Bildung & Gesellschaft

<p>Die Diskussion um Stickoxid- wie Partikelemissionen aus Automotoren ist ideologisch aufgeladen, und die Nachteile von Elektroautos werden verdrängt, findet Thomas Koch.</p>
<p>Studenten der Ingenieurwissenschaften lernen früh, dass jede technische Lösung Vor- und Nachteile hat, selten gibt es ausschließlich positive technische Lösungen. So verhält es sich auch mit dem Verbrennungsmotor und der Elektromobilität.</p><p>Um es kurz zu machen: Die Argumente gegen den modernen Verbrennungsmotor aus Immissionsgründen sind ideologisch aufgebauscht und entbehren einer belastbaren Grundlage. Dies hat die wissenschaftliche Gesellschaft für Fahrzeugtechnik kundgetan.</p><p>Würde die gesamte Dieselflotte über die modernste und seit zwei Jahren angebotene Dieseltechnik verfügen, reduzierte sich Mikrogramm pro Kubikmeter an der höchstbelasteten Stelle in Deutschland. Das ist eine Straße, die 70 000 Fahrzeuge pro Tag befahren. Der Grenzwert liegt bei 40 Mikrogramm pro Kubikmeter, die Hintergrundbelastung liegt heute bei etwa 30 Mikrogramm pro Kubikmeter.</p><p>Anscheinend ist auch die Partikeldiskussion ideologisch beeinflusst. Aktuell werden noch Partikelfilter für Ottomotoren eingeführt. So sind Partikelzahl und -masse des gefilterten Abgases bei vielen Betriebszuständen sogar niedriger als die der Luft in belasteten Städten. Ein Fahrrad emittiert durch Felgenverschleiß etwa sechs bis zehn Mal mehr Partikelmasse als der Dieselantrieb eines Pkw – ohne Fahrzeuganteile wie Bremsstaub oder Aufwirbelungen. So ließe sich auch argumentieren, dass der öffentliche Nahverkehr gesundheitsschädlich sei. Die Partikelkonzentration in U-Bahn-Stationen etwa ist deutlich erhöht. Zudem sind hier Metallverbindungen nachweisbar, die von den Oberleitungen herrühren. Trotzdem ist der öffentliche Nahverkehr eine umweltfreundliche und weiter zu fördernde Mobilitätsvariante.</p><h2>Elektroautos haben Nachteile</h2><p>Rein batterieelektrische Fahrzeuge haben interessante Potenziale: neue Designmöglichkeiten, lautloses Anfahren, kein Öl- und Filterwechsel oder die Effizienz im Kurzstreckenbetrieb.</p><p>Jedoch stehen diesen Vorteilen zahlreiche Nachteile gegenüber: die Rohstoffabhängigkeit, die Kosten, die fehlende Infrastruktur oder auch soziale Nachteile, wenn sich nur vermögende Bürger ein Fahrzeug mit 500 Kilometer Reichweite leisten können.</p><h2>CO<sub>2</sub>-Neutralität für Verbrennungsmotoren</h2><p>Die Verbrennung im Motor muss langfristig CO<sub>2</sub>-neutral werden. Es ist daher das Ziel, den Kraftstoff selbst zu erzeugen. Wasserstoff wird mit elektrischer Energie aus Wasser gewonnen. Strukturschwache, sonnenreiche südeuropäische oder afrikanische Länder können hierfür Photovoltaik nutzen. Der Kohlenstoff kann aus der Luft oder aus CO<sub>2</sub>-Quellen stammen und mit dem Wasserstoff zu Kraftstoff umgesetzt werden. Kosten von weniger als zwei Euro pro Liter sind realisierbar. Die Infrastruktur der Städte müsste nicht mit Milliardeninvestitionen auf elektrische Ladestationen umgestellt werden. Gleichzeitig können Anteile des Überschussstroms Plugin-Hybridfahrzeuge aufladen.</p><p>Die entscheidende übergeordnete Frage lautet, wie eine dezentral im gesamten Land durch Wind, Sonne oder Wasser zur Verfügung gestellte elektrische Kilowattstunde optimal genutzt werden kann, um die CO<sub>2</sub>-Bilanz zu verbessern. Hier wäre es fahrlässig, erst den Verbrennungsmotor zu verbieten, bevor nicht alle fossilen Kraftwerke abgeschaltet und Haushaltsheizungen verboten sind. Nach einer Analyse der ETH Zürich kann durch Wärmepumpen etwa zwei bis dreimal mehr CO<sub>2</sub> reduziert werden als durch elektrisches Fahren.</p><p>Und so wird es eine Summe von Maßnahmen geben, den CO<sub>2</sub>-Ausstoß zu reduzieren. Singuläre Verbote des Verbrennungsmotors sind töricht. BB</p><p>Thomas Koch hat an der TH Karlsruhe Maschinenbau studiert und an der ETH Zürich promoviert. Nach mehrjähriger beruflicher Tätigkeit bei Daimler folgte er im Jahr 2013 dem Ruf auf eine Professur am Karlsruher Institut für Technologie, wo er das Institut für Kolbenmaschinen leitet.</p><div><img src="https://media.graphcms.com/ImS1f6xURB2oNvZRRTTF">

