Bildung + Gesellschaft

Prof.Dr.Dr.-Ing.E.h.

Weil Wasserstoff ein hervorragender Treibstoff ist, werden synthetische Kraftstoffe, auch E-Fuels genannt, bestenfalls Nischenanwendungen erobern.
Motiviert vom notwendigen Streben nach Klimaneutralität in allen Sektoren erlebt die Idee der synthetischen Kraftstoffe, auch E-Fuels genannt, einen Hype und lässt viele Chemikerherzen höher schlagen. Gern wird darauf verwiesen, dass wichtige Verkehrsmittel wie Flugzeuge und Schiffe und auch Lkw und Busse weiterhin flüssige Kraftstoffe erfordern werden. Doch wie realistisch ist dies? Die besten Chancen liegen vielleicht im Flugverkehr. Grundsätzlich sind vor der Nutzung von E-Fuels mindestens zwei Hürden zu überwinden:Ökologisch vertretbar ist der Einsatz von E-Fuels nur, wenn sie aus Wasserstoff, der mit Ökostrom durch Wasserelektrolyse oder durch Methanspaltung und Endlagerung von Kohlenstoff gewonnen wird, und CO2 aus der Luft erzeugt werden. Die Rückholkosten für CO2 liegen allerdings je nach Verfahren bei rund 400 Euro pro Tonne CO2. Das führt zu ziemlich hohen Gesamtkosten. Zumindest ein Teil des Bedarfs könnte allerdings kostengünstiger durch Verwertung von Agrarabfällen gedeckt werden.Der als Vorstufe benötigte Wasserstoff ist bereits ein hervorragender Treibstoff, was die Befürworter von E-Fuels gerne übersehen. Wasserstoff eignet sich grundsätzlich für alle oben genannten Mobilitätsformen. Airbus arbeitet an einem Wasserstoffflugzeug. Ein solches wurde bereits in den 1990ern vom russischen Flugzeughersteller Tupolew erfolgreich getestet. Für den Schiffsverkehr wäre Wasserstoff ein unbedenklicher Kraftstoff. Brennstoffzellenzüge verkehren auch bei uns schon auf nicht elektrifizierten Strecken. Im Bus- und Lkw-Verkehr ist der Brennstoffzellenantrieb weit fortgeschritten. Leider liegt die Technologieführerschaft noch in China, aber das wird sich hoffentlich bald ändern. Auch Verbrennungsmotoren mit Wasserstoff wurden erfolgreich in den 1990ern erprobt.Im Vergleich zur wasserstoffbasierten Mobilität sind E-Fuels grundsätzlich mit zusätzlichen Kosten, weiteren Prozessschritten und damit weiteren Wirkungsgradverlusten verbunden.Manche Verfechter der E-Fuels sehen in ihnen eine Übergangstechnologie, so lange noch CO2 aus der Verbrennung fossilen Kohlenstoffs verfügbar ist. Das ist nicht akzeptabel, denn das CO2 wird einfach nur verzögert, also nach einem weiteren Nutzungsschritt freigesetzt und konterkariert den Klimaschutz. E-Fuels dürfen nicht dazu missbraucht werden, auch nur eine einzige Tonne fossiles Kohlendioxid in die Atmosphäre gelangen zu lassen. Ökologisch ist das zwingend und technisch machbar. Für Lobbyisten und Teile der Politik ist die Versuchung groß, mit E-Fuels das Aus für Verbrennungsmotoren zu verzögern.Selbst die Verfügbarkeit von CO2 aus der Luft ist nicht auf Dauer gesichert. Wenn wir in ein oder zwei Jahrzehnten das CO2-Budget für das Pariser 1,5-Grad-Ziel überschritten haben, könnte eine Situation eintreten, in der zurückgeholtes CO2 nicht mehr emittiert werden darf, sondern entsorgt werden muss.Die fossilen Energiepfade sind allerdings immer teurer als alle E-Fuels. Betrachtungen alternativer Energien beziehen stets alle Kosten mit ein, also auch die Rückholung von CO2 aus der Atmosphäre. Fossile Energiepfade werden dagegen nie klimaneutral gerechnet, sondern die Ewigkeitskosten (darunter Rückholung des CO2 und seine Entsorgung) werden unterschlagen und unseren Enkeln vor die Füße geworfen. Juristen würden diese Praxis mit Recht als unlauteren Wettbewerb brandmarken.Ich will nicht schließen ohne ein Argument für E-Fuels: Kaum vermeidbares CO2 aus der Zementproduktion ließe sich vielleicht für E-Kerosin im Flugverkehr nutzen.<h2>Der Autor</h2>Gerhard Kreysa war Geschäftsführer der Dechema und lehrte als apl. Professor technische Elektrochemie an den Universitäten Dortmund und Regensburg. Er ist unter anderem Mitglied der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Initiative Hessen und der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften.<div><img src="https://media.graphcms.com/BcNywXSzykJewUTjM0Zw">

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Contra: E‐Fuels

Weil Wasserstoff ein hervorragender Treibstoff ist, werden synthetische Kraftstoffe, auch E-Fuels genannt, bestenfalls Nischenanwendungen erobern. Motiviert vom notwendigen Streben nach Klimaneutralität in allen Sektoren erlebt die Idee der synthetischen Kraftstoffe, auch E-Fuels genannt, einen H...

