Umweltthemen gewinnen an Bedeutung

Vom Nutzen Bremer Forschung

Wissenschaftler stellen Verpackungen aus Algen her, entwickeln Verfahren, um die Anpassung von Windenergieanlagen an wechselnde Windverhältnisse zu erleichtern, und bedienen sich Vorbilder aus der Natur.
11.02.2020, 09:36
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Vom Nutzen Bremer Forschung
Von Jürgen Wendler
Vom Nutzen Bremer Forschung

Wenn Schiffe durchs Wasser gleiten, entsteht Reibung. Forscher versuchen den Widerstand mithilfe eines Effekts, der vor einigen Jahren bei Schwimmfarnen entdeckt wurde, zu verringern. Auch Bremer Experten sind daran beteiligt.

INGO WAGNER/dpa

Etwa 8000 Menschen studieren an der Hochschule Bremen, rund 3000 an der Hochschule Bremerhaven. Zu den Aufgaben beider Fachhochschulen gehört, die regionale Wirtschaft mit Fachkräften zu versorgen und Erkenntnisse zu liefern, die sich in der Praxis verwerten lassen. Die Hochschule Bremen bildet zum Beispiel Architekten, Betriebs- und Volkswirte, Ingenieure verschiedener Fachrichtungen, Informatiker, Sozialarbeiter, Freizeitwissenschaftler und Politikmanager aus, die Hochschule Bremerhaven unter anderem Gebäude- und Windenergietechniker, Lebensmittel-, Umwelt- und Produktionstechnologen. Einen Eindruck davon, welche Fragen in den beiden Einrichtungen erforscht werden, vermittelt die Ausstellung „hoch hinaus“ im Bremer Haus der Wissenschaft, Sandstr. 4/5, die am Donnerstag, 13. Februar, um 18 Uhr eröffnet wird.

In der Ausstellung werden zum Beispiel Arbeiten von Studenten vorgestellt, die sich mit Lebensmitteltrends in der Kreuzfahrtbranche und mit Möglichkeiten befassen, ursprünglich für Flüchtlinge aufgestellte Wohncontainer für andere Zwecke zu nutzen, etwa als Gründerzentrum oder Studentenwohnheim. Wie wichtig mittlerweile Umweltfragen genommen werden, verdeutlichen gleich mehrere der präsentierten Projekte. Wissenschaftler stellen Verpackungen aus Algen her, entwickeln Verfahren, um die Anpassung von Windenergieanlagen an wechselnde Windverhältnisse zu erleichtern, und bedienen sich natürlicher Vorbilder, um den Treibstoffbedarf von Schiffen zu senken.

Schiffe mit weniger Reibung

Für die Mitarbeiter des Bionik-Innovations-Centrums der Hochschule Bremen ist das Lernen von der Natur seit vielen Jahren Programm. Das Kunstwort Bionik verbindet die beiden Begriffe Biologie und Technik. Gemeinsam mit Wissenschaftlern anderer Einrichtungen, darunter die Hamburgische Schiffbau-Versuchsanstalt, das Karlsruher Institut für Technologie und das Finnische Meteorologische Institut, versuchen Bremer Bionikexperten im Rahmen eines von der Europäischen Union geförderten Projekts, den Reibungswiderstand von Schiffsrümpfen zu verringern. Das Projekt läuft unter der Kurzbezeichnung AIRCOAT. Dieser englische Begriff lässt sich mit Luftmantel übersetzen und weist damit bereits auf das zentrale Anliegen der Forscher hin.

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Die Idee, den Reibungswiderstand mithilfe einer hauchdünnen Luftschicht zu reduzieren, beruht auf dem sogenannten Salvinia-Effekt, den Professor Wilhelm Barthlott von der Universität Bonn mit seinen Mitarbeitern entdeckt hat. Bereits zuvor hatte sich der Bonner Botaniker mit seiner Erforschung des Lotuseffekts einen Namen gemacht. Dass Wasser von bestimmten Pflanzenoberflächen abperlt, hängt demnach mit winzigen Noppen zusammen, die nur einige tausendstel Millimeter voneinander entfernt sind und auf denen sich Wachse befinden. Den Salvinia-Effekt hat Barthlott zusammen mit dem Physiker Professor Thomas Schimmel vom Karlsruher Institut für Technologie eingehend erforscht.

