Ab in die Forschung

Wissen und verstehen wollen, wie die Welt funktioniert. Am Ball bleiben, wenn es nicht gleich klappt. Immer wie-der Fragen stellen und sich auf die Suche nach Lösungen machen – die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Geesthacht benötigen tat sächlich keine besondere Begabung. Was sie für ihre Arbeit täglich mitbringen, ist (neben der guten Ausbildung) bedingungs-lose Begeisterung. Denn die braucht man und einen langen Atem. Durch die Naturwissenschaften verstehen wir die Welt besser. Gleichzeitig dient die Forschung zum Beispiel

„Ich habe keine besondereBegabung, sondern bin nurleidenschaftlich neugierig.“

Albert Einstein

dem Klimaschutz und dem Verständnis unserer Umwelt. Die Aufgaben sind gewaltig: das Erschließen alternativer Energiequellen, Fragen zur zukünftiger Mobilität, das Er-fi nden neuer Materialien und der Schutz der Küsten und Meere.Diese Broschüre schaut in die Labore und Werkstätten und stellt einige Schwerpunkte vor. Dazu wurden vier Wis sen-schaftlerinnen und Wissenschaftler befragt. Sie erzäh len von ihrer all täglichen Arbeit und davon, was sie …

… ab in die Forschung gebracht hat.

I N H A LT04 | Wer ist Helmholtz?

W A S S E R10 | Im Norden forschen – Lebensraum Küstenzone12 | Beobachten, messen, zählen – Monitoring der Meere14 | Dem Dreck auf der Spur – Umweltchemie15 | Wetteraussichten der Zukunft

E N E R G I E18 | Sprit war gestern – Wasserstoff ist morgen20 | Salz- meets Süßwasser – Energie aus dem Osmosekraftwerk21 | Energie stinkt nicht – Biogas wird zu Erdgas22 | Das weltbeste Supermikroskop – gebündelte Lichtenergie

M A T E R I A L26 | Magnesium – ein Element mit Magie29 | Titan – der Stoff aus der Raumfahrt30 | Für Verbindungen sorgen – neue Schweißverfahren

34 | Schülerlabor, Praktika, Ausbildung, Wettbewerbe, Impressum

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Geboren wurde Hermann Helmholtz 1821 in Potsdam. Zu der Zeit galten natur-wissenschaftliche Experimente im Wissenschaftsbetrieb als eine sehr zweifelhafte Angelegenheit. Sie wurden nur außerhalb der Universitäten in kleinen „Kabinetten“ betrieben. Helmholtz hingegen hatte schon als Kind eine Schwäche für Gesetzmä-ßigkeiten. Er wollte Physiker werden. Das redete Vater Helmholtz seinem Sohn aus: Er sollte besser Arzt werden! Glück-licherweise wurden angehende Ärzte bereits vor rund 200 Jahren ebenso in Physik, Physiologie (also der Wissenschaft von den Lebensfunktionen), Mathematik, Bio-logie und Chemie unterricht.1842 wurde Helmholtz anerkannter Doktor. Er untersuchte, wie die Information des Auges als elektrischer Impuls ans Gehirn geschickt wird. Dafür erforschte er syste matisch Nervenzellen unter dem Mikroskop. Eine unerhört neuartige Arbeits-weise damals.Heute, 170 Jahre später, arbeiten die Forscher in den Helmholtz-Zentren zum Bei-spiel mit besonders intensiven Röntgenstrahlen, den Synchrotronstrahlen. Mit die-sen energiereichen Lichtstrahlen gewinnen sie im Mikro- und Nanometerbereich neue Erkenntnisse! Andere Methoden, klar, aber die gleiche wissenschaftliche Neu gierde und Arbeitsweise wie beim Namensgeber Helmholtz stehen dahinter.

Charakter:Eigensinnigbisweilen stur

Wie heißt das Instrument, mit dem die Seefahrer ihren aktuellen Längengrad be-stimmen können? Eine E-Mail schreiben an [email protected] oder Postkarte auf Seite 36 ausfüllen.

H E L M H O LT Z E R Z Ä H LT E G E R N D I E F O L G E N D E G E S C H I C H T E :

Langeweile kann nützlich sein. Als der junge Galilei während eines Gottesdienstes eine schau-keln de Lampe beobachtete, fand er heraus (indem er seinen Puls maß), dass die Dauer der Schwingungen unabhängig von der Größe der Schwingungsbögen war. Große Pendel schwingen genau so schnell wie kleine. Diese Entdeckung führte später dazu, dass die Uhrzeit ganz genau gemessen werden konnte. Was es wiederum Seefahrern erst möglich machte, den Längengrad zu bestimmen, auf dem sich ihr Schiff gerade befand!

Betrachtet man sein Leben und Arbeiten, so wird völlig klar, warum die Forschungs gemeinschaft sich Helmholtz als Paten wählte. Sein Name steht für naturwissenschaftliche Forschung, für ihre praktische Anwendung und für die Vernetzung der Forschenden.

D A S E N T D E C K T E H E L M H O L T Z :

_Er bestimmte die Wellenlängen des ultravioletten Lichts_Er errechnete die Leistungsgrenze des Lichtmikroskops_Er formulierte den ersten Hauptsatz der Thermodynamik _ Er veröff entlichte mathematisch ausgearbeitete Studien über Naturphänomene

wie Wirbelstürme, Gewitter, Luft- und Wasserwellen und Gletscher _ Er erfand den noch heute von Ärzten benutzen Augenspiegel,

mit dem die Netzhaut betrachtet wird

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Weißt du‘s?

