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Editorial 2016-1

Liebe Leserin, lieber Leser!

Mit dem Frühling erwacht auch das Interesse an der Natur wieder, nicht wahr? Und so dürfen wir Dir in dieser sechsten Ausgabe von YOUNG SCIENCE eine bunte Mischung aus allen Naturwissenschaften präsentieren.

Stefanie Paller erklärt uns, wie organische Solarzellen funktionieren und warum an ihnen gerade so heiß geforscht wird. Die Autorin ließ es sich nicht nehmen, dafür selber ins Labor zu gehen.

Sunny Laddha hat ebenfalls experimentiert. Sein Interesse galt Teilchen, die man nicht sehen kann – die auf der Erde jedoch eine ganze Menge Schaden anrichten können: die Weltraumstrahlung.

David Hubner blieb lieber zuhause – dafür holte er sich die Tropen in sein Wohnzimmer. Leider hat er nicht verraten, ob seine Eltern die bunten Pfeilgiftfrösche auch so mögen wie er…

Karin Traxler mag es ebenfalls bunt – nicht aber auf der Haut. Sie warnt uns in ihrem Text vor der Chemikalie Paraphenylendiamin. Sie ist in manchen Tattoos und Haarfarben enthalten.

Schließlich untersuchte eine Gruppe Vorarlberger SchülerInnen, wie sich das Holz von Bäumen in unterschiedlichen Höhenlagen verändert. Wie ein Specht bohrten sie dafür Löcher in die Stämme.

Und Clara Deifel fragt sich, ob die Halligen wohl den Klimawandel überstehen werden.

Dank der Kooperation mit dem Landesschulrat Vorarlberg dürfen wir nunmehr ein fünftes Bundesland in unseren Reihen begrüßen. Ein herzliches „Zeawas!“ an das nordwestlichste Land Österreichs! Großer Dank gilt unseren finanziellen Partnern, die uns mit Werbung oder als Sponsoren unterstützen und Dir damit dieses Leseerlebnis ermöglichen, ebenso den Landesschulräten Steiermark, Kärnten, Burgenland, Salzburg und Vorarlberg für die Verteilung von YOUNG SCIENCE.

Und schließlich: Herzlichen Dank an alle LehrerInnen, die beim Schreiben geholfen haben.

Und? Hat es Dich gepackt? Wir freuen uns immer über Artikel, Kartoons, Rätsel, Zeichnungen oder Interviews aus der weiten Welt der Wissenschaft. Aufgrund der Unterstützung durch die 7.fakultät der Universität Graz können
wir jeden Beitrag mit einem Buchgutschein belohnen.

Dein Uwe Simon

In den Baum geschaut

Holz ist für uns Menschen wichtig, zum Beispiel als Baumaterial und Rohstoff. Der Baum produziert Holz aber nicht für uns, sondern für den Transport von Wasser und seine mechanische Stabilität. Im Projekt „Woody Woodpecker“ hat eine Gruppe von SchülerInnen des Sportgymnasiums Dornbirn in Zusammenarbeit mit der Universität Innsbruck das Holz von Bäumen aus unterschiedlichen Höhenlagen analysiert.

Abb 1

Abbildung 1 Entnahme eines Bohrkerns mittels Zuwachsbohrer bei einer Fichte in Wald am Arlberg

