FZ Jülich
Institut für Energieforschung
Im Forschungszentrum Jülich besichtigten wir mehrere Institute aus dem Bereich der Energieforschung. Es ging um Membranen für Brennstoffzellen, um Membranen für den Einsatz in Kohlekraftwerken, die sauerstoffdurchlässig sind, um Kernfusion und Photovoltaik.
Die Themenbereiche
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Photovoltaik
In dem Forschungszentrum Jülich verfolgt eine Abteilung, das IEF-5 die Forschung nach besseren Photovoltaikanlagen und damit nach „ sauberer“ Energie. Diese Abteilung haben wir am Dienstag unserer Reise besucht. Die Forschung in Jülich beschäftigt sich hauptsächlich mit den Amorphen- und Microsolarzellen. Die sind nur wenige Micrometer dick und können auf billige Substrate (z.B. Glas) aufgetragen werden, damit sind diese Zellen sehr kostengünstig. Ihr Wirkungsgrad ist mittlerweile im Labor auf 12 % angestiegen. Das für die Solarzellen verwendete Silizium wird aus Sand gewonnen. Da es amorphes Silizium ist, besitzt es keine tetraedrische Struktur und somit ungleichmäßig angeordnete Atome. Die fertige Solarzelle besteht aus Glas, auf das eine dünne Zinkoxidschicht aufgetragen wird, aus der p-, i-, und n-Schicht. Die i-Schicht ist undotiert und befindet sich zwischen der p- und n-Schicht. Die Oberfläche der Schichten ist sehr unregelmäßig und streut somit das einfallende Licht. Unter der n-Schicht befindet sich noch eine Silberplatte, die das überschüssige Licht spiegelt.
Die Produktion für genau diese Zellen haben wir uns dann angesehen und erklären lassen. Am Ende dieses Produktionsprozesses steht eine Dunkelkammer (der Flasher) in der man das „Leben“ einer Solarzelle simulieren kann. 2 Jahre lassen sich in nur 2 Tagen simulieren. Durch diese Kammer kann man den Wirkungsgrad testen und feststellen, wie effektiv die Zelle arbeitet. Natürlich kann man in der Simulation nicht alle Faktoren berücksichtigen, da die Module auf Hausdächern verdreckt werden und nicht immer im optimalen Winkel zur Sonne stehen.
Des Weiteren forscht die IEF-5 auch noch an neuen Halbleitermaterialien und versucht den Wirkungsgrad immer weiter in die Höhe zu treiben.
Der Besuch im IEF-5 War sehr spannend und hat uns allen neue Einblicke in die Welt der Forschung und der Photovoltaiktechnik gegeben, besonders interessant fanden wir aber auch die analytische Auswertung des Kickertuniers der Forscher.
Kernfusion (überarbeitet)
Kernfusion
Derzeit stillt die Weltbevölkerung ihren Energiehunger zu rund 80% mit Erdöl, Kohle und Gas, ändert sich dabei nichts wird sie ihren Appetit zügeln müssen, denn die Vorräte an fossilen Brennstoffen sind begrenzt. Zudem setzt dieser Energiekonsum das Treibhausgas Kohlendioxid frei. Dadurch steigt letztendlich auch die Temperatur an.
Aktuelle Energiequellen sind in Zukunft nicht mehr tragbar und um die Menschheit künftig nachhaltig mit Energie versorgen zu können und den Planet Erde zu schützen, müssen völlig neue Energiequellen erschlossen und umweltschonende Technologien entwickelt werden.
Die Kernfusion ist umweltschonender und zusätzlich noch effizienter als herkömmliche Energiequellen.
Der Klimawandel muss gestoppt werden und das können wir erreichen, indem wir den
CO2 – Ausstoß senken. Die Kernfusion kommt ohne CO2 – Emissionen aus und die Rohstoffe für die Fusion sind beinahe unbegrenzt.
Nach Definition versteht man unter Kernfusion die Verschmelzung leichter Atomkerne zu schwereren. Dabei wird Energie freigesetzt. Die Reaktion zwischen diesen beiden Wasserstoffen Isotopen Deuterium und Tritium liefert die höchste Energiemenge im Vergleich zu allen anderen leichteren Atomkernen. Beide Atomkerne verschmelzen zu einem Heliumkern und setzen ein Neutron frei, dabei wird große Energie freigesetzt, die in der hohen Geschwindigkeit des wegfliegenden Neutrons steckt.
Weitere Pluspunkte, die die Kernfusion sammelt, ist die Sicherheit, denn bei der Kernfusion sind Kettenreaktionen grundsätzlich unmöglich. Die Fusionsreaktion ist jederzeit abbrechbar und somit unter voller Kontrolle. Ein weiterer Aspekt ist der, dass die Endprodukte minimal radioaktiv sind schnell zerfallen. Der einzige Haken ist, dass es gibt zu wenig natürliches Tritium gibt. Die Halbwertszeit von Tritium beträgt nur 12 Jahre, weswegen es für die Verwendung als Brennstoff in Fusionskraftwerken viel zu wenig Tritium im natürlichen Zustand auf der Erde gibt. Weltweit nur 2- 3,5 Kg. Deshalb muss es künstlich hergestellt werden oder, wie es bei den Wissenschaftlern genannt wird, :„Das Tritiumbrüten“. Dies gelingt durch den Beschuss von Lithium 6 mit Neutronen. Es entsteht das unschädliche Gas Helium und das weiterverwendbare Tritium. Lithium und Deuterium sind leicht zugängliche Rohstoffe, denn Lithium ist im ganz normalen Gestein und Deuterium im Meerwasser zu finden.
