Riesenwindräder und neue Autobatterien: Junge Ideen für den Klimaschutz

„2°Campus“ – so nennt sich das Projekt der internationalen Tier- und Umweltschutzorganisation WWF, bei dem sich 20 Schüler*innen aus ganz Deutschland für den Klimaschutz einsetzen können. Ziel dabei: Die Politik in Deutschland jetzt dazu zu bringen, alles dafür zu tun, dass die Klimaerwärmung bis im Jahr 2050 die Grenze von 2 Grad Celsius nicht überschreitet. Mehr dazu findet ihr unter dem Link in der rechten Spalte!

Ich konnte Ende März diesen Jahres in Berlin im Wannseeforum beim 2°Campus mitmachen. In zahlreichen interessanten Vorträgen wurden wir Teilnehmer*innen zunächst einmal alle auf den neuesten Wissensstand gebracht und erhielten einen tiefergehenden Einblick in die Themen Klimaschutz und Klimawandel. An zahlreichen Praxisbeispielen und auch der Vorstellung von bereits durchgeführten Studien wie beispielsweise dem „Modell Deutschland“ konnten wir die Umsetzung des Gelernten beobachten, bevor es schließlich selbst ans Diskutieren, Entscheiden und Forschen ging.

Plan zur Verringerung von Treibhausgas-Emissionen

Nachdem wir zahlreiche bunt gemischte Ideen gesammelt hatten, die zur Einhaltung unseres übergeordneten Ziels beitragen könnten, mussten wir uns schließlich in vier unterschiedliche Gruppen aufteilen, von denen jede je eines der Teilgebiete „Ernährung“ „Energie“, „Wohnen“ und „Mobilität“ genauer betrachten wird. Denn in all diesen Bereichen ist es wichtig, in den nächsten Jahren eine Menge an CO2 einzusparen – und das so schnell wie möglich.

Mit der Unterstützung der wissenschaftlichen Mentoren unterschiedlicher Universitäten und Institute wurde schließlich in jeder der vier Gruppen eine konkrete Forschungsfrage entwickelt, an der wir im nächsten Blog im Sommer explizit forschen werden. Während sich eines der anderen Teams mit der Entwicklung eines „Monsterwindrades“ beschäftigt, ein weiteres der Frage nachgeht, wieviel Platz wir Menschen eigentlich zum Leben brauchen und wieviel CO2 alleine durch die Reduktion der eigenen Wohnfläche eingespart werden könnte und die letzte Gruppe sich den viel zu häufig eingeschlagenen Weg der Lebensmittel in die Mülltonne anschaut, hat sich mein Team als „Mobilitätsgruppe“ dazu entschlossen, an der Weiterentwicklung von Batterien zu forschen, die in Elektrofahrzeugen Anwendung finden könnten.

Genau das wird uns vom 21. Juli bis 01. August 2015 am Batterieforschungszentrum „MEET“ in Münster beschäftigen, wo wir gemeinsam mit dem Experten Kolja Beltrop versuchen, aus Plastiktüten und Pappe ein verbessertes Anodenmaterial herzustellen.

Um das zu verstehen, müssen wir uns erst einmal mit der Funktionsweise einer herkömmlichen Batterie befassen. Bei ihr handelt es sich um ein Bauteil, mithilfe dessen es möglich ist, Energie zu speichern, die anschließend nach und nach als elektrischer Strom wieder abgegeben werden kann. Das Ganze basiert auf dem Ablauf von chemischen Reaktionen in ihrem Inneren.

Funktionsweise einer Lithium-Ionen-Batterie

Die momentan am häufigsten eingesetzte Batterie ist die Lithium-Ionen-Batterie. Eine solche Batterie besteht aus zwei Elektroden, die durch einen nichtwässrigen Elektrolyten, also einer ganz besonderen Flüssigkeit, voneinander getrennt sind. Die negative der beiden Elektroden, die Kathode, besteht meist aus Graphit und die positive Anode bei den herkömmlichen Zellen aus Lithium-Metalloxid-Verbindungen.

Aufladen eines Lithium-Ionen-Akkus

Das Prinzip dieses Akkumulators basiert auf der Verschiebung der Lithiumionen. Wird für den Aufladevorgang eine Spannung angelegt, so hat die Graphitelektrode ein negatives Potential. Daher wandern die einfach positiv geladenen Lithiumionen, vom Elektrolyten aus der Elektrode gelöst, hinüber zur Graphitelektrode und werden dort aufgenommen.

Beim Entladen passiert das Gegenteil. Die Lithiumionen wandern wieder zur Metalloxid-Elektrode, sodass sich nun dort ein Überschuss an positiver Ladung befindet, wodurch die Elektronen dazu angeregt werden, über den äußeren Stromkreis zur anderen Seite zu fließen. Genau dieser Elektronenfluss ist nichts anderes als ein elektrischer Strom, mit dem wir beispielsweise eine Lampe oder eben unser Auto betreiben können.