„ Immer mehr Autosverpestendas Klima.“TOM DIEMELT, RATZEBURG

„ EINE ERDERWÄRMUNG ÜBER2 GRAD WÜRDE DRAMATISCHE FOLGEN HABEN.“ULJANA SAIZEW, MÖLLN

„ Der Klimawandel geht alle an. Er macht nicht vor der Grenze Halt.“

„ In Deutschland gibt es 71 Müllverbrennungs-anlagen.“ SINA HANSEN, GELTING

„Circa 1.500 Kilowattstunden Strom verbraucht jeder von uns im Jahr. Um nur ein Kilowatt selbst zu erzeugen, müsste man auf dem Hometrainer 10 Stunden strampeln.“MERT YILDIRIM, BAD BEVENSEN

„ Das Eis der Arktis schmilzt.“KIM MEYER, STADE

„ In den Meeren schwimmtimmer mehr Plastik.“

BJÖRN HANSEN, HUSUM

CHARLOTTE TOMASEK, GLÜCKSBURG

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„ Fürs Kochen und Waschen verbraucht jeder von uns rund 125 Liter Wasser am Tag.“THILO SCHNEIDER, HAMBURG

W A S S E R E N E R G I E M A T E R I A L

Derzeit leben circa 45 Proauf nur fünf Prozent der Lasind Nahrungslieferant, Klweg, Rohstoff quelle, Energ Erholung und vor allem Leund Tiere.

Woran arbeiten die Forscher in Geesthacht?Küsten- und Klimaforscher wollen richtig einschätzen, wie sich der Klimawandel auf den Lebensraum Küste und Meer auswirken wird. Was wird auf die Menschen zukommen? Dazu untersuchen sie den Zustand der Küstenräume. Das ist viel schwieriger, als es sich anhört. Um die komplizierten Mechanismen des Ökosys-tems zu verstehen, ist grundlegendes Wissen nötig: Über Jahrzehnte hin Daten sammeln, die Zahlen sichten, vergleichen und interpretieren. Daraus lassen sich Prognosen über die Entwicklungen der Zukunft abgeben.

look at #coastdat.hzg: atlas of consistent met.-ocean(wind, waves and storm surges) data for EuropeanCoastal Seas.

zent der Weltbevölkerung andoberfl äche. Die Küsten lima-Regulator, Transport-g iestandort, Raum für ebensraum für Pfl anzen

08 I 09


Im Norden forschen –Lebensraum Küstenzone

Beachparty, Surfen, Fischen. Off shore-Windkraft, Ölplattform, Megacitys, Touris-mus. Schon diese kurze Aufzählung zeigt: Die Küstenzone ist ein stark genutztes Gebiet. Umwelt und Wirtschaft stehen in direkter Beziehung. Der Gehalt von Treib haus gasen in der Atmosphäre nimmt zu. Das führt zu einem Anstieg des mittleren Meeresspiegels und zu erhöhten Wassertemperaturen. Dadurch ändert sich bereits heute das Ökosystem in vielen Küstengebieten. Um die Auswirkun-gen durch die unterschiedlichen Nutzungen in den Küstengebieten zu verstehen und zu verbessern, ist umfangreiche Forschung notwendig. Die Küstenforscher in Geesthacht studieren Wellen, Stürme und wie sich Stoff e im Meer ausbreiten. Dazu untersuchen sie die Vergangenheit, beobachten aktuelle Entwicklungen und beschreiben mögliche Zukunftsaussichten. Das bildet die Grundlage für ein nachhaltiges Management der Küstenumwelt.

Mit Blicken in die Vergangenheit lässt sich unser JETZT und MORGEN richtig einordnen. Ein vollständiges Bild entsteht, wenn diese Beobachtungen mit mathematischen Model-len verknüpft werden. In der Datenbank coastDat sind zum Beispiel Winde, Wellen und Strömungen der Nordsee über Jahrzehnte verfügbar.

Forschen bedeutet auch: mathematische Modelle mit echten Beobachtungen zu verknüpfen.

Neue chemische Stoff e in Rhein und Nordseenachgewiesen#http://www.hzg.de/public_relations/news/(and storm surges) data for European Coastal Seas.

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Land unter - der Klimawandel ist für Hamburg eine Herausforderung.

Gefährdete Gebiete im Watten-meer - überwachen und schützen.


FerryBoxWie kommt man dauerhaft und zuverlässig an Daten vom off enen Meer? Indem Messsysteme auf Fähr- und Frachtschiff en installiert werden: FerryBoxen, die das Seewasser analysieren. Das Wasser strömt durch einen kleinen Kasten an Sensoren vorbei, die acht Messungen automatisch durchführen: Temperatur, Salzgehalt, Sauerstoff gehalt, Verschmutzungsgrad, pH-Wert, Chlorophyll (Fluor-eszenz), Nährstoff gehalt, Algen. Über Satellit ist die FerryBox mit der Landstation in Geesthacht verbunden.

Forschungsschiff Regelmäßig fahren die Küstenforscher zu Messfahrten mit dem For-schungsschiff Ludwig Prandtl raus aufs Meer. Für den Einsatz im Wattenmeer ist die Ludwig Prandtl durch ihren geringen Tiefgang von nur 1,70 Metern besonders gut geeignet. An Bord gibt es ein Mehrzwecklabor, in dem die Proben ausgewertet und bearbeitet wer-den. An Deck stehen ein hydraulischer Faltkran und eine Winde. Zur Vermessung des Meeresbodens benutzen die Forscher ein Fächerecholot.

Was die Küstenforscher erreichen wollen, ist eine Gesamtschau auf den aktuellen Zustand der Meere. Denn erst wenn sehr viele Daten und Kennzahlen (Parameter) vorliegen, kann das Team Szenarien möglicher Entwicklungen zeichnen. Also hat man begonnen, eine Moni-toring-Technik zu entwickeln. Monitoring bedeutet die ständige Beobachtung und vor allem die systematische Erfassung von Naturerscheinungen. So lassen sich Zusammenhänge erkennen: Warum wächst im Wattenmeer der Wurm X auf einmal doppelt so schnell? Liegt es an der Wassertemperatur oder an der Strömung? Hängt es mit einer Algenblüte zusam-men oder nahm der Zufl uss von Nährstoff en zu? Die Küstenforscher in Geesthacht haben zusammen mit Partnern ein Netz von Mess-Stationen in den Küstenbereichen der Nordsee aufgebaut: das Coastal Observation System for Northern and Arctic Seas, kurz COSYNA. Die fünf wichtigsten Messsysteme sind:

Beobachten, messen, zählen –Monotoring der Meere

Bojen und MessstationenMessbojen und -pfähle werden fest im Meeresboden ver-an kert und liefern sowohl Wasseranalysen wie auch radar-hydro graphische Daten, mit denen sich Seegang, Strö-mung und Wind beobachten lassen. Im Unterschied zur FerryBox gewinnt man über diese Systeme über lange Zeit hinweg Informationen von einem bestimmten Ort.

