Hochflexible Plattform für die Untersuchung exotischer Phänomene

Veröffentlicht am25. Juni 202012. März 2021Autorgh

Übergangsmetall-Dichalcogenid „verdrehtes WSe₂“ mit neuen Eigenschaften

Zweidimensionale Quantenmaterialien sind seit einigen Jahren eine Plattform für die Realisierung neuartiger korrelierter und topologischer Phasen der Materie. Nun berichtet ein internationales Forscherteam aus Deutschland, den Vereinigten Staaten, China und Japan in Nature Materials, dass das aus einer verdrehten Doppelschicht bestehende Übergangsmetall-Dichalcogenid WSe₂ die Realisierung exotischer korrelierter Phänomene, einschließlich der Hoch-Tc-Supraleitung und korrelierter Isolatoren ermöglicht – und zwar auf kontrollierte Weise und ohne die geometrischen Einschränkungen, die bei verdrehtem, doppelschichtigem Graphen (Twisted Bilayer-Graphen) auftreten – so eine Medienmitteilung des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg.

Jüngste Entdeckungen von Supraleitung und Ladungsdichtewellen in zweidimensionalen Übergangsmetall-Dichalcogeniden (TMDs) haben in dieser Materialklasse für viel Aufregung gesorgt. Die elektronischen Eigenschaften und damit das Transportverhalten in diesen Materialien hängen von der anionischen Umgebung um Metallionen ab. Beim 2H-Polytyp ordnen sich die Anionen in trigonaler prismatischer Weise an, während beim 1T-Polytyp die Anordnung oktaedrisch ist. Es sind jedoch auch andere Polytypen von TMDs bekannt, die aber weniger untersucht sind. Abhängig von der Elektronenfüllung in d-Orbitalen kann der bestimmte Strukturtyp halbleitendes oder metallisches Verhalten zeigen. So sind z.B. 2H-NbSe₂ und 1T-ReS₂ metallisch (teilweise gefüllte d-Orbitale), während 1T-HfS₂, 2H-MoS₂ und 1T-PtS₂ wegen der voll besetzten d-Orbitale Halbleiter. siehe: cpfs.mpg.de/2520636/Transition-metal-dichalcogenides)

Auf der Suche nach Supraleitern, die Elektrizität widerstandslos transportieren, untersuchen viele Wissenschaftler nun zweidimensionale Materialien, um ein besseres Verständnis der Hochtemperatur-Supraleitung sowie anderer exotischer Materialphasen zu erlangen. Diese aus nur einer Atomlage bestehenden Substanzen können überraschende neue Eigenschaften entwickeln, wenn sie aufeinander gelegt werden.

Schema der verdrehten Doppelschicht WSe2, bei der eine korrelierte Isolatorphase und ein möglicher supraleitender Übergang entstehen - Grafik © Jörg Harms, MPSD

Schema der verdrehten Doppelschicht WSe2, bei der eine korrelierte Isolatorphase und ein möglicher supraleitender Übergang in einem relativ großen Bereich kleiner Verdrehungswinkel entstehen – Grafik © Jörg Harms / MPSD

Eine der einfachsten und interessantesten Methoden ist es, zwei Schichten desselben Materials mit einer leichten Drehung übereinander zu stapeln. Je nach dem Verdrehungswinkel löst diese Schichtung bemerkenswerte Veränderungen in den elektronischen Materialeigenschaften aus. Twisted Bilayer-Graphen kann beispielsweise bei einer überraschend hohen Temperatur supraleitende Eigenschaften entwickeln – eine Eigenschaft, die es im Normalzustand nicht besitzt.

Bisherige Studien zeigen, dass die niederenergetischen elektronischen Zustände in Twisted Bilayer-Graphen stark lokalisiert sind und ihre kinetische Energieskala deutlich gedämpft wird. Dadurch gewinnen die Elektron-Elektron-Korrelationen an Bedeutung, so dass das System bei geringer Dotierung in Mott-ähnliche Isolator- und Supraleiterphasen getrieben wird, deren Phasendiagramme denen der Hoch-Tc-Supraleiter ähneln. Twisted Bilayer-Graphen bietet daher eine vielversprechende Plattform für die Untersuchung exotischer korrelierter Phänomene, einschließlich der Hochtemperatur-Supraleitung. Seine einfache Struktur und leichte Zugänglichkeit sind weitere Vorteile.

Dennoch hat Twisted Bilayer-Graphen auch seine Grenzen. Die starke Unterdrückung der kinetischen Energieskala erfolgt aufgrund der speziellen elektronischen Struktur nur bei bestimmten Verdrehungen – den sogenannten magischen Winkeln (ab etwa 1,1°). Daher werden die faszinierenden, stark korrelierten Phänomene nur sehr nahe am magischen Winkel beobachtet. Dies ist eine Herausforderung für die experimentelle Umsetzung unter realen Laborbedingungen und schränkt die Abstimmbarkeit der Studie ein.

Das internationale Forschungsteam von MPSD, der RWTH Aachen, der Columbia University, des Center for Computational Quantum Physics am Flatiron Institute (beide in den USA), der Nanjing University in China und des National Institute for Materials Science in Japan wollte die Eigenschaften dieser atomar dünnen Materialien neu betrachten. Die Wissenschaftler berichten, dass ähnliche Phänomene bei dem verdrehten, doppelschichtigen Übergangsmetalldichalkogenid WSe₂ auftreten können, jedoch ohne die starken Einschränkungen der magischen Winkel.

