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Forschen für eine nachhaltige Entwicklung

"Non nobis solum nati sumus" – frei übersetzt: "nicht für uns allein sind wir geboren". Dies postulierte Marcus Tullius Cicero (106 - 43 BC) und traf damit bereits den Kern dessen, was wir heute Nachhaltigkeit nennen. Die heutigen Bemühungen um eine nachhaltige Entwicklung fußen auf der Einsicht, dass menschliches Handeln die Entwicklungsmöglichkeiten für künftige Generationen nicht einschränken darf.
Die Aufgabe der Forschung ist es, der Gesellschaft zu bestehenden Problemen und Herausforderungen durchdachte, langfristig tragfähige Handlungsoptionen anzubieten, deren Folgen sie überschaut und welche sie akzeptieren kann.

Damit dies gewährleistet ist, müssen Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen die von ihrer Forschung ausgehenden Wirkungen, Chancen und Risiken vorausschauend analysieren und Alternativen reflektieren; die gewonnenen Erkenntnisse müssen – wie der Prozess der Erkenntnisgewinnung selbst – transparent sein. Einige Jülicher Forschungsbeiträge zu einer nachhaltigen Entwicklung werden im Folgenden vorgestellt.

Green IT

Die Jülicher Forschung ist gefragt, wenn es darum geht, Energiespar-Potentiale etwa in der Informationstechnologie weiter auszubauen. Neuartige Ansätze der Informationsverarbeitung und –speicherung könnten hier die Lösung sein. Die Entwicklung geht in Richtung neuer Technologien, die nicht mehr auf ladungsbasierter Elektronik beruhen: Neue elektronische Materialien versprechen revolutionäre Fortschritte für die nächsten Computergenerationen. Sie weisen ungewöhnliche Effekte wie Multiferroizität, memristives Verhalten oder Spintronik auf, die erst in den vergangenen Jahren entdeckt wurden und derzeit intensiv erforscht werden. Prozessoren und Speicherelemente, die diese Phänomene nutzen, könnten deutlich schneller und energiesparender arbeiten als aktuell eingesetzte Komponenten. Wären diese auch für die Massenproduktion anwendbar, könnte viel Energie gespart werden, nicht nur in Jülich.

Im Bereich des Supercomputings arbeiten Jülicher Experten gemeinsam mit Partnern aus der Industrie daran, um bis 2020 Supercomputer für die Forschung zu realisieren, die Rechenleistungen von über einem Exaflop/s erreichen können, das sind eine Trillion Operationen pro Sekunde: 1.000.000.000.000.000.000. Damit nicht ein eigenes Kraftwerk für einen solchen Rechner gebaut werden muss, muss die Energieeffizienz um den Faktor Tausend verbessert werden. Zentrale Aspekte bei der Entwicklung eines solchen ökologisch sowie wirtschaftlich vertretbaren Superrechners sind neue Konzepte für die Rechnerarchitektur, für die Software und für die Kühlung. Hier arbeitet das Forschungszentrum mit verschiedenen Partnern zusammen, die unterschiedliche alternative Hardware- und Software-Konzepte verfolgen.

Energieversorgung: Speicher und Netze

Im Bereich der Energieversorgung müssen Wandler- und Speichersysteme weiter ausgebaut und verfeinert werden, um regenerative Energiequellen überhaupt im großen Maßstab nutzbar machen zu können: Windkraft und Sonnenergie sind mit hohen und schnellen Fluktuationen verbunden – standort- und wetterbedingte Schwankungen müssen aufgefangen und ausgeglichen werden, damit die Stromversorgung dauerhaft garantiert ist. Dies muss bei Umwandlung, Speicherung und Transport berücksichtigt werden: Stromtransport- und -verteilnetze müssen ausgebaut werden und große Energiemengen gespeichert werden können. Um Engpässe zu vermeiden, muss auf der anderen Seite der Energieverbrauch auf der Verbraucherseite flexibilisiert werden: durch neue Stromversorgungskonzepte und möglicherweise durch intelligente Geräte, die ihre Stromversorgung selbstständig den Hauptlastzeiten anpassen.

Diese neuen Konzepte könnten direkt auf dem Campus erprobt und angewendet werden. Eine Elektroautoflotte des Forschungszentrums etwa könnte als Zwischenspeicher dienen, wenn mehr Strom verfügbar ist, als momentan benötigt wird. Die Autos, die gerade nicht im Einsatz sind, könnten den auf dem Campus erzeugten Strom aufnehmen und ihn bei Bedarf weitergeben.