</div><p></p><p>„Pro und Contra“ wird von der GDCh-Sektion Seniorexperten Chemie betreut. Jörn Müller koordiniert die Beiträge.</p>

Artikel

Contra Elektroauto: Der Verbrennungsmotor ist nicht das Übel

Die Diskussion um Stickoxid- wie Partikelemissionen aus Automotoren ist ideologisch aufgeladen, und die Nachteile von Elektroautos werden verdrängt, findet Thomas Koch. Studenten der Ingenieurwissenschaften lernen früh, dass jede technische Lösung Vor- und Nachteile hat, selten gibt es ausschließ...

Prof.Dr.

<p>Schüler und Lehrer können im Chemieunterricht einfache Verfahren ausprobieren, die latente Fingerabdrücke sichtbar machen.</p>
<p>Eine Möglichkeit, Verbrecher zu überführen, ist der Vergleich von Fingerabdrücken. Wenn wir einen Gegenstand anfassen, hinterlassen wir unweigerlich einen Fingerabdruck. Ist dieser für uns nicht sichtbar, so spricht man von einem latenten Fingerabdruck.</p><p>In der Haut der Handinnenflächen und der Fußsohlen befinden sich feine Rillen, die Papillarleisten.<sup>1,2)</sup> Sie bilden sich bereits während des dritten und vierten Schwangerschaftsmonats im Mutterleib und wachsen mit dem Körper, verändern sich dabei aber nie. Selbst nach Verletzungen bilden sie sich wieder identisch nach oder es bildet sich ein charakteristisches Narbengewebe.</p><p>Sir Edward Henry entwickelte im Jahr 1897 ein System, Fingerabdrücke zu klassifizieren, das Ermittlungsbehörden bis heute anwenden. Darin sind die Muster in fünf Kategorien unterteilt: runder Bogen, spitzer Bogen, radiale Schlinge, tangentiale Schlinge und Spirale.<sup>3)</sup></p><p>Um Fingerabdrücke genauer zuordnen zu können, betrachtet man die unterschiedlichen Verzweigungen und Endungen der Papillarlinien, die Minutien. Sie erzeugen zusammen mit dem Grundmuster des Fingerabdrucks einen individuellen Verlauf und sind eindeutig einer Person zuzuordnen. Selbst eineiige Zwillinge haben unterschiedliche Fingerabdrücke.</p><p>Die Spurensicherung sucht an Tatorten immer nach latenten Fingerabdrücken. Diese gilt es zu visualisieren. Idealerweise folgt ein Abgleich mit einer Datenbank von Fingerabdrücken oder mit den verdächtigten Personen, sodass dadurch Täter bereits identifiziert werden können.</p><p>Der Fingerabdruck entsteht, da die Haut durch Talg- und Schweißdrüsen ein Gemisch aus Wasser, anorganischen Salzen, größtenteils Chloride, und organischen Bestandteilen wie Fetten, Peptiden, Aminosäuren und Harnstoff absondert. Dieses Gemisch überträgt sich bei jedem Kontakt der Finger im Muster der Papillarlinien auf berührte Objekte und hinterlässt so einen unsichtbaren Abdruck.<sup>4,5)</sup></p><p>Um latente Fingerabdrücke zu sichern, stehen Kriminologen heute mehrere Methoden zur Verfügung,<sup>6)</sup> die, je nachdem auf welcher Unterlage sich der Fingerabdruck befindet, unterschiedlich geeignet sind.</p><p>Bei nahezu allen Materialien lässt sich die Pulvermethode einsetzen. Auf glatten Oberflächen wird auch die Sekundenklebermethode (Cyanacrylsäureethylestermethode) und bei saugfähigen Unterlagen wie Papier die Iodmethode genutzt. Diese drei Methoden sollten aus gesundheitlichen Gründen in geschlossenen Systemen angewandt werden. Bei leitfähigen Spurenträgern lassen sich elektrochemische Methoden nutzen.</p><h2>Die Pulvermethode</h2><p>Der Pulvermethode liegt die Adsorption des Pulvers an den fettigen Komponenten des Fingerabdrucks zu Grunde. Daher eignen sich dafür nahezu alle feinen Pulver, also Kohlestaub, Metallpulver, Farbpulver und mehr. Dabei ist nicht nur entscheidend, wie fein das Pulver ist, es muss zudem trocken sein. Die Wahl des Pulvers hängt von der Farbe des Spurenträgers ab. Wünschenswert ist ein möglichst starker Farbkontrast, da dies die besten Ergebnisse bringt (Abbildung 1). Das Pulver wird durch Einstauben aufgebracht und überschüssiges Pulver wieder abgeklopft. Zum Einstauben eignen sich auch feine Pinsel, etwa Fiberglaspinsel oder Marabufedern, die jedoch kostspielig sind.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/3ccew43jTOeEeFMibul0"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Mit der Pulvermethode sichtbar gemacht: grünes Farbpulver unter UV-Licht auf Kupferblech (links), Kupferpulver auf Glas (Mitte) und Kurkuma auf Aluminiumblech (rechts).</figcaption></figure>