Das Team maß die Transporteigenschaften der verdrehten Doppelschicht WSe₂ bei niedrigen Temperaturen mit variierenden externen Magnet- und Verschiebungsfeldern. Sie fanden die Signaturen der korrelierten Isolatorphasen in Proben mit Verdrehungswinkeln zwischen 4° und 5,1°. Diese korrelierten Phasen sind in hohem Maße mit Verdrehungswinkeln und externen Verschiebungsfeldern abstimmbar, die im Sinne eines effektiven Hubbard-Modells auf einem zweidimensionalen Dreiecksgitter rationalisiert werden können.

In der Probe mit einem Verdrehungswinkel von 5,1° werden bei einer Temperatur unter 3K Null-Widerstandstaschen in der Nähe der korrelierten Isolatorphase beobachtet, was auf einen möglichen Übergang in einen supraleitenden Zustand hinweist. Diese neuen Erkenntnisse der Experimentalgruppen von Cory Dean und Abhay Pasupathy an der Columbia University wurden durch umfangreiche erste Prinzipien-Berechnungen und Modellierungen von Lede Xian und Ángel Rubio in der Theorieabteilung des MPSD, sowie von Martin Claassen am Flatiron-Institut der Simons Foundation und Dante Kennes an der RWTH Aachen erläutert.

Diese Studie zeigt, dass WSe2 eine hochgradig flexible Plattform für die Entwicklung elektronischer Bandstrukturen ist. Das Material erlaubt die detaillierte Untersuchung stark korrelierter Phänomene, die sonst unzugänglich bleiben würden, und bietet großes experimentelles und theoretisches Potenzial. Insbesondere ermöglicht das System eine einzigartige abstimmbare Festkörper-Realisierung eines Ein-Band-Hubbard-Modells auf einem Dreieckssystem, bei dem Bandbreite und Dotierung unabhängig voneinander variiert werden können.

„Daher stellt WSe2 ein vielversprechendes alternatives Material für die Erforschung der Supraleitung und anderer exotischer Phänomene wie Exzitonkondensate, Spinflüssigkeiten und magnetische Ordnung dar“, erklärt der Direktor der MPSD-Theorieabteilung, Ángel Rubio. „Es eröffnet neue Möglichkeiten zur Untersuchung des Zusammenspiels zwischen starken Interaktionen und Frustration.“

->Quellen:

mpsd.mpg.de/2020-06-xian-wse2
mpsd.mpg.de/2020-02-kennes-xian-twist
cpfs.mpg.de/2520636/Transition-metal-dichalcogenides
<Wang, L., Shih, E., Ghiotto, A. et al.: Correlated electronic phases in twisted bilayer transition metal dichalcogenides in: Nat. Mater. (2020). https://doi.org/10.1038/s41563-020-0708-6

Klimakompensation: Projekte bringen weniger als gedacht

Ernüchternde Ergebnisse zur Wirksamkeit von CO2-Kompensation: Im Durchschnitt würden nur etwa 16 Prozent der angestrebten Emissionsminderungen tatsächlich erreicht. Die identifizierte Lücke zwischen versprochenen und tatsächlichen Einsparungen entspricht damit etwa den jährlichen Emissionen Deutschlands. Nur ein Fünftel der Emissionsziele erreicht: Wie wirksam sind CO2-Kompensationsprojekte? Eine neue Metastudie im Fachjournal Nature Communications zeigt: Klimaschutz-Projekte, die CO2-Emissionen ausgleichen sollen, erreichen ihre Ziele bei weitem nicht. Die Forschenden um Benedict Probst von der Universität Cambridge haben über 60 wissenschaftliche Studien zu verschiedenen Klimaschutzprojekten mit ernüchterndem Ergebnis ausgewertet. Klimaschutz und CO2-Kompensation gehen oft Hand in Hand – zumindest in der Theorie. Ob beim Langstreckenflug, bei Produkten mit „klimaneutralem“ Label oder durch freiwillige Beiträge: Die Idee ist, Emissionen durch Maßnahmen wie Aufforstung, den Schutz von Wäldern oder erneuerbare Energien auszugleichen. Die Studie zeigt, dass verschiedene Maßnahmen erhebliche Diskrepanzen zwischen den erwarteten und den tatsächlich erzielten Einsparungen aufweisen: Effizientere Kochöfen in Entwicklungsländern erreichen nur elf Prozent der versprochenen Einsparungen. Projekte zur Vermeidung von Abholzung kommen auf rund 25 Prozent. Maßnahmen zur Zerstörung des extrem klimaschädlichen Gases HFC-23 erreichen lediglich 68 Prozent der geplanten Einsparungen. Windkraftprojekte und verbessertes Waldmanagement zeigen laut der Studie oft gar keine statistisch nachweisbaren Effekte. Besonders ernüchternd: Windkraftprojekte in China und verbessertes Waldmanagement in den USA zeigten laut Studie keinerlei statistisch nachweisbare Effekte auf die CO2-Bilanz. Unzureichende Kontrolle ein grundlegendes Problem „Das System setzt die falschen Anreize, da es auf einem marktbasierten Ansatz beruht“, erklärt Carsten Warnecke vom New Climate Institute. Statt ehrgeizige Klimaschutzmaßnahmen zu fördern, liege der Anreiz darauf, scheinbare Erfolge zu minimalen Kosten vorzuweisen. Deswegen sei eins der Hauptprobleme der CO2-Kompensationsprojekte die mangelnde Überprüfung. Beispielsweise Aufforstungsmaßnahmen sind etwa schwer kontrollierbar. Werden gepflanzte Bäume nach wenigen Jahren abgeholzt oder durch Waldbrände zerstört, verpufft der ursprünglich errechnete Klimaeffekt. Ein weiteres Problem: Manche Projekte wären auch ohne zusätzliche Finanzmittel aus Kompensationsprogrammen umgesetzt worden. Wenn mit diesen Geldern beispielsweise ein ohnehin geplanter Windpark gebaut wird, bleibt der Beitrag zur Emissionsminderung gleich null. Prof. Jan Börner von der Universität Bonn sieht grundsätzliche Probleme: „Die Untersuchung kommt zu dem Schluss, dass die von den untersuchten Initiativen tatsächlich reduzierten Emissionen im Durchschnitt deutlich unter den geplanten und durch Emissionszertifikate attestierten Emissionsreduktionen lagen.“ Für die Zukunft des Klimaschutzes habe dies weitreichende Konsequenzen, meint Dr. Gunther Bensch vom RWI Leibniz-Institut für Wirtschaftsforschung: „Carbon Crediting ist ein wichtiges Instrument für den Klimaschutz, da es Emissionseinsparungen dort ermöglicht, wo sie am kostengünstigsten sind.“ Die Studie stelle diesen Ansatz nicht infrage, weise jedoch auf die Notwendigkeit hin, die Berechnung und Zuteilung von Emissionsgutschriften strenger zu gestalten. Reformen dringend nötig Strengere Vorschriften, mehr Transparenz und eine realistischere Berechnung der CO2-Einsparungen sind dringend erforderlich. Besonders vielversprechend sind Technologien und Projekte, die tatsächlich zusätzliche Effekte erzielen können, wie die Umrüstung von Kühlanlagen in ärmeren Ländern, um den Ausstoß klimaschädlicher Gase zu verringern. Die Forschenden fordern deshalb grundlegende Reformen der Anrechnungsmechanismen, um die Glaubwürdigkeit des Systems zu stärken. Die identifizierte Lücke zwischen versprochenen und tatsächlichen Einsparungen ist enorm. Fast eine Milliarde Tonnen CO2, etwa so viel wie die jährlich Emission Deutschlands, wurde durch die analysierten Projekte nicht eingespart. Diese Zahlen zeigen, dass Klimaneutralität durch fehlerhafte Berechnungen und unzureichend kontrollierte Maßnahmen nicht erreichbar ist. Die Reform der Anrechnungsmechanismen ist deshalb unverzichtbar, um die Glaubwürdigkeit des Systems zu stärken. Nur so kann Klimaschutz nicht nur als Werbeversprechen, sondern auch als wirkungsvolle Maßnahme zur Bewältigung der Klimakrise funktionieren. Quelle: https://www.nature.com/articles/s41467-024-53645-z
Neue Generation abbaubaren Plastiks