Noch ein paar Umdrehungen, dann ist es geschafft! Es ist ganz schön anstrengend, einen Zuwachsbohrer in den Stamm einer lebenden Fichte zu treiben – besonders dann, wenn dutzende Bäume an einem Tag angebohrt werden müssen und man die richtige Bohrtechnik gerade erst erlernt hat. Wir befinden uns in einem Hang in Wald am Arlberg, um mit diesen Bohrern Bohrkerne zu entnehmen. An denen wird später die  mikroskopische Struktur des Holzes untersucht. Jeder Bohrkern wird sorgfältig verpackt, bevor wir  die nächste Fichte für unser Forschungsprojekt „Woody Woodpecker“ anbohren. Wir vermuten nämlich, dass bei den weiter oben wachsenden Fichten nicht nur die Jahrringe, sondern auch die Zellen im Holz kleiner sind. Dieses Sparkling Science Projekt wird von Professor Stefan Mayr gemeinsam mit 13 SchülerInnen der 7. Klassen des BORG Dornbirn und ihrem Biologielehrer  Gerhard Purin durchgeführt. Stefan Mayr arbeitet am Institut für Botanik der Universität Innsbruck und beschäftigt sich schon seit langem mit unterschiedlichen Forschungsfragen rund um Bäume [1,2]. Die Projektidee basiert auf einigen Vorprojekten, die gezeigt haben, dass das Holz für den Baum mehrere wichtige Funktionen erfüllt. So sorgt es für Stabilität, und in ihm findet der Wassertransport statt [3,4 ].

Da das Wachstum von Bäumen auch von der Höhenlage beeinflusst wird [5], ergab sich die Frage, ob sich die Strukturen des Holzes mit der Höhe verändern – etwa durch Anpassung oder durch eine Wachstumslimitierung. Da es sehr wenige Untersuchungen zu diesem Thema gibt, soll dieses Projekt mehr über mögliche Veränderung des Holzes mit zunehmender Höhenlage in Erfahrung bringen. Um die Baumstruktur analysieren zu können, nahmen wir im September 2014 Proben von Bäumen unterschiedlicher Höhenlagen. Solche Proben werden mittels eines so genannten Zuwachsbohrers gezogen (Abb. 1). Dabei ist zu beachten, dass der Bohrer in Brusthöhe angesetzt wird und möglichst waagerecht zum Baummittelpunkt gebohrt wird. Durch vorsichtiges Herausziehen des Bohrers kann der Bohrkern entnommen werden. Die angebohrten Bäume waren Fichten von verschiedenen Höhenregionen über 1000 Metern. Die Fichte ist ein wichtiger Forstbaum in mittleren und höheren Lagen und deshalb auch wichtig für unser Projekt.

Abb 2

Abbildung 2 Mikrotom zur Herstellung mikroskopischer Schnitte

Aus den Proben fertigten wir mit Hilfe eines Mikrotoms (Abb. 2) mikroskopische Schnitte an. Mit dem Mikrotom können sehr dünne und gerade Schnitte von Holz angefertigt werden. Diese Schnitte werden gefärbt, um den Kontrast zu verbessern. Dazu werden sie kurz in Etzold-Lösung eingelegt, was zu einer intensiv roten Färbung der verholzten Bereiche führt. Anschließend werden die Schnitte unter dem Mikroskop betrachtet und Fotos angefertigt. An den digitalisierten Fotos der Schnitte werden mit einer Bildbearbeitungssoftware die Durchmesser der Leitelemente vermessen und der durchschnittliche Durchmesser berechnet.

 

Abb 3_1096m

Abbildung 3a Querschnitt aus dem Holz einer Fichte aus 1096m Seehöhe. Die Schnitte wurden eingefärbt, so dass alle verholzten Teile rot erscheinen. Ungefärbt sind die Hohlräume in den Leitelementen, in denen das Wasser transportiert wird. An der Oberseite des Bildes befindet sich eine Jahresringgrenze.

Abb 3_1780m

Abbildung 3b Querschnitt aus dem Holz einer Fichte aus 1780m Seehöhe. Die Schnitte wurden eingefärbt, so dass alle verholzten Teile rot erscheinen. Ungefärbt sind die Hohlräume in den Leitelementen, in denen das Wasser transportiert wird. An der Oberseite des Bildes befindet sich eine Jahresringgrenze.