Entladen eines Lithium-Ionen-Akkus

Die chemische Formel für den Entladevorgang zeigt, wie das Lithium aus der Graphitelektrode gelöst wird:

$$\mathrm{Li}_x\mathrm{C}_n\rightarrow n \mathrm{C} + x \mathrm{Li}^{+} + x \mathrm{e}^{-}$$

An der positiven Elektrode werden diese aufgenommen:

$$\mathrm{Li}_{1-x}\mathrm{Mn}_2\mathrm{O}_4 + x\mathrm{Li}^{+} + x\mathrm{e}^{-} \rightarrow \mathrm{Li}\mathrm{Mn}_2\mathrm{O}_4$$

So unterscheidet sich die Batterie zwischen geladenem und entladenem Zustand vor allem dadurch, wo die Lithium-Ionen sitzen.

Als grober Überblick sollte genügen. Statt noch tiefer in die Funktionsweise aktueller Lithium-Ionen-Batterien einzusteigen, gehen wir lieber auf unsere eigene Forschungsidee ein. Denn wir wollen die herkömmliche Batterie verändern. Seit Jahren wird versucht, Energie effektiver zu speichern und Akkumulatoren zu verbessern, doch bisher wurde meist versucht, das Kathodenmaterial zu ersetzen – genau wie es auch eines der Teams des letztjährigen 2°Campus durch den Bau einer „Duo-Graphitbatterie“ versucht hatte.

Wir wählten dieses Jahr jedoch einen anderen Ansatz: Warum nicht einmal nach einem effektiveren, ungiftigeren Anodenmaterial suchen, für dessen Herstellung möglicherweise sogar Abfall dienen kann? Auf diese Idee kamen wir durch die offensichtliche Verwandtschaft zwischen Graphit und Plastiktüten oder Pappe. Auf molekularer Ebene bestehen sie nämlich alle aus kleinsten Kohlenstoffeinheiten – den „carbon spheres“.

Also wird es unsere erste Aufgabe sein, unsere Pappe oder unser Plastik so weit zu synthetisieren, dass wir mit diesen Bestandteilen arbeiten können. Zur weiteren Vorgehensweise und unseren Ergebnissen wird es in einem zukünftigen Bericht mehr geben. Festzuhalten ist jetzt schon: Wenn unsere Idee funktionieren sollte, würde auf der einen Seite eine gute Möglichkeit des Recyclings von Plastik und Pappe erschlossen werden.

Gleichzeitig wäre aber auch der neu entwickelte Akkumulator in seinem Abbau äußerst umweltfreundlich – und im besten Fall natürlich auch effizienter – sodass durch den Einsatz unserer neuentwickelten Batterie z.B. auch die Reichweite von Elektroautos in Zukunft verbessert werden könnte. Momentan bleibt es also noch äußerst spannend, was wir alles herausbekommen werden!

Vorbereiten der Forschungsarbeit

Spaß bei der Arbeit am 2°Campus

Nun aber wieder zurück zum ersten Teil des 2° Campus zu dem, was wir bisher schon erreicht haben. Denn mit dem, was ich bis jetzt berichtet habe, sind mit uns als ambitionierte Forscher*innen noch lange keine fünf Tage gefüllt! Also zurück an die Arbeit, die nun in erster Linie darin bestand, unsere tatsächliche Forschungsfrage zu formulieren: „Kann die Umweltfreundlichkeit von Akkumulatoren der Elektroautos optimiert werden, wenn die Anode aus recyceltem Material (Plastik/Pappe) besteht?“

Bei der Entwicklung hatte meine Gruppe neben den Wissenschaftlern noch von einer der Juniormentor*innen Unterstützung, die bereits letztes Jahr am „2°Campus“ teilgenommen hat und uns nun mit ihrer Erfahrung weiterhalf. Dank all der Helfer und der anderen Teilnehmer*innen haben wir trotz der Schwierigkeiten und des ernsten Themas nie den Spaß am Diskutieren und Forschen aus den Augen verloren.

Ich lernte nicht nur unglaublich viel über Ansätze des Klimaschutzes, sondern machte zusätzlich durch weitere Seminare zwischen den Forschungseinheiten weitere Erfahrungen auf den Gebieten der Rhetorik und des Teamwork. Insgesamt war nicht nur ich, sondern auch die anderen Teilnehmer*innen mit dem gesamten Programm vollkommen zufrieden. Alle für uns organisierten Experten und die Alumni waren sehr nett, offen und all das, was wir erfahren haben, überaus interessant.

Die Verpflegung war überwältigend und auch als Vegetarier*in oder Veganer*in fand man genügend abwechslungsreiche Kost. Alle eher theoretisch gehaltenen Vorträge wurden immer wieder durch lustige Lockerungsübungen ausgeglichen und auch bei Gesprächen in der Gruppe erkannte ich immer wieder aufs Neue, wie viel man doch dazulernen kann und wieviel Spaß es bereitet, sich mit anderen Gleichaltrigen, die sich mit ähnlichen Themen beschäftigen und dieselben Ziele verfolgen wie man selbst, auszutauschen.

Ich freue mich auf jeden Fall schon jetzt auf die folgenden beiden Blöcke des „2°Campus“ und aller weiterer Arbeit, die beim WWF noch auf mich wartet. Die gesamte Organisation und insbesondere dieses Projekt sind auf jeden Fall unterstützens-und empfehlenswert. Man bekommt jede Menge neuen Input, erfährt enorm viel und kann dies auch direkt im Alltag umsetzen. Man wächst als Gemeinschaft zusammen und hat einfach unglaublich viel Spaß!

Bis zum nächsten Block, von dem ich auch berichten werde!