Drei neue Forschungs-Projekte könnten die Zukunft von Plastik- und Verpackungsmaterialien prägen – mit weniger Müll und geringerer Belastung für Böden, Gewässer und die Luft. Wissenschaftler und Unternehmen arbeiten an innovativen und nachhaltigen Lösungen. Ein Überblick über vielversprechende Ansätze zur Entwicklung umweltfreundlicher Kunststoffe. 1) Kunststoffe, die sich in Salzwasser auflösen Ein japanisches Forscherteam unter der Leitung von Professor Takuzo Aida hat einen innovativen Kunststoff entwickelt, der sich in Salzwasser auflöst. Der Herstellungsprozess basiert auf einem speziellen Verfahren, bei dem zwei Ausgangsstoffe – Natriumhexametaphosphat und Guanidiniumsulfat – in Wasser gemischt werden. Dabei trennt sich die Mischung in zwei Flüssigkeiten, ähnlich wie sich Öl und Wasser nicht vermischen. Die eine Flüssigkeit ist dickflüssig und enthält die entscheidenden Verbindungen für den Kunststoff, während die andere flüssig und wässrig ist, mit überschüssigen Salzen. Durch das Trocknen der dickflüssigen Masse entsteht der fertige Kunststoff. Ein Veredlungsschritt, ein sog. Trennungsprozess („Desalting“) ist dabei entscheidend für die Materialeigenschaften – ohne ihn würde lediglich ein spröder, kristalliner Stoff entstehen. Der Kunststoff lässt sich bei Temperaturen über 120 °C formen und kann anschließend wiederverwendet werden. Besonders beeindruckend ist die Recyclingfähigkeit: 91 Prozent der Ausgangsstoffe lassen sich zurückgewinnen. Zudem zerfällt der Kunststoff in Tests innerhalb von zehn Tagen vollständig und setzt dabei Phosphor und Stickstoff frei, die wie Dünger wirken. „Mit diesem Material verhindern wir Mikroplastik und schaffen einen vielseitig einsetzbaren Kunststoff“, sagt Aida. 2) Kunststoff aus CO2 Das finnische Unternehmen Fortum Recycling & Waste hat einen biologisch abbaubaren Kunststoff entwickelt, der vollständig aus CO2 hergestellt wird. „Es ist Zeit, die Kunststoffproduktion neu zu denken und uns von fossilen Rohstoffen zu lösen“, erklärt Tony Rehn, der Leiter des Projekts. Das Material ist für viele Anwendungen geeignet, etwa in der Verpackungsindustrie oder in elektronischen Geräten. Die Nutzung von CO2 als Rohstoff könnte gleich zwei Probleme lösen: Es reduziert schädliche Emissionen in der Atmosphäre durch die Co2-Speicherung und bietet gleichzeitig eine nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Kunststoffen. 3) Biologisch abbaubare Verpackungen aus Bakterien Einen weiteren innovativen Ansatz haben Forscher der Northeastern University entwickelt. Sie kombinieren genetisch veränderte E. coli-Bakterien mit einer speziellen Faserstruktur, um das sog. MECHS-Material herzustellen. „Wir setzen oft nicht-abbaubare Kunststoffe ein, obwohl es in vielen Fällen gar nicht nötig ist“, sagt Dr. Neel S. Joshi. Das Besondere an MECHS ist, dass es sich in Abwasseranlagen leicht biologisch abbaut. Das macht es besonders geeignet für Verpackungen, die oft nur kurzzeitig genutzt werden und möglicherweise in der Kanalisation landen. Plastik-Bedarf weiter steigend Obwohl diese neuen Materialien viel Potenzial haben, bleibt ihre Herstellung in großem Maßstab eine Herausforderung. Experten gehen davon aus, dass der globale Kunststoffverbrauch weiter steigt und bis 2050 dreimal so hoch sein könnte wie heute. Es wird entscheidend sein, derartige Technologien schnell, effizient und massentauglich umzusetzen. Die vorgestellten Innovationen könnten nicht nur dazu beitragen, Plastikmüll und fossile Rohstoffe zu reduzieren, sondern auch neue Möglichkeiten für umweltfreundliche Produkte schaffen. Entscheidend bleibt, wie schnell sie in die Praxis umgesetzt werden können. Tony Rehn betont: „Nachhaltige Kunststoffe sind kein Luxus, sondern eine dringende Notwendigkeit.“ Die Fortschritte zeigen, dass es möglich ist, saubere und nachhaltige Lösungen zu entwickeln, die der zunehmenden Umweltverschmutzung angesichts des prognostizierten Anstiegs des Kunststoffverbrauchs effektiv entgegenwirken können. Quellen: Plastik, das sich in Salzwasser auflöst: science.org/doi/10.1126/science.ado1782 Kohlenstoff-Plastik aus CO2: fortum.com/media/2024/11/presenting-inga-next-generation-sustainable-plastics-made-co2-emissions Verpackung aus Bakterien: researchgate.net/publication/385743051_Mechanically_Tunable_Compostable_Healable_and_Scalable_Engineered_Living_Materials
Deutschland fällt im Klimaschutzindex: Nur noch „mäßige“ Leistung