<h2>Die Cyanacrylatmethode</h2><p>Mit der Cyanacrylatmethode (Sekundenklebermethode) werden Fingerabdrücke auf chemischem Weg visualisiert. Der Sekundenkleber, in der Regel Cyanacrylsäureethylester, wird auf ein Vlies getropft, das sich am Boden der Untersuchungskammer, zum Beispiel einer leeren Tictac-Dose mit Deckel, befindet. Die Dose wird auf einer Heizplatte (mit Temperatureinstellung) auf maximal 70 °C erhitzt, damit der Kunststoffboden nicht schmilzt. Das Vlies hat eine große Oberfläche, sodass beim Erwärmen der Untersuchungskammer auf der Heizplatte der Cyanacrylsäureethylester gasförmig wird. Die Dämpfe des Cyanacrylsäureethylesters reagieren mit dem Wasser im Fingerabdruck, und es kommt zu einer anionischen Polymerisationsreaktion (Polyaddition), sodass der Fingerabdruck als weißlicher Abdruck sichtbar wird (Abbildung 2). Da die Polymerisationsreaktion an allen feuchten Stellen stattfindet, also auch auf Schleimhäuten, ist hier mit großer Vorsicht zu experimentieren.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/ygIdgq18QvWzdX8lZcN8"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Ein Fingerabdruck mit der Cyanacrylatmethode sichtbar gemacht.</figcaption></figure>
<h2>Die Iodmethode</h2><p>Für die Iodmethode eignet sich als Werkzeug eine präparierte 120-mL-Spritze aus dem medizintechnischen Sortiment, die ein Dreiwegehahn gasdicht verschließt (Abbildung 3). In die Spritze werden einige Iodkristalle sowie das Untersuchungsobjekt gegeben. Durch Anlegen eines Unterdrucks sublimiert Iod, sodass das gasförmige Iod an den fettigen Komponenten des Fingerabdrucks adsorbiert. Dadurch wird der Abdruck sichtbar und kann durch Stärkelösung fixiert werden (Abbildung 4, S. 540).</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/VL2Btk3MSQSQikuS2TPb"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Für die Iodmethode präparierte Vakuumspritze mit Dreiwegehahn.<sup>7)</sup></figcaption></figure>
<figure><img src="https://media.graphcms.com/D5mMuJTTwlAHr87DlLAk"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Ergebnisse der Iodmethode; links: ohne Stärkefixierung, rechts: mit Stärkefixierung.</figcaption></figure>
<p>Auf <a href="https://www.nachrichtenausderchemie.de" target="_blank">www.nachrichtenausderchemie.de</a> unter Downloads stehen jeweils die konkreten Versuchsdurchführungen einschließlich der Versuchsaufbauten.</p><h2>Die elektrochemische Methode</h2><p>Eine Sonderstellung nehmen Fingerabdrücke auf leitfähigen Unterlagen wie Metallen ein, also auf Messern, Schusswaffen, Türklinken oder Fenstergriffen. Sie können elektrochemisch sichtbar gemacht werden. Hier bieten Zementations- und Elektrolysereaktionen gute Voraussetzungen, Fingerabdrücke abzubilden.<sup>8,9)</sup> Nach der elektrochemischen Spannungsreihe kommen Metalle und entsprechende Metallsalzlösungen zum Einsatz, sodass ein edleres Metall sich auf einem unedleren abscheidet.</p><p>Befindet sich etwa ein latenter Fingerabdruck auf einem Eisenblech, das in eine Kupfersulfatlösung taucht, so scheidet sich Kupfer nur in den Zwischenräumen der Papillarlinien ab. Ein Fingerabdruck wird als Negativbild gut erkennbar (Abbildung 5).</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/GmEcJDbOQuNOSZlqnVrs"><figcaption><label>Abb. 5: </label>Durch Zementation visualisierte Fingerabdrücke; links: Kupferzementation auf Eisenblech, rechts: Silberzementation auf Kupferblech.</figcaption></figure>
<p>Die metallische Abscheidung findet nur an den Stellen statt, an denen Metallsalz und Metall direkt miteinander in Kontakt kommen. Die fettigen Komponenten des Fingerabdrucks verhindern dies, sie wirken als Isolator (Abbildung 6).</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/mgq7xcQg4oedIHSeGkwb"><figcaption><label>Abb. 6: </label>Metallplatte (grau) mit Fingerabdruck (blau) im Querschnitt. Links: Metallsalz wird beim Kontakt mit der Metallplatte reduziert und scheidet sich zwischen den Rückständen ab. Das abgeschiedene Metall nach einer Zementation oder Elektrolyse (Mitte) macht den Fingerabdruck sichtbar. Rechts: Wird die Reaktion nicht rechtzeitig gestoppt, überlagert die Abscheidung den Fingerabdruck, und er wird wieder unsichtbar.</figcaption></figure>
