Forschung6

03.08.2010 - Wird der Ausbau der Elektromobilität an zu geringen Lithiumvorkommen scheitern? Eine Metastudie des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) hat jetzt die Verfügbarkeit des Leichtmetalls untersucht. Das Fazit: Es sind genug Lithium-Quellen für Milliarden Elektroautos und andere Anwendungen vorhanden, die Produktionskapazitäten können dem künftigen Bedarf aller Voraussicht nach folgen. Um die Auswirkungen steigender Rohstoffkosten auf die Batteriekosten zu verringern und die Rohstoffversorgungssicherheit zu erhöhen, seien aber weitergehende Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen notwendig, etwa beim Recycling und für neue Batteriematerialien. Das biete auch eine Chance für die deutsche Wirtschaft.
Bisher wird Lithium besonders für die Produktion von Glas und Keramik benötigt. Der zweitgrößte Anwendungsbereich sind Lithium-Ionen Batterien. Sie sorgen vor allem in Laptops und Mobiltelefonen für die Stromversorgung. Zukünftig könnte mit dem Lithiumbedarf für die geplanten Großbatterien in Elektroautos der Rohstoffbedarf zusätzlich um ein Vielfaches steigen.
In der Verfügbarkeitsstudie haben die ZSW-Forscher zahlreiche Quellen und Einzelstudien ausgewertet. "Es sind ausreichend identifizierte Lithium-Quellen vorhanden und neue Produktionskapazitäten für Lithium geplant", erklärt Autor Benjamin Schott. "Zwischen 135 und 160 Millionen Tonnen Lithiumcarbonat-Äquivalenten sind weltweit bekannt. Das reicht für rund zehn Milliarden Elektrofahrzeuge. Rein rechnerisch könnte damit die weltweite jährliche Produktion von 50 Millionen Fahrzeugen 200 Jahre lang mit Lithium-Batterien ausgestattet werden." Auch für andere Anwendungen sei daher genug Lithium vorhanden.
Das Risiko einer Versorgungslücke besteht für das ZSW dabei vor allem durch die lange Vorlaufzeit beim Aufbau von neuen Produktionsstandorten. Der Großteil der Lithium-Ressourcen liege außerdem in politisch weniger stabilen Ländern, etwa Bolivien und Chile. Um die Rohstoffabhängigkeit zu mindern und die Auswirkungen höherer Lithiumpreise auf die Batteriekosten zu verringern, seien deshalb weitergehende Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen notwendig.
Im Fokus stehen für die Forscher die Entwicklung einer geeigneten Recyclingwirtschaft und die langfristige Erforschung neuer, noch leistungsfähigerer Batterietechnologien, die vorzugsweise eine bessere Rohstoffversorgungssicherheit garantieren. Für die deutsche Wirtschaft eröffnen sich hier vielfältige neue Wertschöpfungschancen - und die Möglichkeit einen Spitzenplatz in diesem Wirtschaftssektor zu erobern.