 

ERGEBNISSE

Betrachtet man den Querschnitt eines Nadelholzes im Mikroskop, kann man erkennen, dass Holz vorwiegend aus Leitelementen besteht. Ein Querschnitt zeigt die Leitelemente so, wie wenn man ein Bündel von Strohhalmen von oben anschaut. Die hellen Bereiche sind die Hohlräume, durch welche das Wasser zu den Blättern fließt. Die mit Etzold-Lösung rot gefärbten Teile sind die Zellwände der Leitelemente (Abb. 3). Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die Höhenlage keinen wesentlichen Einfluss auf den Durchmesser der Leitelemente im Holz hat. Obwohl die Bäume in höheren Lagen insgesamt langsamer wachsen, bleibt die Größe der Leitelemente konstant (Abb. 3, 4). Offensichtlich ist eine gewisse Größe der Leitelemente notwendig, um das Wasser optimal transportieren zu können. Dagegen hat sich auch gezeigt, dass die Wanddicke der Leitelemente mit zunehmender Höhe abnimmt. Möglicherweise können die weiter oben wachsenden Bäume wegen des kürzeren Sommers keine dicken Zellwände ausbilden. Das würde sich aber auch negativ auf die mechanische Stabilität des Baumstammes auswirken. Hierzu wären weitere Untersuchungen notwendig.

Abb 4

Abbildung 4 Durchschnittliche Durchmesser der Leitelemente im Holz von Fichten aus 1096m und 1780m Seehöhe. Die Balken zeigen den Mittelwert der Durchmesser aller Leitelemente in den mikroskopischen Schnitten.

 

 

INTERVIEWS

Das Forschungsprojekt scheint inhaltlich auf einem guten Weg zu sein. Wie geht es jenen, die am Projekt beteiligt sind? Hier arbeiten  WissenschaftlerInnen mit SchülerInnen und LehrerInnen zusammen – eine Zusammensetzung, die in der Forschung nicht alltäglich ist. Deshalb haben wir Vertreter der drei Forschungsgruppen in Interviews befragt: Professor Stefan Mayr, Lehrer Gerhard Purin und Schüler Felix Gurschler.

 

Forschungsteam: Herr Prof. Mayr, warum wollten Sie dieses Projekt gerade mit SchülerInnen machen und wie zufrieden sind Sie mit den Projektergebnissen bis jetzt?

Mayr: Es macht immer großen Spaß mit jungen, interessierten Leuten Forschung zu betreiben. Eine wichtige Voraussetzung für dieses Projekt war, dass die geplanten Untersuchungen mit der Ausstattung von Schulen durchführbar sind und die SchülerInnen tatsächlich in die Forschungsarbeiten eingebunden werden können. Sie sind nun von der Probenentnahme über die Probenanalyse bis zur Auswertung beim ganzen Projekt beteiligt und können so auch die Früchte ihrer Arbeit ernten. Aufgrund unserer Voruntersuchungen gab es bereits Hinweise, dass keine großen Veränderungen in den Dimensionen der Leitelemente zu finden sind, was sich nun mehr oder weniger bestätigt hat. Ich finde es aber sehr erstaunlich, dass die Zellen mit Ansteigen der Höhe gleich groß bleiben, obwohl die Jahrringe deutlich schmäler werden – das belegt, dass die Dimensionen der Leitelemente für die Funktion des Holzes sehr wichtig sind!

 

Forschungsteam: Herr Mag. Purin ist Biologielehrer am BORG Dornbirn. Er hat selber in einem Forschungsprojekt über alpine Bäume bei seiner Diplomarbeit gearbeitet und war deshalb begeistert, als Professor Mayr ihn gefragt hat, ob er mit seinen SchülerInnen mitmachen möchte.

Purin: Ich finde die Möglichkeit, als Schule mit einer Universität zusammen zu arbeiten und die damit verbundene Möglichkeit für die  SchülerInnen, mit richtigen WissenschaftlerInnen zu forschen und ihre Arbeitsweise kennen zu lernen, sehr interessant. Noch spannender ist die Tatsache, dass es sich um ein reales wissenschaftliches Projekt handelt. Für mich ist besonders wichtig, gemeinsam mit SchülerInnen zu erleben, wie Wissenschaft abläuft – von der Planung bis zur Durchführung und der Interpretation der Ergebnisse.