<p>Wenn eine Zementationsreaktion nicht spontan abläuft, kann sie durch Elektrolyse erzwungen werden. Somit ist es möglich, Fingerabdrücke auf nahezu jedem Metall durch Metallabscheidung sichtbar zu machen.</p><h2>Beispiel Messerklinge</h2><p>Benutzt der Täter ein Messer aus Stahl, hinterlässt er auf dessen Klinge einen latenten Fingerabdruck. Stahl besteht zum größten Teil aus Eisen, sodass sich eine Elektrolytlösung mit Kupferionen dazu eignet, den Fingerabdruck sichtbar zu machen. Die Visualisierung durch elektrolytische Abscheidung liefert in der Regel bessere Ergebnisse als die Zementation, da die Teilreaktionen der Redoxreaktion räumlich voneinander getrennt ablaufen und die Abscheidung gleichmäßiger ist.</p><p>Um einen Fingerabdruck zu visualisieren, wird das Messer in eine 0,1-molare Kupfersulfatlösung getaucht und bei zwei Volt eine Minute lang elektrolysiert. Schon nach kurzer Zeit ist ein kupferfarbener Überzug an der Messerklinge zu beobachten, und der Fingerabdruck zeigt sich (Abbildung 7, Mitte).</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/RXps4rWbR2eMNi1JEXNB"><figcaption><label>Abb. 7: </label>Elektrolytische Kupferabscheidung auf unterschiedlichen Materialien mit Fingerabdrücken; links: auf einem Schlüssel aus Stahl; Mitte: auf einem Messergriff; rechts: auf einer Patronenhülse aus Messing.</figcaption></figure>
<p>Im Unterschied zur Zementationsreaktion wird hier nicht das Eisen oxidiert, sondern der im Wasser gebundene Sauerstoff. Dies lässt sich auch an der Gasentwicklung erkennen.</p><p>Dieses Verfahren eignet sich für Gegenstände aus den unterschiedlichsten Metallen (Abbildung 7). Je nach Metall sind jeweils eine andere Elektrolytlösung und andere Reaktionsbedingungen, also Spannung und Elektrolysedauer, zu wählen.</p><p>Die Kriminaltechnik wendet solche Verfahren täglich an, und sie gehören zu den Themen, mit denen sich die klassische forensische Forschung nach wie vor intensiv befasst. Für die Auswertung der sichtbaren Fingerabdrücke gibt es entsprechende Software, zum Beispiel die Neurotec Biometric Algorithm Demo. Mit dieser Software lässt sich eine Datenbank erstellen, die Abdrücke als Bilder speichert. Die Software identifiziert die Fingerabdrücke unabhängig von der Visualisierungsmethode.</p><h2>Fazit</h2><p>Seit es Verbrechen gibt, interessieren sich Menschen für deren Aufklärung: Kriminalgeschichten und Kriminalfilme sind über alle Generationen hinweg ein beliebtes Genre. Die Verfahren zur Visualisierung von Fingerabrücken können daher Lernende im Schulunterricht dazu motivieren, sich mit chemischen und elektrochemischen Inhalten auseinanderzusetzen.</p><p>Weiterführende Informationen zu den Versuchen mit den konkreten Durchführungen einschließlich der Versuchsaufbauten stehen unter <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.nachrichtenausderchemie.de/downloads" target="_blank">www.nachrichtenausderchemie.de/downloads</a></ext-link></p><p>Die experimentell-konzeptionell ausgerichtete chemiedidaktische Forschung hat zum Ziel, zukunftsweisende Themen für Schüler im Chemieunterricht zugänglich zu machen, denn sie werden die Generation sein, die diese Entwicklungen mitgestalten und vorantreiben wird. In loser Folge stellen Forscher dazu in den Nachrichten aus der Chemie ihre Ergebnisse vor.</p><h2>Quergelesen</h2><p>Latente, also nicht sichtbare Fingerabdrücke lassen sich auf fast allen Untergründen mit einfachen Methoden sichtbar machen.</p><p>Solche Methoden funktionieren mit Stoffen wie Kurkumapulver oder Sekundenkleber, aber auch mit Kohlestaub, Metallpulver und Iod.</p><p>Eine Sonderstellung nehmen Fingerabdrücke auf leitfähigen Materialien wie Metallen ein. Um sie sichtbar zu machen, eignen sich elektrochemische Methoden.</p><p>Über spezielle Software, die Ähnlichkeiten und Unterschiede findet, lassen sich Fingerabdrücke identifizieren. Es gibt dazu verschiedene Programme, ein Datenabgleich ist oft bereits mit Demoversionen möglich.</p><h2>Vitakasten</h2><p>Isabel Rubner, Jahrgang 1970, ist akademische Oberrätin in der Abteilung Chemie der Pädagogischen Hochschule Freiburg. Sie erschließt experimentell und konzeptionell neue Themen für den Chemieunterricht, darunter erneuerbare Energien, forensische Chemie und Chemistry and Cinema. <a href="mailto:rubner@ph-freiburg.de">rubner@ph-freiburg.de</a></p><div><img src="https://media.graphcms.com/3ZWw7eedS2CPylJuhhkR">