Bereits 2 Liter Wasser ( 75 mg Deuterium ) und 250 g Gestein ( 225 mg Lithium ) reichen aus, um den Bedarf einer durchschnittlichen deutschen Familie an elektrischer Energie für ein Jahr zu decken
( ca. 48 Milliarden Joule ).
Das Ziel der EU ist es, 2035 das erste Fusionskraftwerk in Betrieb zu nehmen. Der Grundstein dafür wird mit den beiden Versuchsreaktoren „Iter“ und „Textor“ ( Iter lat. „der Weg“ ) gelegt. Iter ist momentan im Bau und liegt in Cadarache in Südfrankreich, Textor ist in Jülich stationiert und wird bereits zur Forschung verwendet. Iter soll ein brennendes Fusionsplasma mit 500 Megawatt Leistung und 8 Minuten Brenndauer bei einer Temperatur von 100 Millionen °C realisieren. Es wird dabei das Tokamak Prinzip genutzt, dass in Moskau erfunden wurde. Tokamak heißt eine ringförmige Kammer mit einem Magnetfeld. Dabei wird ein Gasgemisch aus Deuterium und Tritium in ein ringförmiges Vakuumgefäß eingelassen. Viele Millionen Ampere Strom mit anderen Heizverfahren machen aus dem Gas ein etwa 100 Million °C heißes Plasma. So nennt man ein Gemisch aus freien Elektronen und ionisierenden Atomkernen. Plasma ist der 4 Aggregatzustand und ist auch in der Natur zu erkennen, Beispiele wären Flammen, Blitze oder das Polarlicht.
Starke Magnetspulen bilden schließlich einen unsichtbaren Käfig, der das Plasma daran hindert mit den umgebenden Wänden zu intensiv in Berührung zu kommen.
Das Jülicher Forschungsprogramm „Textor“ ist ein wichtiger Beitrag für ein zukünftiges Fusionskraftwerk. Das Spezialgebiet in dem Forschungszentrum Jülich ist dabei die Wechselwirkung des vielen Millionen °C heißen Fusionsplasmas mit den Wänden der umgebenden Brennkammer zu erforschen.
Das Endziel ist es ein Netzanschluss eines Fusionskraftwerks mit 1 Gigawatt Leistung im Jahre 2035 zu erreichen.
Das Forschungszentrum Jülich stellt sich dieser Herausforderung. Jülich, am 11.12.1956 gegründet, gehört zu der Helmholtz Gemeinschaft und beschäftigt derzeit 4400 Mitarbeiter. Das Forschungszentrum ist in die 4 Fachbereiche, Gesundheit, Information, Energie und Umwelt und Schlüsseltechnologie unterteilt, die auf einer Fläche von 2,2 km² liegen. Im Jahre 2008 standen Jülich 415 Millionen Euro zur Verfügung. Das Einkommen des Forschungszentrums ist stark durch die jährlich veröffentlichten Patente, aus denen auch meist Lizenzverträge entstehen, geprägt. Jülich hat bis jetzt mehr als 600 patentierte Technologien, 10.000 Patente weltweit und 157 Lizenzverträge. In Jülich laufen derzeit 4 Hauptprojekte, der oben genannte Textor, für die Medizinforschung das
9 Komma 4 – MR – PET, was Magnet-Resonanz-Positronen-Emissions-Tomographie heißt, der Teilchenbeschleuniger Cosy, der 5 schnellste Supercomputer der Welt mit 300.000 Kernen und zuletzt die Umweltkammer Saphir.
Im Bereich Gesundheit wird bevorzugt in der Biotechnologie und den Neurowissenschaften geforscht. Im Institut der Information wird an der Festkörperforschung und dem Riesenmagnetowiderstand geforscht. Im Fachbereich Energie und Umwelt werden neben der Kernfusion mit Hilfe der Umweltkammer Saphir verschiedene Atmosphärische Vorgänge simuliert.
Mit der gezielt angelegten Energieforschung will Jülich Strategien realisieren um den zukünftigen Energiebedarf nachhaltig, sicher und umweltfreundlich zu decken. Im Institut für Plasmaphysik wird das Ziel verfolgt, die Verschmelzung leichter Atomkerne zu Energieerzeugung zu nutzen. In wenigen Jahrzehnten wird die Kernfusion zusammen mit regenerativen Energien als Primärenergiequelle bereitstehen, um einen spürbaren Beitrag zur Lösung des Energieproblems zu leisten.