Moleküle in den Händen halten, und das fast ohne Hardware: Ein Projekt der Freien Universität Berlin macht Chemie erfassbar.
Eine der Schwierigkeiten im Chemieunterricht und -studium ist, die räumliche Anordnung von Atomen, Ionen und Molekülen zu vermitteln. Von einfachen organischen Verbindungen mit Bindungszahlen und Geometrien bis zu periodischen Anordnungen im Festkörper – die Kenntnis von Strukturen ist essenziell. Chemische Strukturen werden oft zweidimensional dargestellt, etwa auf Tafelbildern oder Folien. Die tatsächliche dreidimensionale Struktur muss hierbei abstrahiert werden, was abhängig vom individuellen räumlichen Vorstellungsvermögen der Schüler:innen oder Studierenden mehr oder weniger gut gelingt. Neue Techniken und Methoden, vor allem digitale, vermitteln solche Strukturen heute interaktiver, ansprechender und verständlicher.<h2>Datenbanken und Modelle</h2>Als Ergänzung zum zweidimensionalen Tafelbild eignen sich beispielsweise browserbasierte Datenbanken zur dreidimensionalen Visualisierung: Wissenschaftliche Datenbanken wie die Cambridge Structural Database1) und die Inorganic Crystal Structure Database2) bieten ein Fülle von Verbindungen, sind jedoch nicht frei verfügbar oder nicht didaktisch aufbereitet. Demgegenüber stehen Einzelprojekte, die kostenlose Darstellungen bestimmter Stoffgruppen oder Aspekte didaktisch wertvoll herausgearbeitet haben. Beispiele hierfür sind die Webseite Symmetry@Otterbein3) und die Vorlesungsunterlagen der Arbeitsgruppe um Caroline Röhr an der Universität Freiburg.4)Solche Ressourcen eignen sich vor allem für Studierende, die eigenständig spezifische Lehrinhalte erarbeiten, wiederholen und nachschlagen möchten. Die Einsatzmöglichkeit der Software im Unterricht oder in Vorlesungen ist hingegen begrenzt.Komplizierte chemische Modelle werden stattdessen häufig mit physischen Modellen visualisiert, sei es aus der hauseigenen Struktursammlung, mit Molekülbaukästen oder Knetmodellen. Diese Modelle, die durch die Reihen gereicht werden, sind anschaulich, unterbrechen aber unweigerlich den Unterrichts- oder Vorlesungsfluss. Hinzu kommt: Bei größeren Kursen wird der Lehrinhalt meist fortgesetzt, bevor alle Teilnehmer:innen das Modell in den Händen hatten. So wird nicht selten bereits ein neues Thema angesprochen, bevor das Modell den oder die Letzte erreicht hat. Auch entfällt mit dieser Art von Modellen die Möglichkeit, den Stoff individuell nachzubereiten, denn die Modelle sind nicht allgemein zugänglich, oder die Lernenden müssen sie erst kaufen.<h2>Einer für alles</h2>Wir haben mit Augmented Reality eine Darstellungsmethode konzipiert, die in einer Lehrveranstaltung alle gleichzeitig betrachten und erfassen können. Das Prinzip ist vergleichsweise einfach: Die Smartphones oder Tablets der Schüler:innen oder der Studierenden projizieren ein virtuelles Objekt – etwa ein Molekül oder eine Orbitaldarstellung – auf einen Würfel, den es zu kaufen oder als Bastelvorlage zum Ausdrucken gibt. Die Kamera im Gerät bildet dabei parallel durchgehend die Umgebung ab.5) Die Projektion simuliert die Haptik eines analogen Modells, indem jede Bewegung des Würfels auf das projizierte Modell auf der Anzeige des mobilen Geräts übertragen wird (Abbildung links).<figure><img src="https://media.graphcms.com/noWAi2hmSFkmkkfgq0sA"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Kommerzieller Würfel als Projektionsfläche für das virtuelle Modell. Darstellung einer metallorganischen Gerüstverbindung via Augmented Reality mit zwei Ausrichtungen des Würfels (Bildschirmfotos der Darstellung auf dem Smartphone).</figcaption></figure>
Den meisten Schüler:innen und Studierendenen ist die Nutzung des Smartphones für AR-Anwendungen durch Spiele wie Pokémon Go6) oder Minecraft Earth7) vertraut. Die von uns zur Projektion eingesetzte Applikation Object Viewer ist für alle gängigen Betriebssysteme kostenfrei verfügbar.8)Eine Reihe vorgefertigter Objekte lässt sich über die Eingabe eines spezifischen Object Codes laden, über das Scannen eines QR-Codes oder über einen Internetverweis aufgerufen im Object Viewer. Eine Liste dieser Object Codes, Verweise und QR-Codes aller von uns aufbereiteten Objekte – etwa einiger Aristotypen der Strukturchemie, Element- und Orbitaldarstellungen, Beispiele für Isomerien und Mineralien – sind online