Fernerkundung mit SatellitenMit dem Umweltsatellit ENVISAT erkunden die Küstenforscher die Meeres-oberfl äche und weitläufi ge Küstenabschnitte aus mehreren Hundert Kilo-metern Höhe. Die Forscher haben Verfahren entwickelt, mit denen sich die Eigenschaften des Meerwassers wie die Streuung von Licht, die Trans-parenz und die Konzentration von Phytoplankton bestimmen lassen. Die Ergebnisse geben Aufschluss unter anderem über das Auftreten von Algen-blüten, deren Häufi gkeit sich im Zuge des Klimawandels verändern könnte.

ScanfishDer Scanfi sh wird im Kielwasser eines Schiff es mitgeschleppt. Mit der Schleppsonde können sie nicht nur die Oberfl äche, sondern auch die Be-schaff enheit des Wassers in der Tiefe erkunden. Der Scanfi sh ist so pro-grammiert, dass er in regelmäßigen Wellenbewegungen auf- und wieder tief nach unten abtaucht und dabei wie ein Fisch die Umgebung scannt. Dabei misst er: Leitfähigkeit, Temperatur, Druck, Sedimente (Ablagerun-gen), Kleinstlebewesen und Algen.

@partnercosyna watch hzg/coastdat.de: atlas of consistent met.-ocean (wind, waves and storm surges) data for European Coastal Seas.

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Die Eingangsfrage lautet: Was haben Feuerlösch-schaum, atmungsaktive Jacken und die Plastikverpa-ckung von Äpfeln gemeinsam?Die Antwort ist ein Problem für die Robben und Eisbären der Arktis: In allen drei genannten Produkten werden so ge-nannte polyfl uorierte organische Verbindungen (leichter zu merken: PFCs) verwendet. Zu ihrer Überraschung fanden Forscher diese PFCs im Blut von marinen Säugetieren (Schweins wale, Robben oder Seehunde zum Beispiel). Wie kommt es zu hohen Konzentrationen der Problemstoff e in

Auf Spurensuche machen sich die detektivischen Forscher der Abteilung Umweltchemie.

der Arktis? Und vor allem: Wie kommen diese PFCs dort hin? Wären sie über den Wasserkreislauf transportiert wor den, hätten die Schadstoff e lange schwimmen müssen – ein paar Jahrzehnte mindestens. Die Erklärung: Die PFCs neh men die Abkürzung über unsere Atmosphäre. Die Pro blem stoff e in der Luft wurden dazu mit einem neuen Analyse verfahren nachgewiesen. Damit haben die Forscher in Luftproben von der Arktis bis zur Antarktis PFCs nachgewiesen. Der PFC-Gehalt nahm von Land und den küstennahen Regio-nen zur off enen See hin sowie von Mitteleuropa zu den Polen hin ab.

P R O F. D R . R A L F E B I N G H A U S ,

L E I T E R D E R A B T E I L U N G U M W E LT C H E M I E

Beschreiben Sie doch bitte kurz Ihr Arbeitsgebiet. Ich beschäftige mich mit chemischen Stoff en in der Um-welt, ihrem Vorkommen und wie sie insbesondere in die Meeresumwelt gelangen, wie sie sich dort verteilen und welche negativen Auswirkungen zu erwarten sind.Arbeiten Sie allein oder mit Kollegen zusammen? Solche Fragestellungen kann man nur mit vielen Partnern bearbeiten. Das sind Partner, die entweder besondere Fä-higkeiten haben, eine besondere Laborinfrastruktur oder zum Beispiel auch über Forschungsschiff e verfügen.Forschen Sie im Labor? Brauchen Sie bestimmte Apparate?Die Probeentnahme erfolgt meistens auf Forschungsschif-fen, die Proben werden dann nachher bei uns im Labor

untersucht. Wir verbringen einen großen Teil der Zeit auf einem Schiff . Anschließend „verschwinden“ wir dann für ein paar Wochen im Labor.Wie kam es zu Ihrer Berufswahl? Ich habe mich in der Schule immer besonders für Chemie interessiert.Leisten Sie durch Ihre Arbeit einen Beitrag zum Naturschutz? Ja, auch wenn wir immer etwas hinterher laufen, das heißt, giftige Substanzen sind bereits in die Umwelt gelangt, und wir versuchen sie nachzuweisen. Damit können wir aber zur wissenschaftlichen Begründung beitragen, warum der Gesetzgeber etwas tun muss.

Dem Dreck auf der Spur –Umweltchemie

ZU DEN ERGEBNISSEN.

L Ö S U N G E N F I N D E N :

Was bedeutet es, wenn durch den Klimawandel fremde Fischarten in die Nordsee einwandern? Stören die neuen Off shore-Windparks Seevögel? Und werden die nordfriesischen Inseln in hundert Jahren noch vom Tourismus leben können oder sind die Strände dann längst weggespült?

Die Wissenschaftler haben sich unter anderem auf Norddeutschland spezialisiert. Forscher wissen, dass Landnutzungen wie Rapsanbau oder Städtebau den Klimawandel beeinfl ussen. Das Norddeutsche Klima-büro beschäftigt sich mit den Auswirkungen des Kli-ma wandels für Küstenschutz, Artenvielfalt, Landwirt-schaft und Tourismus in der Metropol region Hamburg. Die Forschungsschwerpunkte liegen auf Stürmen, Sturmfl uten, Seegang und Wasserkreisläufen in den Küstengebieten. Jeder, der wissen will, wie das Klima wird, kann im Internet nachschauen: das Norddeutsche Klimabüro hat einen interaktiven Klimaatlas online gestellt. www.norddeutscher-klimaatlas.de

Doch nicht nur in Norddeutschland benötigen Bauern, Städtebauer oder Politiker verlässliche Informationen über den gegenwärtigen Zustand des Klimas und seine künftige Entwicklung.