</div><p></p><p>Rachel Fischer studierte von 2012 bis 2016 an der PH Freiburg für das Lehramt an Werkreal-, Haupt- und Realschulen in den Fächern Chemie, Mathematik und Biologie und schloss das Studium im November 2016 mit dem 1. Staatsexamen ab. Seit Februar 2017 promoviert sie im Arbeitskreis von Marco Oetken und beschäftigt sich mit Sichtbarmachung latenter Abdrücke durch elektrochemische Verfahren und metallographische Ätzverfahren. <a href="mailto:rachel.fischer@ph-freiburg.de">rachel.fischer@ph-freiburg.de</a></p><div><img src="https://media.graphcms.com/8dGrqUnTsieLIP6Yl3to">

</div><p></p><p>Marco Oetken, Jahrgang 1967, hat seit dem Jahr 2006 an der PH Freiburg einen Lehrstuhl für Chemie und ihre Didaktik inne. Seine Forschungsschwerpunkte sind die experimentelle und konzeptionelle Erschließung neuer Themenfelder für praxisorientierten Chemieunterricht, zum Beispiel Perspektiven nachhaltiger Energieversorgung. <a href="mailto:marco.oetken@ph-freiburg.de">marco.oetken@ph-freiburg.de</a></p><div><img src="https://media.graphcms.com/ifIVSJetSEmM71YK5B5w">