Der Climate Change Performance Index (CCPI) 2025 zeigt eine ernüchternde Entwicklung: Deutschland, das einst als Vorreiter im Klimaschutz galt, ist auf Rang 16 abgerutscht und steht damit zwei Plätze tiefer als im Vorjahr. Das Ranking, das von Germanwatch, dem NewClimate Institute und dem Climate Action Network erstellt wurde, bewertet die Klimaleistungen von 63 Ländern anhand der vier Hauptkategorien: Treibhausgasemissionen, erneuerbare Energien, Energieverbrauch und Klimapolitik. Fortschritte und Versäumnisse: Die deutsche Klimabilanz Nach Einschätzung der Experten könnte Deutschland seine Klimaziele für 2030 nur teilweise erreichen. Positiv sei der beschleunigte Ausbau erneuerbarer Energien zu bewerten. Durch Reformen wie das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) und Maßnahmen zum Bürokratieabbau hat der Energiesektor seine Emissionen reduzieren können. Dies unterstreiche, wie wichtig eine stabile politische Rahmensetzung sei, um erneuerbare Technologien zu fördern und Investitionen zu erleichtern. Diese Fortschritte im Energiesektor stünden jedoch in einem deutlichen Gegensatz zu den Defiziten in anderen Bereichen. Insbesondere die Sektoren Verkehr und Gebäude hinkten hinterher. Die Elektrifizierung des Verkehrssektors kommt nur schleppend voran, und die energetische Sanierung von Gebäuden wird durch mangelnde Finanzierung und fehlende Anreize gehemmt. Hinzu komme, dass die Aufweichung des Bundesklimaschutzgesetzes langfristig zu einer verzögerten Dekarbonisierung führen könnte. Diese Entwicklungen zeigen, dass kohärente und ambitionierte Maßnahmen über alle Sektoren hinweg erforderlich sind. Energiekrise und geopolitische Herausforderungen Die Auswirkungen der Energiekrise durch den russischen Angriffskrieg auf die Ukraine hat die deutsche Klimabilanz zusätzlich belastet. Die zeitweise Rückkehr zu fossilen Brennstoffen und die steigenden Energiepreise haben nicht nur die Kosten für Haushalte und Unternehmen erhöht, sondern auch die Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands im internationalen Vergleich geschwächt. Kritiker bemängeln, dass Deutschland in internationalen Foren wie der G7 durch die Befürwortung von Gasprojekten widersprüchliche Signale sendet, die dem Ruf als Klimaschutzvorreiter schaden. Die rund 450 Wissenschaftler, die an der Erstellung des Index beteiligt waren, fordern einen klaren strategischen Plan für den Ausstieg aus fossilen Brennstoffen. Dieser Plan müsse sozial ausgewogen und wirtschaftlich tragfähig gestaltet sein, um die Akzeptanz in der Bevölkerung zu sichern. Partizipative Ansätze, die die Interessen verschiedener gesellschaftlicher Gruppen berücksichtigen, seien entscheidend, um Konflikte zu vermeiden und den Wandel zu beschleunigen. Ein Problem sei die Finanzierung: Einige Maßnahmen der Regierungsstrategie stünden angesichts von Haushaltszwängen auf der Kippe. Diese Unsicherheit könnte eine sog. Emissionslücke verursachen, die Deutschland noch weiter von seinen Klimazielen entfernt. Zudem zeigten sich deutliche Unterschiede im europäischen Vergleich: Länder wie Dänemark (Platz 4) und die Niederlande (Platz 5) profitierten von der konsequenten Durchführung politischer Maßnahmen, die den Ausbau erneuerbarer Energien und ambitionierter Klimapolitik setzten. Die mäßige Bewertung Deutschlands im Klimaschutzindex muss als ein Weckruf verstanden werden. Der Bericht zeigt, dass die inkonsequenten Maßnahmen und widersprüchliche politische Signale die Klimaschutzbemühungen ausbremsen. Der Energiesektor hat Fortschritte gemacht, doch die Versäumnisse in den Bereichen Verkehr und Gebäude sowie die anhaltenden Herausforderungen durch die Energiekrise weisen auf dringenden Handlungsbedarf hin. Deutschland müsste seine Rolle als internationaler Vorreiter zurückgewinnen, indem es ambitioniertere Maßnahmen umsetzt, sektorenübergreifend handelt und die soziale Akzeptanz stärkt. Nur so kann Deutschland in einem globalen Wettbewerb um Klimaschutz und wirtschaftliche Resilienz bestehen. Quellen: ccpi.org/download/climate-change-performance-index-2025-die-wichtigsten-ergebnisse/ www.germanwatch.org/de/91776
Unterwasser-Betonkugeln: Testphase startet vor Kalifornien

