombination mehrerer verschiedener Metalloxide konnte eine Zelle hergestellt werden, die Hochtemperatur-Photovoltaik und Elektrochemie vereint. Neben dem Team von Prof. Karl Ponweiser, Brunauers Dissertationsbetreuer am Institut für Energietechnik und Thermodynamik, waren auch noch andere Forschungsgruppen der TU Wien am Projekt beteiligt: Das Elektrochemie-Team von Prof. Jürgen Fleig (Chemische Technologien und Analytik) sowie das Atominstitut der TU Wien.

Erst Spannung erzeugen, dann Ionen pumpen

„Unsere Zelle besteht aus zwei verschiedenen Teilen – nämlich aus einem oberen photoelektrischen und einen unteren elektrochemischen Teil“, sagt Georg Brunauer. „In der oberen Schicht werden durch Beleuchtung freie Ladungsträger erzeugt, genau wie in einer gewöhnlichen Solarzelle.“ Die Elektronen werden allerdings sofort wegtransportiert und auf die untere Seite der elektrochemischen Zelle geleitet. Das führt dazu, dass Sauerstoffatome dort negativ aufgeladen werden und dann durch die untere Schicht der Zelle hindurchwandern können.

„Das ist der entscheidende photoelektrochemische Schritt, der in weiterer Folge dann die Grundlage für Wasserzerlegung und Wasserstoffproduktion sein soll“, erklärt Brunauer. Die Vorstufe dazu – eine mit UV-Licht angetriebene Sauerstoff-Pumpe, funktioniert bereits und liefert bei 400°C eine Leerlaufspannung von bis zu 920 Millivolt.

Die Arbeiten zur Photo-elektrochemischen Festoxidzelle wurden nun im Fachjournal „Advanced Functional Materials“ veröffentlicht. Damit ist die Forschung freilich noch nicht abgeschlossen: „Weiterführende Arbeiten sind wichtig, um den Effekten phänomenologisch auf den Grund zu gehen und damit das Material noch weiter optimieren zu können“, sagt Brunauer. Wenn die elektrische Leistung noch etwas gesteigert wird, lässt sich mit der Zelle Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten. „Dieses Ziel ist in Griffweite, jetzt wo wir bewiesen haben, dass das Grundprinzip funktioniert“, sagt Georg Brunauer. Nicht nur zur Wasserstoffproduktion eignet sich das neue Konzept; man könnte auch CO2 aufspalten und daraus CO in Hinblick für Kraftstoffsynthesen gewinnen.

Patente und Firmengründung

Damit die neue Erfindung den Sprung vom Universitätslabor in die Umsetzung eines Prototyps schafft, hatte Georg Brunauer unteranderem mit einem Industriepartner das Startup-Unternehmen NOVAPECC gegründet. Gemeinsam mit der TU Wien wurden Patente angemeldet, dabei wurde Brunauer vom Forschungs- und Transfersupport der TU Wien unterstützt. Auch vom Inkubatorprogramm INiTS wurde das Projekt unterstützt. Gefördert wurde das Projekt außerdem durch ein Brückenschlagprogramm der Forschungsförderungsgesellschaft FFG. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Medienmitteilung der Universität Basel vom 08.02.2016

Brennstoffzellen erzeugen elektrischen Strom aus der chemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Um saubere Energie zu erhalten, ist es entscheidend, mit welcher Methode Wasser vorher in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgetrennt wird. Forschende der Universität Basel untersuchen, wie sich Sonnenlicht zu diesem Zweck einsetzen lässt. Die Fachzeitschrift «Chemical Communications» hat ihre neusten Resultate veröffentlicht.

Saubere und erneuerbare Energiequellen zu entwickeln, ist eine der grossen Herausforderungen unserer Zivilisation. Die künstliche Photosynthese scheint dabei einer der erfolgversprechendsten Ansätze zu sein. Dabei wird Wasser photoelektrochemisch, d.h. mithilfe von Sonnenlicht, in seine Bestandteile H2 und O2 aufgetrennt und gespeichert. Bei der späteren Vereinigung der chemischen Elemente entsteht elektrischer Strom. Ein Team von Forschenden unter der Leitung der Basler Chemiker Catherine Housecroft und Edwin Constable arbeitet gemeinsam mit der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) an der Realisierung dieser Methode.

Die nachhaltige Brennstoffzelle

Die Spaltung von Wasser (H2O) besteht aus zwei Teilreaktionen, die mithilfe von unterschiedlichen Katalysatoren umgesetzt werden: die Wasseroxidation (dabei entsteht O2) und die Wasserreduktion (dabei entsteht H2), wobei die erste die anspruchsvollere der beiden Reaktionen ist. Die Forschung widmet sich deshalb intensiv der Entwicklung von effizienten und nachhaltigen Wasseroxidationskatalysatoren.

Ein wichtiger Faktor in der Realisierung der photoelektrochemischen Brennstoffzelle ist die präzise Anordnung der einzelnen Bestandteile. «Tut man das nicht, ist es, als würde man alle Einzelteile einer Uhr in einen Sack werfen, schütteln und dann darauf hoffen, die Zeit ablesen zu können», erklärt Prof. Edwin Constable von der Universität Basel.

Um die perfekte Anordnung der Katalysatoren zu eruieren, haben die Basler Chemiker in der aktuellen Studie ein Modell zur Wasseroxidation entwickelt, welches zwar mit Strom betrieben wird, aber die gleichen chemischen Zwischenzustände wie Licht generiert. Dabei verwendeten sie das chemische Element Ruthenium als Katalysator. Den Forschern ist es also gelungen, eine durch Lichtstrahlung betriebene Brennstoffzelle zu simulieren. Mithilfe dieses Modells konnten sie dann die Position und Effizienz der einzelnen Bestandteile testen.

Originalartikel:
Rita Toth, Roché M. Walliser, Niamh S. Murray, Debajeet K. Bora, Artur Braun, Giuseppino Fortunato, Catherine E. Housecroft and Edwin C. Constable
A self-assembled, multicomponent water oxidation device
Chemical Communications (2016), doi: 10.1039/c5cc09556e

Externer Link: www.unibas.ch