frei zugänglich einseh- und nutzbar. Einen Ausschnitt dieser AR-Strukturdatenbank zeigt die Abbildung oben.9) Die Einträge in dieser Datenbank werden kontinuierlich ergänzt. Aber auch die Nutzer:innen selbst können in wenigen Schritten eigene Modelle erzeugen, beispielsweise ausgehend von einer im Experiment erhaltenen Kristallstruktur oder einer quantenchemischen Rechnung, und diese mit anderen teilen.10)<figure><img src="https://media.graphcms.com/g15N8nYXQDyLy7giRcpQ"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Auszug aus der Augmented-Reality-Strukturdatenbank.9) Erste Spalte: Strukturtyp (in der Datenbank verknüpft als .zip-Datei). Zweite Spalte: 3-D-Modelle (Mitte), in der Datenbank verknüpft im .obj-Format; links: QR-Codes zur browserbasierten Darstellung; rechts: Object Codes zur Betrachtung im Object Viewer. Dritte Spalte: Publikationen, in denen der Strukturtyp erstmals genannt wird, in der Datenbank ebenfalls verknüpft.</figcaption></figure>
<h2>Ein Computer reicht auch</h2>Durch die Kombination aus Würfel und Augmented Reality können alle in einer Lerngruppe unabhängig von deren Größe gleichzeitig und individuell unterschiedliche Strukturen betrachten. Für Schüler:innen und Student:innen ohne eigenes Smartphone oder Tablet ist Gruppenarbeit sinnvoll. Zusätzlich sind für alle von uns bereitgestellten Objekte browserbasierte Darstellungen implementiert und in der Datenbank zugänglich. Diese Darstellungsvariante erfordert keine physische Projektionsfläche, und die Struktur lässt sich mit gängigen Maus- oder Wischgesten bewegen. Geschieht die browserbasierte Betrachtung mit einem AR-unterstützenden Gerät, so erscheint eine AR-Funktion. Diese erlaubt, die Struktur im realen Raum zu platzieren und anschließend mit ihr zu interagieren (Abbildung links).<figure><img src="https://media.graphcms.com/af9x6HHHTRSbjvymOqx7"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Browserbasierte Augmented-Reality-Darstellung von ReO3, projiziert vor die „Holzlaube“ der Freien Universität Berlin.11)</figcaption></figure>
Diese interaktiven Strukturdarstellungen haben sich besonders im virtuellen Semester während der Covid-19-Pandemie als praktikabel erwiesen. In einer Strukturchemievorlesung wurde zu Beginn des Semesters zunächst erklärt, wie der Object Viewer zu installieren und der Projektionswürfel herzustellen ist. Anschließend ging es um die Darstellungsmöglichkeiten der Strukturdatenbank.Während der Vorlesung erhielten die Zuhörenden die Object Codes und Internetadressen und konnten wählen, ob sie die Strukturen als AR oder im Browser betrachten. Dies gewährleistet, dass sich die behandelten Strukturen auch ohne Projektionswürfel individuell studieren lassen.Wie die Rückmeldungen am Ende des Semesters zeigen, beeinflussten die neuen Darstellungsmethoden die Lernerfolge positiv. 92 Prozent der Befragten wünschten sich, dass diese Darstellungsform ausgeweitet und in weitere Vorlesungen integriert wird.10)Derzeit erweitern wir die verfügbaren Modelle und arbeiten gleichzeitig daran, die Objektdateien als 3-D-gedruckte Modelle allen Kursteilnehmer:innen zugänglich zu machen.<h2>INFO: Ausgezeichnete Lehre</h2>Für das hier vorgestellte Projekt erhielt Initiator Günther Thiele im Jahr 2020 den Fulbright Cottrell Award. Diesen verleiht die amerikanische Research Corporation for Science Advancement seit 1994 als Cottrell Scholars Award an Nachwuchswissenschaftler:innen aus Chemie, Physik und Astronomie in Nordamerika, seit 2016 als Fulbright Cottrell Award auch in Deutschland. Ausgezeichnet wird neben exzellenter Forschung insbesondere die Verknüpfung mit herausragender Lehre. Die Preisträger:innen erhalten 63 000 Euro für ein dreijähriges Lehr- und Forschungsprojekt sowie Zugang zu Konferenzen und Netzwerken, um sich in der internationalen Wissenschaftslandschaft zu etablieren.<h2>Die Autoren</h2>Clara Adele von Randow promoviert derzeit an der Universität Oxford als Mitglied des EPSRC-Graduiertenkollegs Oxford Inorganic Chemistry for Future Manufacturing in der Arbeitsgruppe von Nicola Farrer. Sie studierte an der Freien Universität (FU) Berlin, wo sie die Arbeitsgruppe von Günther Thiele bei Synthese und Kristallisation metallfreier Elektride als Gastwissenschaftlerin unterstützt.<div><img src="https://media.graphcms.com/ML3VLYQNQwKNUTbeO6My">