Die Energiewende braucht innovative Speicherlösungen für überschüssigen Strom. Eine deutsch-amerikanische Kooperation testet eine vielversprechende Technologie mit großen Betonkugeln auf dem Meeresgrund. Die Ergebnisse könnten weltweit richtungsweisend sein. Deutsch-amerikanische Zusammenarbeit bringt Tiefseespeicher voran Das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (Fraunhofer IEE) entwickelt ein Unterwasser-Energiespeichersystem namens StEnSea (Stored Energy in the Sea). Die Technologie basiert auf der Idee, überschüssige Energie mithilfe riesiger Betonkugeln auf dem Meeresboden zu speichern. Nun wird ein Prototyp vor der kalifornischen Küste bei Long Beach in einer Tiefe von 500 bis 600 Metern getestet. Bis Ende 2026 soll der Prototyp in Betrieb gehen und Erkenntnisse für eine großflächige Nutzung liefern. „Diese Partnerschaft ist ein wichtiger Schritt für die Kommerzialisierung des Systems“, erklärt Dr. Bernhard Ernst, Projektleiter am Fraunhofer IEE. Die Betonkugeln haben einen Durchmesser von neun Metern, wiegen 400 Tonnen und nutzen den natürlichen Wasserdruck der Tiefsee. Das Fraunhofer IEE arbeitet mit dem US-Start-up Sperra, spezialisiert auf 3D-Betondruck, und Pleuger Industries, einem deutschen Hersteller von Unterwasser-Motorpumpen, zusammen. Finanziell unterstützt wird das Projekt mit 3,4 Millionen Euro vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz sowie rund vier Millionen US-Dollar vom amerikanischen Energieministerium. So funktioniert das System: Energie speichern in der Tiefsee Die StEnSea-Technologie überträgt das Prinzip von Pumpspeicherkraftwerken in die Tiefsee. Bei diesen klassischen Anlagen wird überschüssiger Strom genutzt, um Wasser in ein höher gelegenes Becken zu pumpen. Die potenzielle Energie des gespeicherten Wassers wird durch die Höhe erzeugt, die bei Bedarf genutzt wird, indem das Wasser durch Turbinen zurückfließt und Strom erzeugt. Im Gegensatz dazu nutzt StEnSea den natürlichen Wasserdruck in der Tiefsee, um denselben Effekt zu erzielen – jedoch ohne die Notwendigkeit künstlicher Höhenunterschiede. Wenn überschüssiger Strom vorhanden ist, pumpt eine Unterwasser-Motorpumpe das Wasser aus der Betonkugel, wodurch ein leerer Raum entsteht, der als Energiespeicher dient. Sobald Energie benötigt wird, strömt das Meerwasser aufgrund des enormen Drucks in 600 Metern Tiefe (rund 60 bar) zurück in die Kugel. Dabei treibt es die Pumpe als Turbine an, die mit einem Generator verbunden ist und Strom ins Netz zurückspeist. Mit einem Wirkungsgrad von 75 bis 80 Prozent erreicht das System fast die Effizienz von landbasierten Pumpspeicherkraftwerken, obwohl es größere Reibungsverluste aufgrund der Unterwasserumgebung gibt. Ein entscheidender Vorteil des Tiefseespeichersystems ist seine Flexibilität: Es benötigt keine geografisch begrenzten Standorte mit großen Höhenunterschieden. Ein Speicherpark mit sechs Kugeln könnte 30 Megawatt Leistung und 120 Megawattstunden Kapazität bereitstellen, während die Kugeln eine Lebensdauer von 50 bis 60 Jahren haben. Großes Potenzial für die globale Energiewende Das übertrifft die Kapazität deutscher Pumpspeicherkraftwerke um ein Vielfaches. Besonders für Regionen mit Tiefseezugang könnte die Technologie eine entscheidende Rolle bei der Stabilisierung von Stromnetzen und der Nutzung erneuerbarer Energien spielen. „Die Installation auf dem Meeresgrund reduziert mögliche Umweltauswirkungen und vermeidet Konflikte mit der Bevölkerung“, sagt Ernst. Darüber hinaus könnten die Speicher flexibel eingesetzt werden, etwa um Strom günstig einzukaufen und teurer zu verkaufen oder als Regelreserve zur Netzstabilisierung. Der Prototypentest in Kalifornien wird zeigen, wie sich die Technologie unter realen Bedingungen bewährt. Gelingt der Durchbruch, könnten die Betonkugeln weltweit einen entscheidenden Beitrag zur Energiewende leisten. Quellen: iee.fraunhofer.de/de/presse-infothek/Presse-Medien/2024/test-kugelspeicher-auf-meeresgrund-in-kalifornien Projektseite: „Forschungsprojekt StEnSEA“
EU sieht Fortschritte bei Kreislaufwirtschaft