Pflanzen dienen als Vorbild

Dem in tropischen Gebieten Amerikas heimischen Schwimmfarn Salvinia molesta und einigen vergleichbaren Pflanzen gelingt es, unter Wasser eine hauchdünne Luftschicht auf der Oberfläche ihrer Blätter zu halten – und das über Wochen. Möglich ist dies dank feiner Strukturen aus haarartigen Gebilden, die wasserabweisende (hydrophobe) Eigenschaften besitzen. Nur die Spitzen der an Schneebesen erinnernden Gebilde ziehen Wasser an, sind also hydrophil, wie Fachleute sagen. Der besondere Aufbau der Strukturen hat zur Folge, dass Luft dauerhaft zwischen den haarartigen Gebilden eingeschlossen bleibt. Die Pflanzen benötigen die Luft Expertenangaben zufolge für ihren Gasaustausch.

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Hinter den Arbeiten der Bremer Wissenschaftler und ihrer Kollegen steht das Ziel, eine Beschichtung zu entwickeln, mit der sich der Salvinia-Effekt nachahmen lässt. Das heißt: Eine stabile Luftschicht zwischen Schiffsrumpf und Wasser soll bewirken, dass weniger Reibung entsteht. Und nicht nur das: Sie soll zugleich das sogenannte Fouling, das heißt die Ansiedlung von Meeresorganismen am Rumpf, verhindern. Auch dies könnte dazu beitragen, dass weniger Kraftstoff verbraucht und weniger Abgase ausgestoßen werden. Eine Vorstellung von den Arbeiten der Forscher vermitteln bei der Ausstellung im Haus der Wissenschaft unter anderem Modelle und vergrößerte Ansichten der pflanzlichen Strukturen, die als Vorbild dienen.

Wachsende Bedeutung der Windenergie

Dass Windenergieanlagen für die Erzeugung von elektrischem Strom in Deutschland zunehmend an Bedeutung gewonnen haben, lässt sich bereits an wenigen Zahlen ablesen. Ende des Jahres 2000 standen hierzulande nach Angaben des Bundesverbandes Windenergie an Land 9359 Anlagen; Ende 2010 waren es 21 607 und Ende vergangenen Jahres 29 456. Der Anteil der Windkraft an der Stromerzeugung lag in Deutschland im Jahr 2000 bei 1,6 Prozent; 2019 betrug er 21,1 Prozent. Zur Steigerung haben auch die zahlreichen Windenergieanlagen beigetragen, die während des vergangenen Jahrzehnts im Gebiet von Nord- und Ostsee in Betrieb genommen worden sind.

Windenergieanlagen wandeln die Energie des Windes mithilfe ihres Rotors zunächst in mechanische und dann über einen Generator in elektrische Energie um. Windstärken können jedoch stark schwanken, und das bedeutet zugleich, dass unterschiedliche Kräfte auf die Rotorblätter einwirken. Ziel von Forschern ist, die Anlagen so zu gestalten, dass sie sich möglichst gut an wechselnde Bedingungen anpassen können, etwa dadurch, dass sich Rotorblätter bei Bedarf verdrehen. Ein Beitrag, um das Anpassungsvermögen zu erhöhen, ist ein vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördertes Projekt, an dem Wissenschaftler der Hochschule Bremerhaven beteiligt sind. Sie arbeiten an einem einfachen Messmodul; mit Laserhilfe werden Windstärken vor der Anlage ermittelt. Dies eröffnet die Möglichkeit, die Stellung der Rotorblätter zu verändern, bevor eine Windböe den Rotor erreicht. Besucher der Bremer Ausstellung erhalten Gelegenheit, die Funktionsweise an einem Modell interaktiv nachzuvollziehen.