Die Forscher und Mitarbeiter im Climate Service Center verbinden in Deutschland bereits vorhandene Forschungs-institutionen, Klimaberatungseinrichtungen und die Wirt-schaft zu einem umfassenden Netzwerk. In diesem Netz-werk übernimmt das CSC eine nationale Portalfunktion, hier laufen die Klimainformationen zusammen, werden überprüft und ausgewertet. www.climate-service-center.de

Wetteraussichten der Zukunft

Mic

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14 I 15Heisse Aussicht bis 2050: Jahresmitteltemp. + 0,75 bis1,75 Grad C –bis 2100 sogar 3 bis 4,7 Grad mehr!!!

Klimawandel: Hainbuchen und Sommerlinden profi tieren – Fichte und Kiefer verlieren Raum im Norden – Forstwirte besorgt.

Trend geht weiter: alle 10 J. Niederschlag um 1 % stärker, die Sommer wärmer. Winter deutlich feuchter.

Das Norddeutsche Klimabüro und das Climate Service Center beraten zum Thema Klimawandel.


Die fossilen Brennstoff e sizeitig steigt der weltweitefür die Forschung ist klar: regenerativer Energien. NaForschung hat heute die Azu entwickeln, die umwe

ind begrenzt, gleich-e Energiebedarf. Das Ziel

Entwicklung und Ausbau aturwissenschaftliche Aufgabe, Technologien ltschonend arbeiten.

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Woran arbeiten die Forscherinnen und Forscher in Geesthacht?Die Energieforschung hat viele Aspekte. Experimente und Forschung zum Thema regenerative Energie ist auch in Geesthacht zu fi nden: Grundlagenforschung im Bereich Wasserstoff und Brennstoff zelle. Oder ein Pilotprojekt zum Thema Osmo-sekraftwerk. Biogas säubern – daran forschen Polymerforscher. Energie lässt sich auch benutzen: Mit hochenergetischem Licht machen Wissenschaftler eigent lich Unsichtbares sichtbar.



Manche Dinge sind im ersten Schritt genial einfach. Erst danach wird es richtig kompliziert. Diese Beschreibung triff t auf die Stromgewinnung aus Wasserstoff zu. Das Prinzip ist verblüff end simpel, die Umsetzung hingegen braucht komplexe Technologien: Wie baut man gute Membranen, die eine hohe Leistung erzielen? Wie speichert man den Wasserstoff ?

Sprit war gestern – Wasserstoff ist morgen

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nial einfach. Erst danach wird es richtig kompliziert. Diese ung aus Wasserstoff zu. Das Prinzip ist verblüff end simpel, die

Wasserstoff ist das häufi gste Element im Weltall und das am einfachsten aufgebaute Element, mit genau einem Proton und einem Elektron. Es ist ein Gas – farblos, geruchlos und ungiftig und es tritt nur in Verbindungen auf. Die bekannteste und häufi gste ist Was-ser, H2O, die Verbindung von Wasserstoff und Sauerstoff .

Eine Brennstoff zelle besteht aus zwei Bereichen mit jeweils einer Elektrode. An diesen Stäben aus elektrisch leitendem Material strömt auf der einen Seite Sauerstoff (an der Anode), auf der anderen Seite Wasserstoff (Kathode). Die beiden Gase sind durch eine Membran, den Elektrolyten, voneinander getrennt. Der Wasserstoff gibt an der Kathode Elektronen ab. Die positiv geladenen Wasserstoff -Ionen hingegen schlüpfen durch die Membran. An der Kathode nimmt der Sauerstoff die an der Anode abgegebenen Elek-tronen wieder auf und verbindet sich mit den durchgeschlüpften Wasserstoff -Ionen zum Wasser. Quasi nebenbei wird so chemische Energie in elektrischen Strom verwandelt. Brennstoff zellen können in Zukunft fast überall eingesetzt werden: in Laptops, in Autos, Schiff en oder Flugzeugen.

3.500 km mit einem Liter SpritDie ersten positiven Erfahrungen mit Metallhydrid-Tank haben studentische Rennfahrer beim Shell-Eco-Marathon ge-macht. Das Rennen unterscheidet sich in ein paar Punkten von der Formel-1: Sieger wird nicht der schnellste, sondern der Wagen der mit einem Liter Kraftstoff die größtmögliche Entfernung zurücklegt und dabei so wenig Schadstoff e wie möglich ausstößt. Unter die ersten Fünf gelangt seit einigen Jahren regelmäßig das Team Fortis Saxonia. Das Fortis-Saxonia-Team besteht aus rund 20 Studenten, die an der Entwicklung eines leichten, energiesparenden Fahrzeugs arbeiten. Der Antrieb besteht aus einer Wasserstoff -Brennstoff zelle mit Elektromotor. Die Forscher aus Geesthacht haben für Fortis Saxonia den Wasserstoff tank als Prototypen gebaut.

Sicherer Tank für Wasserstoff Eine zweite große Frage gilt der Speicherung von Wasser-stoff . Das Gas lässt sich in riesigen Tanks lagern, aber das birgt ein Sicherheitsrisiko: Wasserstoff ist hochexplosiv. Gesucht ist eine sichere und zugleich kompakte Lagerung. Das Problem spielt eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der Wasserstoff technologie im Alltag, denn wenn Fahrzeuge mit Brennstoff zellen fahren sollen, muss es auch überall Tankstellen geben, die dann etwas kleiner sein sollten als ein Einkaufszentrum.

Die Werkstoff forscher in Geesthacht haben die Entde-ckung gemacht, dass bestimmte Metallpulver den Was-serstoff gut binden. Diese nanokristallinen (die einzelnen Kristalle haben eine Größe im Nanometerbereich) Metall-hydride haben darüber hinaus die Eigenschaft, den Was-serstoff auch rasch wieder freisetzen und schnell wieder beladen werden zu können – sie besitzen also gute Tank-qualitäten. In eigens eingerichteten Wasserstoff -Laboren experimentieren Chemiker und Ingenieure in Geesthacht gemeinsam an Tanks auf Metallhydrid-Basis.

Das Foto zeigt die mikroskopische Aufnahme einer Membran zwischen den beiden Elektroden einer Brennstoff -zelle. Diese Kunststoff -Membran ist ungefähr 0,1 Millimeter dünn und hat Eigenschaften, die an eine Haut erinnern. Sie muss für bestimmte „Stoff e“ dicht und zugleich für andere „Stoff e“ durchlässig sein. In unserem Fall trennt sie Wasserstoff und Sauerstoff .