</div><p></p>
<ul><h2>Literatur</h2><li>
<sup>1 </sup>D. P. Lyle, „CSI-Forensik für Dummies“, Wiley-VCH, Weinheim, 2009.</li><li>
<sup>2 </sup>P. Voss-de Haan, „Physik auf der Spur. Kriminaltechnik heute“, Wiley-VCH, Weinheim, 2005.</li><li>
<sup>3 </sup>B. Innes, „Spuren am Tatort. Fingerabdrücke, Fußspuren und Reifenabdrucke“, Tosa, Wien, 2008.</li><li>
<sup>4 </sup>J. Almog. „FINGERPRINTS (DYCTYLOSCOPY) Visualization“. In: Encyclopedia of Forensic Sciences, Elsevier, 2000, 890.</li><li>
<sup>5 </sup>H. J. Kobus, K. P. Kikbride, M. A. Raymond, „Identification: Fingerprints a Key Identification Parameter – Detection, Identification and Interpretation“. In: J. Payne-James, R. W. Byard (Hrsg.). Encyclopedia of forensic and legal medicine, Elsevier, Amsterdam, 2016, 65.</li><li>
<sup>6 </sup>H. J. Bader, M. Rothweil, CHEMKON, 2003. 10 (4), 181–186.</li><li>
<sup>7 </sup>B.-H. Brand, T. Grofe, <a href="https://www.bhbrand.de/downloads/rund-ums-vakuum-i---nur-experimentiertechniken.pdf" target="_blank">www.bhbrand.de/downloads/rund-ums-vakuum-i---nur-experimentiertechniken.pdf</a> (Stand: 07.03.2018)</li><li>
<sup>8 </sup>G. Qin, M. Zhang, Y. Zhang et al., J. Electroanal. Chem. 2013, 693, 122–126.</li><li>
<sup>9 </sup>M. Zhang, X. Yu, X et al. Sci. China Chem. 2015, 58, 1200–1205.</li></ul>


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