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Kalt verbrannt
Ihr Name führt den Laien auf die falsche Fährte: ...Beim Betrieb von Brennstoffzellen wird nichts im herkömmlichen Sinne verbrannt. Was hier stattfindet, nennen Chemiker „kalte Verbrennung“. Im Automobilbereich werden Brennstoffzellen üblicherweise mit Wasserstoff betrieben, der in Verbindung mit Sauerstoff elektrische Energie freisetzt, die dann für Bewegung sorgt. Und sie arbeiten effizient und leise. Beim Fahren entstehen keine schädlichen Emissionen, nur Wasser. Deshalb sind Brennstoffzellen eine Schlüsseltechnologie für künftige Antriebsquellen im Automobilbereich.
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Brennstoffzellen in Bewegung
Was die meisten nicht wissen: Brennstoffzellen-Autos ...sind Elektroautos. Sie beziehen ihre Energie jedoch nicht primär aus Batterien (Energiespeicher), sondern aus Brennstoffzellen (Energiewandler). Diese erzeugen durch eine elektrochemische Reaktion elektrische Energie. Ihre Betankung mit Wasserstoff funktioniert ähnlich wie das herkömmliche Tanken von Benzin oder Diesel. Ergänzt wird die Brennstoffzelle durch eine Batterie, die bei hohen Motorleistungen einspringt. Die Batterie wird dabei durch die Brennstoffzelle und Bremsenergie aufgeladen. Ohne die Chemie, die viele unterschiedliche Bauteile der Brennstoffzellen beisteuert, wäre diese umweltfreundliche Antriebsquelle nicht denkbar.
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Kleiner Bus auf großer Fahrt
Der erste Einsatz eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs ...erfolgte 1966 in den USA. Allerdings blieb wegen der damals sehr großen Apparaturen nur Platz für zwei Personen – in einem Kleinbus. 35 Jahre später legte ein weiterer Kleinbus mit Brennstoffzellenantrieb und 55 kW Leistung in einem Alltagstest problemlos 16.000 Kilometer in einem Jahr zurück – bei einer Höchstgeschwindigkeit von 120 km/h. Kam der Kleinbus damals mit einer Tankfüllung Wasserstoff 150 Kilometer weit, schaffen heutige Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb über 400 Kilometer – und bieten dabei den gewohnten Pkw-Komfort.
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Die Kraft des Wassers
Nachhaltige Mobilität: Woher stammt eigentlich der ...Wasserstoff, den Brennstoffzellen-Fahrzeuge benötigen? Wasserstoff (H) ist – neben Sauerstoff (O) – ein Bestandteil des Wassers (H2O). Man gewinnt ihn mit Hilfe der Elektrolyse, bei der elektrischer Strom eine elektrochemische Reaktion auslöst: Das Wasser wird in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Allerdings verbraucht die Elektrolyse viel Strom. Ihre Klimabilanz (und damit die des Wasserstoffs) hängt folglich davon ab, wie dieser Strom gewonnen wurde. Werden regenerative Energien genutzt, ist Wasserstoff ein CO2-freier Kraftstoff, der auch CO2-los Energie liefert. Wasserstoff kann in gasförmigem Zustand auch direkt in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Entwickler konzentrieren sich aber darauf, Wasserstoff in Brennstoffzellen für den Antrieb von Elektromotoren zu nutzen.
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Potenter Energiewandler
Brennstoffzellen wandeln chemische Energie direkt in ...elektrische Energie um. Sie bestehen aus einem Minus- und einem Pluspol sowie einer Membran, die die Pole voneinander trennt. Diese zentralen Bestandteile kommen aus der Chemie. Am Minuspol wird Wasserstoff und am Pluspol Sauerstoff zugeführt. Auf beiden Seiten beschleunigt eine Katalysatorbeschichtung, zum Beispiel Platin, die elektrochemische Reaktion: Der Wasserstoff wird in positiv und negativ geladene Teilchen (Protonen und Elektronen) zerlegt. Die Protonen wandern durch die Membran zum Sauerstoff, während die Elektronen über einen elektrischen Leiter zwischen den Polen zum Pluspol wandern: Es fließt Strom. Als Nebenprodukt entsteht nichts außer Wärme und reines Wasser.
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Erfahrbare Erleichterung
Cadillac? Nein, Pedelec! Wer heute voll im Trend liegen ...will, kommt an den modernen E-Bikes nicht vorbei. Pedelecs sorgen für entspanntes Vorwärtskommen, weil ein Elektromotor den Radler beim Radeln unterstützt. Bereits in den frühen 1990er-Jahren brachte ein Schweizer Unternehmen die ersten „Pedal Electric Cycles“ auf den Markt. Doch erst Innovationen aus der Chemie ermöglichten Fortschritte in der Batterieentwicklung – und somit den Durchbruch der elektrifizierten Drahtesel. Lithium-Ionen-Batterien (LI) liefern heute Strom für Motoren mit bis zu über 1000 Watt. Dieser Batterietyp erleichtert aber nicht nur das Fahren, sondern auch das Fahrrad selbst. Vor wenigen Jahren hätte ein entsprechendes Batteriepack etwa 8–16 Kilogramm gewogen. Heute ist es dank LI-Technologie mit 2–4 Kilogramm nur noch rund ein Viertel davon.