Platin plus Licht gegen Krebs
15.09.2010 - Nach wie vor ist die Forschung auf der Suche nach einer Krebstherapie, die effektiv Tumorzellen zerstört, umgebendes gesundes Gewebe und den Organismus aber schont. Ein interessanter Ansatz wäre ein lichtaktivierter Wirkstoff: Eine inaktive Vorstufe wird verabreicht, das kranke Gewebe gezielt bestrahlt und das Pharmakon so nur lokal in seine cytotoxische Form gebracht. Peter J. Sadler und seine Kollegen von den Universitäten Warwick und Edinburgh sowie dem Ninewells Hospital in Dundee haben einen neuen Platin-Komplex entwickelt, der dafür geeignet wäre. Wie die britischen Forscher in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, zeigte sich der neue Wirkstoff herkömmlichem Cisplatin überlegen. Die Herausforderung bei der Herstellung photoaktivierbarer Cytostatika: Die inaktive Form muss thermisch stabil sein und ihre Zielorte, beispielsweise die DNA der erkrankten Zellen, vor der Bestrahlung in intakter Form erreichen. Dazu müssen sie vor allem gegenüber reaktiven Biomolekülen resistent sein, wie dem reduzierend wirkenden Glutathion, das in hohen Konzentrationen in allen Zellen vorkommt. "Eine weitere Herausforderung besteht darin, die Wellenlänge zu kontrollieren, mit der der Wirkstoff aktiviert werden kann," sagt Sadler. "Denn die Wellelänge bestimmt, wie tief das Licht in das bestrahlte Gewebe eindringt. Längere Wellenlängen dringen tiefer ein als kürzere."
Platin-Komplexe sind erprobte Antitumormittel. Prominentestes Beispiel ist Cisplatin. Platintherapeutika haben jedoch starke Nebenwirkungen. Sadler und seine Kollegen hoffen, dass sich diese mit photoaktivierbaren Platintherapeutika mildern lassen. Dazu haben sie einen neuen Platinkomplex entwickelt, der zwei Azido- (N3), zwei Hydroxy- (OH-) und zwei Pyridin-Liganden enthält. In seiner inaktiven Form zeigt der Komplex die geforderte Stabilität, auch gegenüber reaktiven Biomolekülen. "Das Besondere: Unser neuer Komplex lässt sich nicht nur mit UV-Licht aktivieren", berichtet Sadler, "sondern auch mit geringen Dosen blauen oder grünen Lichts." Bei der Lichtaktivierung entsteht eine hochwirksame cytotoxische Verbindung, die sich gegenüber einer ganzen Reihe getesteter Krebszelllinien als wesentlich wirksamer erwies als Cisplatin. Sadler: "Der Wirkmechanismus ist dabei offenbar ein anderer als bei Cisplatin. Vermutlich liegt dies an den beiden Pyridin-Liganden, die auch nach der Photoaktivierung an das Platin gebunden bleiben."
"Wir hoffen, dass eine Therapie mit lichtaktivierten Platin-Komplexen auch Krebsarten behandelbar macht, die bisher nicht auf eine Chemotherapie mit Platinverbindungen reagiert haben", so Sadler. "Auch Tumore, die Resistenzen gegenüber herkömmlichen Platintherapeutika entwickelt haben, könnten darauf ansprechen."

Physik-Nobelpreis - atomarer Kaninchendraht für Super-Chips
Als im April 1997 das Foto eines in der Luft schwebenden Froschs (siehe Video unten) in der Zeitschrift Physics World erschien, lachten viele Physiker über den scheinbaren Aprilscherz. Das Lachen blieb ihnen im Halse stecken, als sie erfuhren, dass Andre Geim den Frosch tatsächlich zum Fliegen gebracht hatte. Mithilfe eines starken Magneten war es ihm gelungen, die Wassermoleküle im Körper der Amphibie so auszurichten, dass diese – wie ein Astronaut in der Schwerelosigkeit – durch die Luft trudelte. "Wenn man keinen Sinn für Humor hat, ist man in der Regel auch kein guter Wissenschaftler", kommentierte Geim. "Die Leute verstehen nicht, dass gute Wissenschaft nicht unbedingt langweilig sein muss". Die rechte Anerkennung blieb ihm allerdings versagt. Der heitere Physiker bekam für sein Froschexperiment nur den satirischen "Ig-Nobelpreis" (von engl. ignoble : unwürdig, schmachvoll) verliehen.