Pflanzenforschung: weniger Energie, mehr Ertrag

Die mit Gewächshäusern bebaute Fläche wächst weltweit – und mit ihr der hierfür benötigte Energiebedarf. Das Forschungszentrum Jülich hat die eigene Gewächshausnutzung durch den Einsatz besonderer Materialien sowie eines Kühlsystems optimiert, das allein auf thermischen Gesetzen beruht und keine Elektrizität benötigt.

Um das für das Pflanzenwachstum notwendige Sonnenlicht optimal auszunutzen, haben Jülicher Wissenschaftler Gläser mit diffuser Lichttransmission entwickelt. Das bedeutet, dass das Glas jeden einfallenden Lichtstrahl in eine andere Richtung lenkt. Das hat den Vorteil, dass alle Blätter einer Pflanze gleichmäßiger Licht bekommen, als es bei normalen Gläsern der Fall wäre. Zum Beispiel Tomaten- und Gurkenpflanzen, bei denen die Blätter der unteren Stockwerke teilweise im Schatten der darüber wachsenden liegen, nutzen diffuses besser als direkt einfallendes Licht aus, und ihre Photosynthese-Rate kann sich dadurch zeitweise erhöhen. Somit können bei gleichem Energieeintrag Ertragssteigerungen von bis zu sechs Prozent erzielt werden. Ein weiterer Ansatz, einen größeren Nutzen aus den Strahlen der Sonne zu ziehen, nutzt eine von Jülich patentierte Kombination aus Glas und Folie, die bis zur Hälfte der sonst benötigten Heizenergie einspart. Hierbei kommen Scheiben aus eisenarmem Solarglas zum Einsatz, dessen beidseitige Antireflexbeschichtung eine sehr hohe Lichtdurchlässigkeit bewirkt. Die Scheiben steigern die Durchlässigkeit für den Teil des Lichtspektrums, der von den Pflanzen für die Photosynthese genutzt wird, auf fast 99 Prozent. Auf diese Weise sind die Lichtbedingungen im Gewächshaus denen im Freiland sehr ähnlich. Damit härtet man Pflanzen, die später ins Freiland umgesetzt werden, bereits unter Glas ab und vermeidet Verluste durch UV-bedingte Verbrennungen. Außerdem steigert eine erhöhte Lichtdurchlässigkeit nicht nur den Ertrag, sondern auch die Qualität mancher Produkte. Eine erhöhte UV-Transparenz trägt bei einigen Kulturpflanzen zu einer erhöhten Bildung von Geschmacksstoffen bei. Eine über dem Glas aufgebrachte, luftgepolsterte Folie aus leichtem und beständigem Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE) sorgt für die Wärme-Isolierung des Gewächshauses. Liegt Schnee auf dem Gewächshaus, der das Licht behindert, kann das isolierende Luftpolster abgesaugt werden. Dadurch kann der Schnee schmelzen und das Licht wieder ungehindert einfallen. Da die Folie fast vollständig schmutzabweisend ist, sind äußere Reinigungen kaum notwendig: Etwaige Ablagerungen wäscht der Regen fast vollständig herunter.
Nicht nur Heizung kostet Energie, sondern auch die Kühlung. Auch hierfür gibt es eine Jülicher Patent-Lösung: Solar-Kamine. Die schwarzen, hohen Türme auf dem Gewächshaus nutzen den Kamineffekt, um bei Bedarf erhitzte Luft aus der Anlage nach oben abzuführen, wobei die schwarze Oberfläche den Sogeffekt verstärkt. Die nachhaltigen Gewächshauskonstruktionen des Forschungszentrums kommen mittlerweile auch in den Tropen zum Einsatz.

Bodenforschung

Immer mehr Bodenflächen werden landwirtschaftlich genutzt, nicht nur zur Erzeugung von Nahrungsmitteln, sondern auch zur Biomasseproduktion für die Rohstoff- und Energieerzeugung. Diese intensivere Landnutzung führt wie der Klimawandel zu einer Veränderung unserer terrestrischen Systeme: Pflanzenschutzmittel und Dünger hinterlassen ihre Spuren, langfristige Veränderung von Niederschlags- und Temperaturmustern durch den Klimawandel beeinflussen die Stoffflüsse in Böden nachhaltig.

Damit Böden und Trinkwasser nachhaltig geschützt werden können, müssen die Auswirkungen dieser Veränderungen auf terrestrische Systeme untersucht werden – und wie sich die Böden an neue, sich wandelnde Gegebenheiten anpassen.

Wie lange bleiben und wie verhalten sich anthropogene Stoffe, also Stoffe, die durch menschliches Handeln in den Boden gelangen? Welche Austauschprozesse finden im Kreislauf zwischen Boden, Pflanze und Atmosphäre statt?