D R . J O S E B E L LO S TA V O N CO L B E WA S S E R S TO F F F O R S C H E R

Das Fotozelle. DierinnernFall tren

W A S S E R S T O F F A L S C H E M I S C H E V E R B I N D U N G

Wasser H2O

Sauerstoff O2KatalysatorElektrolyt

(PEM)

Wasserstoff H2

Elektronene

18 I 19Entdeckung = nanokristallines Metallpulver mit H2 ist sehr guter Speicher: sicher + eff ektiv.

MEMBRAN, DAS HERZ DER BRENNSTOFFZELLE.


Das Prinzip der Osmose ist bekannt: Ein Lösungsmittel (zum Beispiel Wasser) fl ießt durch eine durchlässige Scheide wand – eine halbdurchlässige Membran – in eine stärker konzentrierte Lösung.

Nun muss man sich eine große, breite Flussmündung vorstellen: Millionen Liter Süßwasser vermischen sich in jeder Minute mit dem Meerwasser. Hat man das Bild gut vor Augen, kann es losgehen: Das Osmosekraftwerk gewinnt Energie mittels der unterschiedlichen Salzkon-zentration in Süßwasser und Meerwasser. Eigentlich ganz einfach: Unterschiedlich stark konzentrierte Flüssigkeiten (hier: Fluss und Ozean) sind grundsätzlich um Konzentra-tionsausgleich bemüht. Nun zieht man eine Membran ein, die nur Süßwasser durchlässt, das Salz aber zurückhält. Durch diese Membran tritt Wasser von der Süßwasserseite auf die Salzwasserseite, um das stärker konzentrierte Meer-wasser zu verdünnen; umgekehrt fl ießt nichts von der Salz- zur Süßwasserseite. Der Wasserdruck auf der Salz-wasserseite steigt. Mit diesem erhöhten Wasserdruck kön-nen Turbinen zur Stromerzeugung angetrieben werden. Der Druck beträgt 12 bar, was immerhin einem 120 Meter hohen Wasserfall entspricht.

Wissenschaftler des Instituts für Polymerforschung in Geesthacht arbei-teten sechs Jahre an der Entwicklung dieser Membranen. Im November 2009 war es soweit: Der norwegische Energiekonzern Statkraft startete in Hurum am Oslofj ord die weltweit erste Pilotanlage eines Osmosekraft-werks.

Salzwasser

Druck Membran

Süßwasser

D A S O S M O S E K R A F T W E R K G E W I N N T E N E R G I E M I T T E L S D E R U N T E R S C H I E D L I C H E N S A L Z - K O N Z E N -T R AT I O N I N S Ü S S W A S S E R U N D M E E R W A S S E R

Ein ebenso einfaches Prinzip der Natur steht hinter einer anderen Idee für regenera-tive Energiegewinnung.

Salz- meets Süßwasser – Energie aus dem Osmosekraftwerk

Osmosekraftwerk: http://www.hzg.de/public_relations/answers/osmose/index.html.dealle Bilder u. Infos.

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Energie stinkt nicht – Biogas wird zu ErdgasBiogas boomt, immer mehr Bauern machen aus Mist Geld. Ein Problem vieler Biogasanlagen müssen die Landwirte dabei in den Griff bekommen: Biogas ist nicht sauber genug, um ins normale Erd gasnetz eingespeist zu werden. Es muss zuvor gereinigt werden. Hier helfen die Forscher: Mit Mem branen aus Geesthacht wird in einer Pilotanlage das Biogas gesäubert. Als reines Erdgas kann es so ins Gasnetz der örtlichen Versorger eingespeist werden. Da freut sich der Bauer!


Zweitausenddreihundertundvier Meter lang ist der Ringbeschleuniger für Elektronen und Positronen, der unter der Erde im Hamburger Stadtteil Bahrenfeld verläuft.

Hier, auf dem Gelände des DESY, wird in einer neuen Speicherring-Röntgenstrahlungs-quelle mit dem schönen Namen PETRA III der feinste und brillanteste Röntgenstrahl der Welt erzeugt. Eine Art Super-Taschenlampe, die die atomare Struktur der Materie erhellen soll.

Die hochenergetischen haarfeinen Röntgenstrahlen von PETRA III geben den Wissen-schaftlern die Möglichkeit, scharfe Bilder im Nanobereich zu erhalten, beispielsweise von Eiweißmolekülen oder von Materialstrukturen.

Eine Wissenschaftlerin positioniert eine Probe im Euler-Wiege genannten Instrument.

Das weltbeste Supermikroskop – gebündelte Lichtenergie

Mit riesigen Instru-menten bin ich winzigen Strukturen auf der Spur.

Beschreiben Sie bitte Ihr Arbeitsgebiet.Ich bin Experimentalphysikerin und arbeite in einem Großforschungszentrum an einem Synchrotron-Spei-cherring. Synchrotron-Strahlung ist hochintensive und hochenergetische Röntgenstrahlung.

Und an welchem Projekt arbeiten Sie zurzeit?Ich bin verantwortlich für eine neue Strahlführungs-linie (die Imaging Beamline) an dem in Hamburg neu entstandenen PETRA III Synchrotron. Meine Aufgabe ist es, die Beamline zu designen, aufzubauen und an-schließend zu betreiben. Hierbei handelt es sich um eine Strahlführungslinie, die mikro- und nanotomo-graphische Experimente ermöglicht, ähnlich wie in der Medizin, allerdings an kleinsten Proben mit 3D-räumlichen Aufl ösungen im Mikrometer- bis in den Nanometer-Bereich.