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Jetzt lästert niemand mehr über Geim. Nach dem "Ig-Nobel" erhält er nun auch den echten Nobelpreis zugesprochen. Damit ist er der erste Mensch überhaupt, dem beide Ehrungen zuteil wurden. Ausgezeichnet wird er zusammen mit Konstantin Novoselov, für die Entdeckung des Graphens.
Graphen besteht aus einer einzelnen Lage von Kohlenstoffatomen, die wie ein Maschendraht angeordnet sind (Bilder unten). Dieser atomare Kaninchendraht hat zahlreiche bemerkenswerte Eigenschaften: So ist Graphen, gemessen an seiner Dicke, so stabil wie nichts sonst auf der Welt. «Es ist 100 mal so kräftig wie Stahl», schwärmt etwa Nobel-Juror Per Delsing in Stockholm. Und dabei federleicht: «Ein Quadratmeter wiegt nur tausendstel Gramm», erläutert der Präsident der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Wolfgang Sandner. «Eine Hängematte aus Graphen wäre in der Lage, eine Katze zu tragen, obwohl die Hängematte wesentlich dünner wäre als ein einzelnes Barthaar der Katze.»
Der Stoff ist außerdem extrem dehnbar und leitet Hitze und elektrischen Strom besonders gut. So hat etwa der Computerriese IBM bereits einen Transistor aus Graphen gebaut, einen elektronischen Schalter, der sich 100 Milliarden Mal pro Sekunde an- und ausschalten kann. Mit dieser Schaltfrequenz von 100 Gigahertz ist der Transistor den besten Modellen aus herkömmlichem Silizium um mindestens das Zehnfache überlegen.
«Man munkelt, Graphen sei das nächste Silizium», sagte Geim kürzlich der Nachrichtenagentur dpa. «All' das ist zurzeit aber nur Spekulation. Wir wissen noch nicht genug über Graphen, um das jetzt zu beurteilen.» Hunderte mögliche Anwendungen des Materials werden diskutiert. Darunter sind intelligente Fensterscheiben, die die Sonneneinstrahlung regulieren, ultradünne Touchscreens, rollbare Leuchtdioden und neue Beschichtungen für Solarzellen.
Der atomare Kaninchendraht ist so engmaschig, dass er nicht einmal die kleinsten Gasmoleküle passieren lässt, die wir kennen, das Helium. Außerdem hat das «Wundermaterial» eine Eigenschaft, die es von fast allem auf der Welt unterscheidet: Ihm fehlt die dritte Dimension. «Alles um uns herum hat Länge, Breite und Dicke», erläutert Geim. Graphen dagegen fehlt die Dicke, es besteht nur aus einer einzelnen Atomlage. Wozu sich das ausnutzen lässt, ist derzeit weitgehend Spekulation.
Die Entdeckungsgeschichte von Graphen ist ähnlich bemerkenswert wie das Material selbst: Alles begann als Spielerei, wie Geims Laborkollege Novoselov einmal erzählte. An der Universität von Manchester, wo die beiden Physiker russischer Herkunft arbeiten, pflegen sie die Tradition, einen kleinen Teil ihrer Arbeitszeit mit «verrückten» Experimenten zu verbringen, mit Spielereien.
So sei auch die Idee entstanden, einzelne Atomlagen aus einer Graphitschicht per Klebeband herauszulösen.
"Wir haben einfach immer weitergemacht, bis wir irgendwann eine einzelne Schicht entdeckten: Graphen", schilderte Geim der dpa. Und zum Erstaunen der Forscher zersetzte es sich nicht, sondern blieb bei Raumtemperatur und an der Luft stabil. «Man dachte immer, dass solche extrem dünnen Substanzen instabil sind.
Die Entdeckung ist erst sechs Jahre alt. Dennoch ist die Auszeichnung nicht verfrüht, findet Physiker-Präsident Sandner: «Auch wenn wir die Anwendungsbreite jetzt noch nicht kennen, ist es ein sehr gereiftes Gebiet und durchaus nobelpreiswürdig.»
Geim rechnet in rund fünf Jahren mit den ersten kommerziellen Anwendungen. Welche das sein werden, erwartet der frisch gekürte Nobelpreisträger selber mit Spannung: «Das weiß ich erst, wenn die Produkte im Supermarktregal stehen.»

In Bielefeld hat die Zukunft dazu schon begonnen: Armin Gölzhäuser und Andrey Turchanin gehen die ersten Schritte von der Grundlagenforschung in die Anwendung. Ihr Ziel ist es, Graphen für die Massenproduktion fit zu machen. Sie haben physikalisch-chemische Verfahren entwickelt, um Graphen aus organischen Molekülen herzustellen. Dazu bringen sie sehr dünne Lagen von Molekülen auf Metalloberflächen auf. Durch eine Bestrahlung mit Elektronen werden die einzelnen Moleküle zu einer geschlossenen Schicht verbunden, die sich bei Erhitzen unter Luftabschluss in Graphen umwandelt.

Turchanin und Gölzhäuser möchten diese sehr einfache Herstellungsmethode nutzen, um große Mengen an Graphen, zum Beispiel für elektronische Bauteile herzustellen. So könnte Graphen statt den heute verwendeten Indium-basierten Materialien Flüssigkristallanzeigen (LCDs) revolutionieren, die in Flachbildschirmen, Monitoren und Handys verwendet werden. Dies ist besonders wichtig, da die weltweiten Indium-Vorräte nur noch wenige Jahre reichen. Für diese Forschung wurden Turchanin und Gölzhäuser jetzt von der DFG und dem BMBF insgesamt circa 1 Mio. Euro bereitgestellt.

In interdisziplinären Projekten arbeiten Physiker, Chemiker, Materialwissenschaftler und Ingenieure zum Thema „Graphen“. Partnerinstitute der Bielefelder Wissenschaftler sind die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Braunschweig), das Max-Planck-Institut für Polymerforschung (Mainz), die RWTH Aachen und die Humboldt-Universität zu Berlin. Diese Verbünde werden von Bielefeld aus koordiniert.