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Sehr lang ist die Liste der möglichen Gründe, um sich besonders für Algen zu interessieren. Algen gehören zu den ältesten Lebewesen auf der Erde. Zusammen mit Mikroorganismen wie Bakterien besiedelten sie die Meere, lange bevor sich vor einigen Hundert Millionen Jahren die ersten Tiere entwickelten. Neben mehrzelligen gibt es Algen, die aus einer einzigen Zelle bestehen. Manche Algen sind nur wenige tausendstel Millimeter groß, andere erstrecken sich über mehrere Meter. Weil sie Photosynthese betreiben, sind Algen von herausragender Bedeutung für das Klima. Wasser und Kohlendioxid aus der Luft bilden dabei das Ausgangsmaterial, um mithilfe der Energie der Sonnenstrahlung in verschiedenen Schritten Verbindungen mit unterschiedlichen Mengen an Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatomen herzustellen, sogenannte Kohlen­hydrate. Als Abfallprodukt fällt dabei Sauerstoff an. Die bei der Photosynthese gebildeten Kohlenhydrate machen den größten Teil des biologischen Materials aus. An den mit bloßem Auge erkennbaren Makro- oder Großalgen besteht aus einer ganzen Reihe von Gründen ein wachsender Bedarf. Sie lassen sich zur Herstellung von Biotreibstoff, als Tierfutter und Dünger nutzen. Als Nahrung für Menschen dienten Makroalgen in Japan und China erwiesenermaßen schon vor etwa eineinhalb Jahrtausenden.

Algen enthalten wertvolle Stoffe

Warum der Verzehr von Algen als gesund gilt, wird schnell klar, wenn man sich ansieht, was in ihnen enthalten ist. Meeresalgen nehmen Stoffe aus dem Wasser auf – unter anderem mit der Folge, dass sich in ihnen große Mengen an Kalzium und Eisen anreichern können. Eisen ist wichtig für den Sauerstofftransport im Körper, Kalzium für die Stabilität von Knochen und Zähnen und die Reizübertragung in Nervenzellen. Auch das für die Bildung von Schilddrüsenhormonen benötigte Jod findet sich in vergleichsweise großen Mengen in Algen. Die Hormone sind an der Steuerung des Wachstums, der Knochenbildung, des Stoffwechsels und der Gehirnentwicklung beteiligt. Darüber hinaus sind Algen reich an Proteinen und Vitaminen wie A, C und E. Auch B-Vitamine einschließlich B12 sind in Algen enthalten. Sie spielen für Stoffwechselvorgänge eine wichtige Rolle.

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Mit der Idee, Algen als Verpackungsmaterial zu nutzen, haben sich seit März 2018 in einem gemeinsamen, vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft geförderten Projekt Fachleute der Hochschule Bremerhaven, des Alfred-Wegener-Instituts und einer Schnellrestaurantkette befasst. Das Ziel des als Mak-Pak bezeichneten Projekts: Verpackungen aus Makroalgen sollen für Speisen in Imbisslokalen oder für Essen zum Mitnehmen genutzt werden können. Zu den Eigenschaften des von den Experten eingesetzten Materials gehört, dass es nicht aufweicht, kompostierbar ist und sogar gegessen werden kann. In der Ausstellung im Haus der Wissenschaft sind Prototypen von Snackboxen aus Makroalgen zu sehen. Außerdem erfahren die Besucher etwas über die unterschiedlichen Stufen der Verarbeitung von Makroalgen.

Selbst für den Fall, dass sich Verpackungen aus Makroalgen nicht irgendwann durchsetzen sollten: Aus dem alltäglichen Leben von Verbrauchern sind Algen schon lange nicht mehr wegzudenken. Große wirtschaftliche Bedeutung besitzen die sogenannten Alginate, langkettige Kohlenhydrate, die aus getrockneten Algen gewonnen werden. Sie sind in Zahnpasta ebenso zu finden wie in Salben und Kapseln. Darüber hinaus werden sie als Klebstoff in der Chirurgie verwendet und von Zahnmedizinern genutzt, wenn es gilt, einen Abdruck von Zähnen zu erhalten. Auch in zahlreichen Lebensmitteln sind Alginate enthalten, so beispielsweise in Mayonnaise, Schlagsahne, Pudding, Suppen und Margarine.

Weitere Informationen

Die Ausstellung „hoch hinaus“ im Haus der Wissenschaft, Sandstr. 4/5, dauert bis zum 13. Juni. Das Haus ist montags bis freitags von 10 bis 19 und sonnabends von 10 bis 14 Uhr geöffnet.

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