Was wollen Sie herausfi nden oder beobachten?Tomographie ist bekannt aus der Medizin – wir bieten ein vergleichbares Verfahren, nur wesentlich höher in seiner räumlichen Aufl ösung. „Nano“ bedeutet dabei, dass wir innere Strukturen in Proben im Größenbe-reich von 100 nm sichtbar machen können und „Mik-ro“ bedeutet, dass wir innere Strukturen in Proben mit einer Aufl ösung von unter einem μm sichtbar machen können. In der Medizin wird während einer tomogra-phischen Aufnahme der Detektor um den Patienten gekreist, der Patient liegt still auf einer Pritsche in der „Röhre“. Bei uns kann der Synchrotron-Ring nicht „kreisen“, wir drehen deshalb die Proben im Synchro-

tronstrahl. Das Ergebnis bleibt dabei aber gleich. Die Anwendungsgebiete beschränken sich nicht, wie in der Medizin, auf biologische Proben. Wir untersuchen Probengrößen im Millimeter- bis Mikrometerbereich und können mit unserem Synchrotronstrahl zum Bei-spiel Fehler in Metallen, Keramiken, Polymeren, Fasern, medizinischen Implantaten oder Gewebeproben auf-spüren.

Wie kam es zu Ihrer Berufswahl?Zufall. Ich habe mich in der Schule am meisten für Mathematik und Physik interessiert und daraufhin be-schlossen, Physik zu studieren. Anschließend habe ich mich am Hahn-Meitner-Institut Berlin beworben und bekam dann zusätzlich die Alternative angeboten, die Leitung der Synchrotron-Tomographie-Arbeitsgruppe zu übernehmen. Das Angebot habe ich angenommen und bin so in dieses neue Thema hineingerutscht. Anschließend bekam ich das Angebot, für das Helm-holtz-Zentrum Geesthacht bei DESY eine komplette Strahl führungslinie zu diesem Thema aufzubauen.

Ein Blick in die PETRA III Halle, unten die Messplätze.

22 I 23Deutsches Elektronen Synchrotron – DESY – Partner – Faszination Physik, watch: www.desy.de bzw. www.hzg/gems.de.

ICH LASS ES LEUCHTEN.

D R . A S T R I D H A I B E L , E X P E R I M E N TA L P H Y S I -K E R I N B E I M H E L M H O L Z -Z E N T R U M G E E S T H A C H T


Immer mehr Menschen vemehr Öl und Gas. Der Vorr begrenzt. Gleichzeitig we schädigende Klimagase inDamit die Erde lebenswer umdenken und das Klima

Woran arbeiten die Forscherinnen und Forscher in Geesthacht?Die wichtigsten Ziele sind klar: Den CO2-Ausstoß verringern und Energiereserven schonen. Das ist in erster Linie eine Aufgabe der Politiker. Doch brauchen wir den Erfi ndungsgeist der Forscher, um zukunftsweisende Alternativen aufzutun. Die Helmholtz-Wissenschaftler setzen dazu auf besondere Hightech-Materialien. Ihre neuen Werkstoff e und energiesparenden Verfahren machen Autos oder Flugzeuge leichter und senken damit den Energieverbrauch.

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erbrauchen immer rat fossiler Rohstoff e ist

erden immer mehr die Atmosphäre gepustet. t bleibt, müssen wir

a schützen.


Ein Auto aus Magnesium? Turbinen aus Titan? Schweißen ohne Schmelzfun-ken? Das ist längst nicht mehr nur eine Vision der Werkstoff forschung son-dern bereits Realität in den Laboren und Werkstätten in Geesthacht.

Laptops und Handys werden nicht nur immer besser, sie werden auch immer leich-ter. Wichtigster Grund: ihr Gehäuse besteht heute oft aus Magnesium. Das Metall ist nämlich besonders leicht – viel leichter als Edelstahl und rund ein Drittel leichter als Aluminium.

Warum nicht Autos aus Magnesium bauen? Denken sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Magnesium Innovation Center (MagIC) in Geesthacht. Dort ge-hen sie der Frage nach, welche Alternativen es zu den bekannten Materialien wie Aluminium oder Stahl gibt. Denn ein Auto mit Bauteilen oder einer Karosserie aus Magnesium ist viel leichter als ein traditionell gebautes. Es verbraucht weniger Sprit und stößt weniger CO2 aus.

Elektronen-Mikorsko-pische Aufnahme einer Magnesium-Legierung

Magnesium –ein Element mit Magie

M AG N E S I U M – E R DA L A K A L I M E TA L L :Dolomiten bestehen zu 13 % daraus (Dolomit)S P E Z I F I S C H E S G E W I C H T:-1,74 Gramm auf 1 cm3

- gute Eigenschaften beim Gießen und FormenS C H M E L Z P U N K T: - 649 Grad Celsius (Aluminium: 2467 °C) spart Energie!

Große Maschinen für große ForschungStatt ins Labor gehen Materialforscher in ihre Maschinen-halle. Beeindruckend ist hier insbesondere „Roll-Mag“, die mehrere Millionen Euro teure Magnesium-Gießwalzanlage.Weil das Walzen und Gießen aber zeitaufwändig und teuer ist, unternehmen die Wissenschaftler neben den echten Versuchen auch Computersimulationen. Sie modellieren am Rechner die genaue Zusammensetzung des Materi-als, prüfen und untersuchen diesen Designerwerkstoff am Computer, bis sie zufrieden sind.


Wie stabil ist Mg bei einem Aufprall?Wie lässt sich Mg als Blech walzen und schweißen?Was kann man gegen die Korrosion (Rost) tun?Welche Legierungen – also Metallmischungen – sind die besten?

Mobil mit MagnesiumAus den unterschiedlichsten Materialien oder Werkstof-fen konstruieren Ingenieure von der Zahnspange bis zur Mondrakete so ziemlich alles. Im MagIC - dem Magnesium Innovation Center forschen rund 50 Wissenschaftler mit dem Leichtmetall Magnesium. In der weltweit einzigarti-gen Einrichtung helfen die Forscher bei der Entwicklung umweltfreundlicher Transportlösungen.

VorschmelzeSchmelzofen

Walzen

Magnesium

Magnesiumblech

Im MagIC: Legierungsentwicklung, Bearbeitung, Produkttest, Recycling erforschen.

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In welchem Bereich arbeiten Sie?Ich arbeite im Bereich Magnesiumknetlegierungen. Ver-einfacht kann man sagen, dass unsere Aufgabe darin be-steht zu verstehen, was in Mg-Legierungen während des Walzens von Mg-Blechen passiert. Unsere Erkenntnisse nutzen wir für die Entwicklung neuer Mg-Legierungen mit verbesserten Eigenschaften.