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Clevere Fortbewegung
Elektroautos können ein großer Schritt hin zur nachhaltigen Mobilität sein. Sie arbeiten äußerst effizient, erzeugen beim Fahren kein CO2 und stecken voller Know-how aus der Chemie. Diese steuert neben gewichtsparenden Kunststoffteilen wesentliche Bauteile zur Energiequelle vieler Elektromobile bei, der Batterie. Denn erst durch Innovationen der Chemie werden Lithium-Ionen-Batterien ...(LI) so sicher und leistungsstark, dass sie einen Pkw mit ausreichender Kraft im Alltag antreiben können und somit die nachhaltige Mobilität fördern. Und falls der Batterie der Saft ausgeht, greifen ihr künftig zum Beispiel Brennstoffzellen unter die Arme.
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Für den längeren Atem
Die Reichweite eines Elektroautos ist nach wie vor ...eine der größten Herausforderungen der Elektromobilität. Nach spätestens 130 bis 150 Kilometern heißt der nächste Stopp gegenwärtig noch: Ladestation. Es sei denn, das Elektroauto hat einen „Range Extender“ („Reichweiten-Verlängerer“) an Bord, zum Beispiel eine Brennstoffzelle. Diese verwandelt in einem elektrochemischen Prozess Wasserstoff in elektrischen Strom und lädt damit die Batterie während der Fahrt kontinuierlich auf. Außerdem liefert sie in Verbindung mit sogenannten Supercaps (Hochleistungskondensatoren) den Extra-Energieschub beim Beschleunigen oder Bergauffahren. So werden noch einmal deutlich längere Distanzen möglich, und auch die Lebensdauer der Batterie an Bord verlängert sich.
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Stabil und leistungsstark
Man kennt sie aus Laptops und Handys: Lithium-Ionen-Batterien ...(LI). Auch für die Elektromobilität sind sie wegen ihrer hohen Energiedichte, ihres geringen Gewichts und der geringen Selbstentladung der Wunschkandidat Nummer eins. Knackpunkt ist jedoch die Separatorfolie aus Kunststoff, die Plus und Minus im Innern der Batterie trennt. Eine neue mit Keramik beschichtete PET-Folie erhöht die Sicherheit bei Überlastung oder im Falle eines Unfalls. Die Hightech-Folie ist stabil und robust und macht Elektroautos mit LI-Batterien deutlich sicherer. Darüber hinaus ermöglicht der Separator Tausende Ladezyklen und über 400.000 Kilometer Reichweite in einem Batterieleben.
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Abgespeckt der Sonne hinterher
Seit 1972 ist es buchstäblich leichter, das Fernweh ...durch Fernreisen zu mildern. Damals startete mit der A300 nicht nur der erste Airbus überhaupt, sondern auch die erste Passagiermaschine, in der Verbundwerkstoffe verbaut wurden. Die Hightech-Materialien sind bis zu 85 Prozent leichter als Metall, Glas oder Keramik und drücken den Kerosinverbrauch mit Leichtigkeit nach unten, während die Urlaubsstimmung steigt. 1972 machten sie etwa fünf Prozent des Airbus’ aus. Das neueste Modell, die A350 XWB, besteht schon zu mehr als der Hälfte aus den leichten und ultrastabilen Bauteilen.
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Der Lack auf Zack
Flugzeuglacke müssen extremen Anforderungen standhalten: ...Temperaturschwankungen von minus 55 bis plus 100 Grad in wenigen Minuten, Druckunterschiede, Regen, Eis und Hydrauliköle sowie immense Belastungen durch UV-Strahlen. Moderne Lacksysteme sind jedoch nicht nur extrem robust, sondern helfen auch, die Umweltbelastung im Flugverkehr zu senken. Denn Lacke, die schneller trocknen und weniger Schichten brauchen, sparen Rohstoffe und Energie. Das BaseCoat/ClearCoat System, das unter anderem beim A350 Verwendung findet, spart so beispielsweise bis zu 100 kg Gewicht – das entspricht einem Passagier. Ein weiterer Vorteil: Dank der neuen Lacksysteme müssen Flugzeuge nur noch halb so oft und mit weniger aggressiven Reinigungsmitteln gesäubert werden. Und das alles bei einer verlängerten Lebensdauer von bis zu acht Jahren.
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Fliegende Fische
Von der Natur lernen: Einige Hai-Arten erzeugen durch ...den speziellen Aufbau ihrer Haut weniger Reibung im Wasser und sparen somit Energie. Denn in ihren Schuppen verstecken sich mikroskopisch kleine Längsrillen, sogenannte Riblets, die den Strömungswiderstand verringern. Dieses Prinzip lässt sich auch auf Flugzeugbeschichtungen übertragen – der „Riblet-Effekt“ könnte in der Luftfahrt bis zu ein Prozent Treibstoff einsparen. Erste Flugzeuge mit Testflächen sind bereits im Einsatz.