Wie gut gelingt es der EU, Rohstoffe im Kreislauf zu führen und wiederzuverwerten? Eine aktuelle Auswertung der EU-Statistikbehörde Eurostat gibt darüber Aufschluss: Mit einer Quote von 11,8 Prozent erreichte der Anteil recycelter Materialien 2023 einen neuen Höchststand. Dennoch bleibt der Weg zu einer echten Kreislaufwirtschaft noch weit. Fortschritte, aber kein Grund zur Selbstzufriedenheit: EU-Recyclingquote auf Rekordhoch Die Veröffentlichung der aktuellen Daten erfolgte passend zur UN-Klimakonferenz COP29 in Baku, wo die Rolle nachhaltiger Ressourcennutzung im Mittelpunkt steht. Die Europäische Union (EU) hat 2023 bei der Förderung einer Kreislaufwirtschaft einen Meilenstein erreicht: Laut dem Statistik-Büro der EU: Eurostat stieg der Anteil recycelter Materialien am Materialeinsatz in der Wirtschaft auf 11,8 Prozent – ein neuer Höchststand. Dieser Fortschritt zeigt, dass die Bemühungen zur Ressourcenschonung Wirkung zeigen. Dennoch bleibt die Zielmarke einer echten Kreislaufwirtschaft weit entfernt. Die sog. Kreislaufwirtschaftsrate ist ein zentraler Indikator für nachhaltiges Wirtschaften. Sie misst den Anteil von Sekundärrohstoffen, die aus Recyclingprozessen gewonnen wurden, am gesamten Materialeinsatz. Für die EU ist diese Entwicklung ein Erfolg, denn seit 2010, als die Quote noch bei 8,3 Prozent lag, konnte ein stetiger Anstieg verzeichnet werden. „Die Zahlen spiegeln Fortschritte wider, sind aber angesichts der immensen Rohstoffabhängigkeit und der Umweltbelastungen durch Primärressourcen kein Grund zur Selbstzufriedenheit“, betont Arturo de la Fuente, Experte bei Eurostat. Der Anstieg der Recyclingquote sei auch darauf zurückzuführen, dass innovative Technologien und verbesserte Sammelsysteme vielerorts greifen. Dennoch bleibe viel zu tun, um eine ressourcenschonende Wirtschaft flächendeckend zu etablieren. Große Unterschiede zwischen den EU-Mitgliedsstaaten Die neuen Zahlen machen auch deutlich, dass es erhebliche Unterschiede innerhalb der EU gibt. Spitzenreiter bei der Kreislaufwirtschaftsrate sind die Niederlande mit beeindruckenden 30,6 Prozent, gefolgt von Italien (20,8 Prozent) und Malta (19,8 Prozent). Am unteren Ende der Skala finden sich Rumänien (1,3 Prozent), Irland (2,3 Prozent) und Finnland (2,4 Prozent). Die Ursachen für diese Unterschiede liegen laut Eurostat nicht nur in der Menge der recycelten Materialien. „Strukturelle Faktoren wie die Zusammensetzung der Wirtschaft oder der Zugang zu Recyclinganlagen spielen ebenfalls eine entscheidende Rolle“, erklärt de la Fuente. Industrien mit einem hohen Anteil an Metallen oder Mineralstoffen, die leichter recycelt werden können, tragen maßgeblich zur höheren Quote bei. Besonders hohe Recyclingraten zeigt der Metall-Bereich mit 24,7 Prozent. Hier bestehen etablierte Sammel- und Aufbereitungssysteme. Nicht-metallische Mineralstoffe wie Bauabfälle folgen mit 13,6 Prozent. Fossile Energieträger wie Kunststoffe hinken mit nur 3,4 Prozent weit hinterher. „Kunststoffe bieten enormes Potenzial, das bislang nicht ausgeschöpft wird“, heißt es im Bericht. EU-Kommission setzt Ziele für die Kreislaufwirtschaft Im Rahmen des „Circular Economy Action Plan“ hat sich die EU-Kommission ehrgeizige Ziele gesetzt: Bis 2030 soll die Kreislaufwirtschaftsrate auf 23,2 Prozent verdoppelt werden. Diese Zielsetzung unterstreicht die Rolle der Kreislaufwirtschaft als Schlüsselstrategie im Kampf gegen den Klimawandel und die Abhängigkeit von Primärrohstoffen. Während die EU bereits Fortschritte gemacht hat, mahnen Experten zur Eile: Ohne weitere Anstrengungen in den Bereichen Politik, Wirtschaft und Innovation könnten die ambitionierten Ziele außer Reichweite bleiben. „Die Kreislaufwirtschaft ist kein Selbstzweck“, fasst de la Fuente zusammen. „Sie ist ein entscheidender Beitrag zum Klimaschutz und zur langfristigen Sicherung unserer Rohstoffversorgung.“ Quellen: https://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php?title=Circular_economy_-_material_flows&oldid=655955 environment.ec.europa.eu/strategy/circular-economy-action-plan_en
Wuppertal Institut überzeugt mit Forschung und Praxis