Was wollen Sie herausfi nden und verbessern?Wir wollen Magnesium-Knetlegierungen entwickeln, die zum Beispiel als Mg-Bleche in der Automobilindustrie An-wendung fi nden. Dazu gehören Untersuchungen wie:Was passiert, wenn wir die Temperatur während der Ver-formung erhöhen oder niedriger halten? Welche Verfor-mungskräfte sind optimal, um qualitativ hochwertige Ble-che bzw. Profi le aus Magnesium herstellen zu können?

Arbeiten Sie allein oder mit Kollegen zusammen?Die Experimente führe ich meist allein durch. Nach der Auswertung diskutieren wir aber sehr oft mit mehreren Kollegen darüber. In diesen Gesprächen kommen häufi g interessante Ideen heraus.

Forschen Sie im Labor? Brauchen Sie bestimmte Apparate?Ja, ich benutze für meine Experimente mehrere, sehr gut ausgestattete Labore. Für mikrostrukturelle Charakteri-sierung arbeite ich mit optischen Mikroskopen. Wenn ich noch detaillierter eine Materialprobe ansehen will, habe ich auch ein Raster-Elektronen-Mikroskop (REM) zur Ver-fügung. Um die Orientierung der inneren Kristallstruktur zu untersuchen, benutze ich Röntgenstrahlung. Außerdem haben wir mehrere Prüfmaschinen für die Bestimmung von mechanischen Eigenschaften und Umformeigenschaf-ten des Bleches sowie eine eigene kleine Walzanlage zum Durchführen von Walzversuchen.

Was machen Sie am liebsten?Mir macht es sehr viel Spaß, die Experimente zu planen und durchzuführen und ich bin immer sehr aufgeregt, ob sich meine Erwartungen erfüllen. Falls dies nicht der Fall ist, suche ich fi eberhaft nach möglichen Ursachen, warum sich das Material anders verhalten hat.

D R . L E N K A F U S K O W AI S T M AT E R I A L W I S S E N S C H A F T L E R I N I M M A G I C

EXPERIMENTIERENMACHT SPASS.

Beim Zusammenwachsen helfenIn Teltow werden Gerüste entwickelt, auf denen Zellen zu Geweben heranwachsen sollen, so genannte Scaf-folds. Diese Kunststoff -Gerüste sind meist biodegradierbar, also abbaubar. Nach einer bestimmten Zeit löst sich das Gerüst verträglich im Körper auf. Solche Biomaterialien spielen besonders dann eine Rolle, wenn ein großer Defekt vorliegt, zum Beispiel bei großen oder komplexen Knochenbrüchen.

E I G E N S C H A F T E N V O N T I TA N A LU M I N I D :– geringe Dichte von ca. 4,0 g/cm3 – hoher Schmelzpunkt von 1.460 Grad Celsius-

gute Korrosionsbeständigkeit

Leicht gemacht #magnesium.hzg.de das macht Fahrzeuge leichter.

Titan – der Stoff aus der RaumfahrtHochleistungswerkstoff e wie Titanaluminid bieten einen Wettbewerbsvorteil, zum Beispiel im Flugzeugbau. Jedes eingesparte Kilogramm Gewicht bedeutet einen geringeren Treibstoff verbrauch. Üblicherweise werden in Flugzeugtrieb-werken Hochdruckverdichter-Laufschaufeln aus Nickel-Legierungen eingesetzt. Nimmt man stattdessen Titanaluminid, so reduziert sich das Gewicht dieser Bauteile um rund die Hälfte. Dadurch lässt sich auch das Gewicht weiterer Triebwerksbauteile reduzieren: Leichtere Schaufeln erzeugen geringere Flieh-kräfte an den Scheiben. Die neue Legierung ermöglicht es den Ingenieuren da-her in Zukunft, insgesamt leichtere und damit sparsamere Triebwerksteile mit höherer Lebensdauer zu konstruieren.

Ein kluger Stoff – PolymereÄhnlich erstaunlich sind im Moment die Entwicklungen in der Biomaterial-forschung. Biomaterial ist kein biologisch hergestelltes Material, sondern man bezeichnet damit Stoff e, die im menschlichen Körper als Implantat, Wundmaterial oder auch als Ersatz für krankes Gewebe zum Einsatz kom-men. Neben Metallen kommen dafür auch Polymere infrage. Polymere sind, vereinfacht gesagt, chemische Verbindungen von Kettenmolekülen. Die Polymerforscher arbeiten an bioabbaubaren und biostabilen Materi-alien und testen sie auf ihre Verträglichkeit. Die Forscher haben jetzt in-telligente Materialien entwickelt: Durch die Einwirkung der Körperwärme rollt sich der Polymerfaden selbsttätig auf und verankert sich auf diese Weise fest im Gewebe – ohne Vernähen oder Knoten. Stimulisensitive Polymersysteme nennt man das, komplexes Material also, das auf äußere Reize (Körpertemperatur) in der gewünschten Weise („Rolle dich unterm Wundrand ein!“) reagiert. Polymere spielen auch in anderen Bereichen eine große Rolle, zum Beispiel bei der Entwicklung von Membranen im Umweltschutz. Mehr darüber steht im Kapitel „Energie“.

Werkstoff forscher Dr. Michael Oehring testet eine neue Legierung. Erst nach fünf Jahren intensiver Entwicklungsar-beit kam die neue Titanaluminid-Legie-rung in die industrielle Anwendung.

Künstlich hergestellter Stoff , aber biologisch verträglich: Biomaterialien.

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r.

Leichte Werkstoff e tragen dazu bei, Gewicht und Energie einzusparen.


Ein komischer Name für ein kluges Verfahren: Rührreib-schweißen.

Der Kopf rotiert mit Druck an den beiden Kanten der Metall-platten.

Mit Lasern lassen sich Flugzeugteile verschweißen.