Jülicher Wissenschaftler untersuchen diese Zusammenhänge im Labor- und im Feldmaßstab, wobei sie die im Experiment durch innovative Sensornetzwerke gewonnenen Messdaten in Modellierungen einfließen lassen, um mögliche Entwicklungen prognostizieren zu können. Ziel ist es, Empfehlungen für die ressourcenschonende Nutzung von Böden und Wasser geben zu können.
In einem Wasserwerk der Stadt Zürich (Schweiz) werden Jülicher Forschungsergebnisse bereits in einem Grundwassermodell umgesetzt: Die Qualität des Wassers wird durch eine Vielzahl von Sensoren erfasst, wobei die erhobenen Daten in Echtzeit mit Modellprognosen kombiniert werden. So kann der Eintrag von belastetem Grundwasser in Abhängigkeit von aktuellen Strömungsverhältnissen in den Brunnen gesteuert werden. Hierdurch können flexible Entscheidungen über die optimale Bewirtschaftung des Brunnenfeldes in Echtzeit getroffen werden. Der wissenschaftliche Ansatz kann auf andere Fragestellungen übertragen und angepasst werden.

Atmosphärenforschung

Der Klimawandel und der Umgang mit einer globalen Erwärmung sind gewaltige Herausforderungen des kommenden Jahrhunderts. Jülicher Wissenschaftler erforschen seit Jahrzehnten die komplexen Prozesse in der Atmosphäre, um die Chemie und die Dynamik der Luftschichten zu verstehen. Ein Ziel ist es, zu identifizieren, über welche Stellschrauben sich die Klimaerwärmung verlangsamen lässt.

So etwa im EU-Projekt PEGASOS (Pan-European-Gas-Aerosol-Climate Interaction Study): Mit 26 Partnern aus 14 europäischen Staaten sowie Israel untersuchen die Jülicher den Einfluss der Atmosphärenchemie auf den Klimawandel. Die Ergebnisse sollen die Basis für EU-weite Maßnahmen zum Klimaschutz liefern und werden auch dem Klimarat der Vereinten Nationen (IPCC) zur Verfügung gestellt. Jülicher Forscher haben dabei den größten wissenschaftlichen Einsatz eines Zeppelins NT koordiniert. Insgesamt zwanzig Wochen diente das Luftschiff als Messplattform, von der aus die Wissenschaftler die Luftzusammensetzung in unterschiedlichsten Regionen in Europa untersuchten angefangen in den Niederlanden, dann in der Po-Ebene in Italien, über der Adria und schließlich in Finnland. Der Zeppelin NT lieferte dabei erstmals umfassende Daten aus einer schwer zugänglichen Region, der so genannten planetarischen Grenzschicht, also in bis zu 2000 Metern Höhe. Genau in dieser bisher wenig untersuchten, aber chemisch sehr reaktiven Region entscheidet sich das Schicksal der meisten Schadstoffe, die an der Erdoberfläche ausgestoßen werden.

Für höher liegende Schichten der Atmosphäre nutzen die Jülicher unter anderem das neue deutsche Langstrecken-Forschungsflugzeug HALO. Es fliegt in der oberen Troposphäre bis in die untere Stratosphäre. Jülicher Wissenschaftler analysieren mit speziellen Messgeräten an Bord beispielsweise den Aufbau von sogenannten Mischphasen-Wolken. Das Verhältnis von Eiskristallen und Wasserdampf in diesen Wolken bestimmt, ob Wolken auf die Erde treffendes Sonnenlicht reflektieren oder die Wärme speichern, die von der Erdoberfläche aufsteigt. Diese Daten sind noch immer große Unbekannte in allen Klimamodellen und machen somit Prognosen ungenau.

In der oberen Stratosphäre kommen Höhenforschungsflugzeuge wie die Geophysica und spezifische Ballone zum Einsatz, etwa zur Erforschung der Ozonschicht. In einem EU-Projekt konnten die Atmosphärenforscher so den positiven Effekt des FCKW-Verbots bestätigen und neue Erkenntnisse für den Abbau von Ozon und die Entstehung von Ozonlöchern gewinnen.

Weitere globale Einblicke erhoffen sich die Forscher durch Daten, die bei internationalen Linienflügen gewonnen werden. Hier werden in Zusammenarbeit mit verschiedenen internationalen Fluggesellschaften Linienflugzeuge mit entsprechenden Sensoren für langfristige Atmosphärenbeobachtungen ausgestattet.


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