Das Wuppertal Institut wird mit dem Deutschen Nachhaltigkeitspreis 2024 in der Kategorie „Forschung und Entwicklung“ ausgezeichnet. Die Preisverleihung findet am 28. November in Düsseldorf statt. Wuppertal Institut erhält Nachhaltigkeitspreis Prof. Dr.-Ing. Manfred Fischedick, Präsident des Instituts, betont die besondere Bedeutung der Auszeichnung: „Nachhaltigkeit ist nicht nur unser zentrales Forschungsgebiet, sondern auch Leitschnur für die Entwicklung unseres eigenen Geschäftsbetriebs. Wer Politik, Wirtschaft und Gesellschaft glaubwürdig beraten will, sollte beim eigenen Geschäftsbetrieb mit gutem Beispiel vorangehen.“ Diese Philosophie spiegelt sich in der praktischen Umsetzung wider: Laut einer externen Überprüfung durch right. based on science hat das Institut seit 2020 die Anforderungen des Pariser Klimaabkommens erreicht. Das bedeutet konkret: Die eigenen Aktivitäten des Instituts tragen nachweislich ihren Anteil dazu bei, die globale Erwärmung auf 1,5 Grad zu begrenzen. Seit 2010 werde dieses Ziel durch in der Institutsstruktur verankerte Nachhaltigkeitsbeauftragte vorangetrieben. Hintergrund zum Preis Der Deutsche Nachhaltigkeitspreis wird in einer Kooperation vergeben: Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, die Deutsche Industrie- und Handelskammer sowie der WWF haben sich zusammengeschlossen, um wegweisende Beiträge zur nachhaltigen Entwicklung zu würdigen. Nach Angaben der Veranstalter sei er die größte Auszeichnung dieser Art in Europa. Der Deutsche Nachhaltigkeitspreis wird nach einem mehrstufigen Verfahren vergeben, bei dem 224 unabhängige Juroren in etwa fünfköpfigen Branchenjurys die Bewertung vornehmen. Wie die Organisatoren betonen, werden dabei strenge Compliance-Regeln angewandt und Jurymitglieder mit möglichen Interessenkonflikten von der Entscheidung ausgeschlossen. Im Zentrum der Bewertung steht die Forschungsleistung der Einrichtungen. Die Jury achtet besonders auf die Qualität der Grundlagenforschung sowie die Entwicklung praxistauglicher Lösungen für Klimaschutz und Nachhaltigkeit. Ein wichtiges Kriterium ist dabei der erfolgreiche Transfer von Forschungsergebnissen in die Anwendung sowie die verständliche Kommunikation wissenschaftlicher Erkenntnisse an die Öffentlichkeit. Bei der Preisverleihung werden rund 1.200 Gäste erwartet, darunter führende Persönlichkeiten aus Wirtschaft, Politik und Gesellschaft sowie etwa 100 Medienvertreter. Neben dem Wuppertal Institut wurde in der gleichen Kategorie auch das Deutsche Krebsforschungszentrum ausgezeichnet. Bemerkenswert ist auch, dass sich unter den Top 10 mit dem Öko-Institut und dem Institut für ökologische Wirtschaftsforschung zwei weitere Forschungseinrichtungen befinden, die wie das Wuppertal Institut zum Ecological Research Network gehören – einem Verbund von acht unabhängigen, gemeinnützigen Instituten der Umwelt- und Nachhaltigkeitsforschung in Deutschland. Projekte und Gegenstand der Forschung Von besonderer Bedeutung ist laut Ausschreibung die transformative Wirkung der Einrichtungen. Die Jury bewertet, inwieweit die Institute als Vorbilder für andere Forschungseinrichtungen dienen, praktische Impulse für nachhaltige Entwicklung setzen und durch ihre Beratungsleistungen zur Erreichung globaler Nachhaltigkeitsziele beitragen. Das Institut entwickelt in diesem Sinne konkrete Lösungsansätze für verschiedene Bereiche der nachhaltigen Entwicklung. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der klimagerechten Stadtentwicklung. Hier arbeiten die Forschenden an innovativen Konzepten, wie Städte ihren Abfall reduzieren und zu „Zero-Waste-Cities“ werden können. Im Bereich Mobilität entwickelt das Institut Strategien für eine nachhaltige Verkehrswende – sowohl für deutsche Städte als auch für internationale Megacitys. Als UN-Habitat Collaborating Center arbeitet das Institut direkt mit den Vereinten Nationen zusammen, um globale Lösungen zu entwickeln. Auf nationaler Ebene ist das Institut maßgeblich an der Entwicklung der deutschen Kreislaufwirtschaftsstrategie beteiligt. Die Themenfelder spannen dabei über drei Ebenen: Auf kommunaler Ebene unterstützt das Institut Städte und Gemeinden bei der praktischen Umsetzung von Nachhaltigkeitskonzepten Auf nationaler Ebene berät es die Bundesregierung bei der Entwicklung von Strategien und Gesetzen Auf internationaler Ebene arbeitet es mit den Vereinten Nationen und anderen globalen Partnern zusammen Der Preis bestärkt uns darin, den eingeschlagenen Weg konsequent weiterzugehen“, sagt Institutspräsident Fischedick. Die Auszeichnung solle auch andere Forschungseinrichtungen ermutigen, Nachhaltigkeit sowohl in der Forschung als auch im eigenen Betrieb noch stärker zu verankern. Quellen: nachhaltigkeitspreis.de/unternehmen/forschung-und-entwicklung wupperinst.org/a/wi/a/s/ad/8734 Preisverleihung Deutscher Nachhaltigkeitspreis 2024: https://www.nachhaltigkeitspreis.de/preisverleihungen/ueberblick
Batterie-Pfand gefordert: Feuerwehr und Recycling-Unternehmen warnen