</div>Jonas Rachid Schmid arbeitet seit 2020 an seiner Promotion in der Arbeitsgruppe Hasenstab-Riedel innerhalb eines ERC geförderten Projekts, bei dem er sich mit neuen ionischen Ozoniden als Oxidationsmittel beschäftigt. Er erlangte seinen Bachelor und Master of Science in Chemie an der FU Berlin.<div><img src="https://media.graphcms.com/Ens8q1VQNe8DjFV5HqLo">

</div><h2>AUF EINEN BLICK</h2>Augmented Reality erleichtert es, die räumliche Anordnung von Atomen, Ionen und Molekülen zu vermitteln und zu verstehen.Was dazu außer einem Smartphone oder einem Computer nötig ist, lässt sich basteln.Ein Team der FU Berlin stellt eine Datenbank mit etlichen Verbindungen zur Verfügung. Diese wird ständig erweitert.
<ul class="references"><li>
1 C. R. Groom, I. J. Bruno, M. P. Lightfoot, S. C. Ward, Acta Cryst. B 2016, 72, 171–179</li><li>
2 I. Brown, D. Altermatt, Acta Cryst. B: Struct. Sci. 1985, 41, 244–247</li><li>
3 Otterbein Universität, Symmetry@Otterbein <a href="http://faculty.otterbein.edu/djohnston/sym/" target="_blank">http://faculty.otterbein.edu/djohnston/sym/</a> (letzter Zugriff 27.02.2021)</li><li>
4 Universität Freiburg, Vorlesungsunterlagen der Arbeitsgruppe Caroline Röhr. <a href="http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/" target="_blank">http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/</a> (letzter Zugriff 28.01.2021)</li><li>
5 Projektionswürfel: <a href="https://mergeedu.com/download/file.php?f=paper-merge-cube.pdf" target="_blank">https://mergeedu.com/download/file.php?f=paper-merge-cube.pdf</a> (letzter Zugriff 27.02.2021)</li><li>
6 Pokémon Go: <a href="https://pokemongolive.com/de/" target="_blank">https://pokemongolive.com/de/</a> (letzter Zugriff 27.02.2021)</li><li>
7 Minecraft Earth: <a href="https://www.minecraft.net/de-de/article/minecraft-earth-coming-end" target="_blank">www.minecraft.net/de-de/article/minecraft-earth-coming-end</a> (letzter Zugriff 27.02.2021)</li><li>
8 Merge Object Viewer:<a href="https://play.google.com/store/apps/details?id=com.MergeCube.ObjectViewer" target="_blank">https://play.google.com/store/apps/details?id=com.MergeCube.ObjectViewer</a> (letzter Zugriff 27.02.2021); <a href="https://apps.apple.com/de/app/object-viewer-for-merge-cube/id1367544362" target="_blank">https://apps.apple.com/de/app/object-viewer-for-merge-cube/id1367544362</a> (letzter Zugriff 27.02.2021); <a href="https://www.microsoft.com/de-de/p/merge-object-viewer/9n1hmcnbln0n" target="_blank">www.microsoft.com/de-de/p/merge-object-viewer/9n1hmcnbln0n</a> (letzter Zugriff 27.02.2021)</li><li>
9 Freie Universität Berlin, AR-Strukturdatenbank <a href="https://www.bcp.fu-berlin.de/chemie/chemie/forschung/InorgChem/agthiele/Augmented-Reality/Strukturdatenbank.html" target="_blank">www.bcp.fu-berlin.de/chemie/chemie/forschung/InorgChem/agthiele/Augmented-Reality/Strukturdatenbank.html</a> (letzter Zugriff 27.02.2021)</li><li>
10 J. R. Schmid, M. J. Ernst, G. Thiele, J. Chem. Educ. 2020, 97, 4515–4519</li><li>
11 Browser-basierte Darstellung: <a href="https://p3d.in/72Dqi" target="_blank">https://p3d.in/72Dqi</a> (letzter Zugriff 27.02.2021)</li></ul>

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