Die Außenhaut eines Flugzeugs besteht aus unzähligen Einzelteilen. Diese werden größtenteils durch Nieten mit-einander verbunden. Das Problem von Nietverbindungen: sie sind schwer und teuer! Bei circa sechs Millionen Nieten pro Flugzeug kommt da einiges zusammen. Um Nieten zu vermeiden, wird in die Erforschung neuer Schweißverfah-ren viel Fantasie und Zeit gesteckt.

Die Geesthachter Materialwissenschaftler haben ein Ver-fahren entwickelt, das als Rührreibschweißen bezeichnet wird. Klingt komisch, ist aber eine neuartige Fügetechno-logie, die es ermöglicht, unterschiedliche Materialien wie Metall und Kunststoff miteinander zu verbinden, ganz ohne Klebstoff . Denn die Schweißnaht muss halten, sonst stürzt der Flieger ab.

Ebenfalls im Angebot: Laserstrahlschweißen. In Geesthacht gibt es eine große Halle, in der das Schweißen von Teilen der Flugzeughaut erforscht wird. Mit der Anlage lassen sich Schweißnähte von bis zu neun Metern Länge herstellen.

Für Verbindungen sorgen – neue Schweiß-verfahren

Beschreiben Sie doch bitte kurz Ihr Arbeitsgebiet.Ich bin Materialwissenschaftlerin und arbeite im Bereich mikro-mechanische Charakterisierung von Werkstoff en. Ich untersuche den Verformungsmechanismus von zum Beispiel Magnesium und Mg-Legierungen. Das ist nützlich zur Entwicklung von Leichtbau-Strukturen im Flugzeugbau.

Was wollen Sie verbessern?Es ist wichtig zu wissen, wie viel Spannung ein Material aushält, ehe es versagt. Wir sprechen von Versagen, lange bevor wir mit bloßem Auge einen Riss sehen können. Das fängt in einem sehr, sehr kleinen Messbereich an.

Forschen Sie im Labor? Brauchen Sie bestimmte Apparate?Für die Versuche habe ich ein sehr aufwändig ausgestat-tetes Labor. Es gibt ein Elektronen-Mikroskop, das die Struktur auf einer Größe darstellt, die hundertmal kleiner ist als ein Haar. Wir haben auch mechanische Prüfgeräte, die mit Kraftaufl ösung von einem Mikro-Newton und einer Verschiebungsaufl ösung von einigen Angström (so klein wie der Durchmesser eines Atoms) arbeiten.

D R . E R I C A L I L L E O D D E NB E R E I C H E X P E R I M E N T E L L E W E R K S T O F F M E C H A N I K

Wie kam es zu Ihrer Berufswahl?Bereits als Schülerin habe ich mich sehr für Mathematik interessiert. Allerdings habe ich mich nicht mit Chemie-Baukasten etc. beschäftigt, sondern wie jedes andere Kind gespielt. Erst in der Universität habe ich eine Vor-lesung zum Thema Materialwissenschaften besucht, die ich spannend fand. Es gab auch ein Laborseminar dazu. Damit hat damals alles angefangen.

Viel Fingerspitzengefühl: das Einlegen der Probe ist eine saubere Sache.

Elektronen-Mikroskope unterstützen die Wissenschaftler bei der Suche nach leichten Werkstoff en für den Fahrzeug- und Flugzeugbau.

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ICH MAG MATHE.


„ Später mal verfügen Hochhäuser über eigene Sonnenkollek-toren und Wind-kraftanlagen, die die Wohneinheiten mit Strom versorgen.“JANNIK ZIEGLER, HAMBURG

„ Auch wenn der CO2-Ausstoß verringert wird, müssen wir uns an den Klimawandel anpassen.“HENNING LAHMER, GEESTHACHT

„ MIT SOLARENERGIE UND WASSERSTOFF-TECHNOLOGIE LÄSST SICH IN ZUKUNFT EIN TEIL UNSERES STROMBEDARFS DECKEN.“

„ DER KRAFTSTOFF-VERBRAUCH VON AUTOS UND FLUGZEUGEN LÄSSTSICH MIT HIGH-TECH-MATERIALIEN SENKEN.“DOREEN SALZMANN, WITTSTOCK

„ Viele Wissen-schaftler arbeiten heute daran, unsere Welt zuschützen.“

MERT DONGÜL, HAMBURG

„ BIO ALLEIN REICHT NICHT AUS. WIR MÜSSEN NEUE TECHNO LOGIEN ERFORSCHEN.“

MIA STURM, OLDENBURG

„ Auch wenn noch viel Forschung nötig sein wird, irgendwann kommt aus dem Auspuff von Autos nur noch Wasser.“

SUHEILA ASLAN, WEDEL

„ Müll zu vermeiden, ist immer besser.“

LAURA TURETZKI, SASEL

HENNAR ZERBEST, HOHENLOHE

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Was Ihr bei uns alles machen und erfahren könnt:

Schülerlabor Quantensprung

Das Schülerlabor am Helmholtz-Zentrum Geesthacht bietet Schulklassen ab der Jahrgangsstufe 10 die Mög-lichkeit, einen Tag lang zu experimentieren und selbst na-turwissenschaftlich zu arbeiten. Die Themen entsprechen den Forschungsschwerpunkten in Geesthacht: Küsten-forschung und Wasserstoff technologie. Die Schülerinnen und Schüler arbeiten entweder im Bereich Wasseranalytik oder experimentieren mit alternativen Wegen der Strom-erzeugung.

Lehrkräfte können ihre Klassen auf der Homepage über ein Formular anmelden. http://schuelerlabor.hzg.de

Praktika

Lust auf mehr Forschung?Bei uns könnt Ihr während eines Schülerpraktikums erste Einblicke in den Alltag und die Arbeitsweisen der Forsche-rinnen und Forscher bekommen.Anfragen stellt Ihr bitte an die Personalabteilung:[email protected]

Am Girls’Day können Mädchen ab der 5. Klasse die verschiedenen Arbeitsbereiche des Forschungszentrums kennen lernen. In den Büros oder Laboren sind Schülerin-nen einen Tag lang eingeladen, Forscherluft zu schnuppern.

S C H Ü L E R L A B O R P R A K T I K A A U S B I L D U N G W E T T B E W E R B E

Interessierte Schülerin-nen und Schüler sind uns immer willkommen!

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Ab in die Forschung