Ein Pfandsystem soll Verbraucher motivieren, alte Batterien und Akkus dem Wertstoffkreislauf zuzuführen, statt sie über den Hausmüll zu entsorgen. Denn neben der wichtigen Rückgewinnung wertvoller Rohstoffe geht es der Initiative auch darum, vor den Brand-Gefahren zu schützen, die von falsch entsorgten Batterien ausgehen. „Seit Jahren nimmt die Zahl von batteriebetriebenen Geräten zu. Dort, wo früher Kabel und Stecker viele kleine Geräte des täglichen Gebrauchs mit der Steckdose verbunden haben, geht es jetzt ‚drahtlos‘ zu.“ So beschreibt Dirk Aschenbrenner, Präsident der Vereinigung zur Förderung des Deutschen Brandschutzes (vfdb) und Direktor der Feuerwehr Dortmund, den aktuellen Trend. Mit der zunehmenden Verbreitung von Lithium-Ionen-Batterien gewinnt deren sichere Rückführung in den Wertstoffkreislauf an Bedeutung. Von der kleinen Knopfzelle in Armbanduhren, Zahbürsten bis zum großen Akku im E-Bike – diese Energiespeicher müssen nach ihrer Nutzung fachgerecht recycelt werden. Jetzt haben sich Feuerwehren und Recyclingunternehmen mit konkreten Vorschlägen an die Bundesregierung gewandt. Besonders kritisch ist der Transport: Wenn der Abfall in Müllfahrzeugen zusammengepresst wird, können beschädigte Batterien Brände auslösen. Dies gefährdet nicht nur Menschen, sondern behindert auch die fachgerechte Wiederverwertung der wertvollen Rohstoffe. In Batterien stecken wichtige und teils seltene Materialien wie Lithium, Kobalt und Nickel, die durch Recycling zurückgewonnen werden können. Forderung: Pfandsystem für optimierte Wertstoffkreisläufe Die sichere Entsorgung und Wiederverwertung von Lithium-Ionen-Batterien entwickelt sich zu einer wichtigen Zukunftsaufgabe. In Zusammenschluss aus Feuerwehren und Recyclingunternehmen hat sich mit gemeinsamen Forderungen an die Bundesregierung gewandt. Schon heute sind Händler gesetzlich verpflichtet, Altbatterien kostenlos zurückzunehmen. Verbraucher müssen gebrauchte Batterien bei Händlern oder kommunalen Wertstoffhöfen abgeben, damit diese fachgerecht recycelt werden können. Doch bisher fehlen konkrete auf Verbraucherseite Anreize für die richtige Entsorgung – ein Punkt, den die Recyclingbranche als problematisch einschätzt. Ein zentrales Anliegen der Experten ist die Einführung eines Batteriepfands. Nach Angaben der Unterzeichner wurde im Koalitionsvertrag bereits vereinbart, ein Anreizsystem für die umweltgerechte Entsorgung von Elektrogeräten und Lithium-Batterien zu schaffen. Ein Pfandsystem würde die gezielte Sammlung und Wiederverwertung der wertvollen Rohstoffe unterstützen. Um diese Idee zu unterstützen, haben sich mehrere Organisationen zusammengeschlossen: die Vereinigung zur Förderung des Deutschen Brandschutzes, der Bundesverband Betrieblicher Brandschutz, der Werkfeuerwehrverband Deutschland, der Deutsche Feuerwehrverband sowie vier führende Unternehmen der Entsorgungs- und Kreislaufwirtschaftsbranche. Nach Angaben der Unterzeichner wurde im Koalitionsvertrag bereits ein Anreizsystem für die umweltgerechte Entsorgung vereinbart. Forschung und Projekte für mehr Sicherheit Zur Unterstützung sicherer Recyclingprozesse engagiert sich die vfdb in verschiedenen Forschungsprojekten: Aktuell läuft das vom Bundesministerium geförderte SEKUR-Projekt für sichere Energiespeicherkonzepte im urbanen Raum. Aus dem bereits abgeschlossenen SEE-2L-Projekt zur Sicherheit von elektrochemischen Energiespeichern wurden wichtige Erkenntnisse in praktische sowie digitale Schulungskonzepte überführt. Ein mobiler Demonstrator macht das Brandverhalten von Batterien für Schulungszwecke anschaulich. „Wenn sich die Verbraucher an die Ratschläge zur Entsorgung halten würden, die sogar gesetzlich festgelegt sind, wären viele Brände vermeidbar“, betont Aschenbrenner. Um die wachsende Menge an Batterien sicher und ressourceneffizient im Kreislauf zu führen, fordern die Verbände die Einrichtung einer interministeriellen Ad-Hoc-Arbeitsgruppe für die zügige Umsetzung der vorgeschlagenen Maßnahmen. Quelle: vfdb.de/newsroom/presse/die-gefahr-in-der-muelltonne-feuerwehren-und-recyclingunternehmen-warnen-batterien-gehoeren-nicht-in-den-abfall-gemeinsamer-brief-an-die-bundesregierung