Ich denke, dass das Projekt im letzten Jahr für die SchülerInnen aber auch für mich viele Höhepunkte geboten hat, vor allem bei den  praktischen Tätigkeiten, die wir gemeinsam mit den WissenschaftlerInnen durchgeführt haben. Im Kopf habe ich aber bereits einige Dinge, die ich im kommenden Jahr adaptieren möchte: Wissenschaft ist Knochenarbeit und braucht einen langen Atem. Auch das ist Teil des  Lernprozesses. Im Laufe des Jahres habe ich bemerkt, dass es für meine SchülerInnen schwer ist, ihre Motivation und Begeisterung über ein ganzes Schuljahr aufrecht zu halten. Ich denke, beim nächsten Projekt bzw. im nächsten Jahr sollte man die Laufzeit jeweils auf ein Halbjahr beschränken.

 

Forschungsteam: Felix war so wie die anderen SchülerInnen von der Probenentnahme bis zur Auswertung dabei und spricht stellvertretend für uns.

Felix: Ich bin sehr zufrieden – vor allem hat mir gefallen, einen Einblick in das Uni-Leben und das wissenschaftliche Arbeiten zu bekommen. Die Geräte wurden uns von unserem Professor sehr gut erklärt und vorgeführt, weshalb es mir nicht schwer gefallen ist, mit den Geräten zu arbeiten und Ergebnisse zu erzielen. Am besten hat mir gefallen, dass wir die Möglichkeit hatten, in die Natur zu gehen und einmal einen ganz anderen Unterricht zu erleben.

Lernen in der Natur hat für mich einen besonderen Reiz, da man sich das Gelernte viel besser merken kann, wenn man es auch selber ausprobiert hat. Die Ergebnisse des Projekts zeigen, dass die Zusammenarbeit zwischen SchülerInnen, Lehrer, und ForscherInnen sehr gut funktioniert. Wir haben aber auch gelernt, dass die Forschungsarbeit sehr anstrengend sein kann.

 

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Abbildung 5 Das Forschungsteam: SchülerInnen, Lehrer, WissenschaftlerInnen und eine Zirbe.

 

Fotos AutorInnen

Here comes the sun!

Every day, we face the possibly greatest energy machine ever. It is the sun, and with the help of solar cells, its energy can be used to generate electrical current.

Most available solar cells are made of inorganic materials (this means that they do not contain any carbohydrates), mainly silicon, which is quite common in nature. Nevertheless, it has been tried to improve these solar cells and the idea of organic solar cells came up. They are said to be low-weight, flexible and transparent (which is important for panoramic roofs). Research about such cells was also started, because the production of organic solar cells was thought to be cheaper, but this has changed in the meantime. Unfortunately, organic solar cells have a big disadvantage: Their energy conversion efficiencies are far lower (4-5%) than the energy conversion efficiencies of conventional solar cells (up to 39%) [1]. This means that they can transform less energy from the sun than inorganic ones.That is the main project in laboratories at the moment: Trying to enhance the energy conversion efficiency of organic solar cells [2] [3] [4].

Here I describe a series of experiments at the Institute of Chemistry and Technology of materials at the Technical University Graz, in which I investigated the influence of different production parameters on the energy conversion efficiency of polymer fullerene solar cells (a special type of organic solar cells). What is the energy conversion efficiency? It is the ratio between the generated electrical current and the energy from the sun. It tells you, how much of the sun‘s energy can be transformed into electrical energy. This article should give you a short overview of this topic.

 

HOW DO ORGANIC SOLAR CELLS WORK?

Organic solar cells are made of organic molecules (containing carbohydrates). The basic design can be compared with a sandwich. An electron donor and an electron acceptor are placed between two electrodes [5]. If solar cells are lighted, the electrons of the donor material reach a higher level of energy. The electrons are transferred from the donor to the acceptor material, which is able to absorb electrons. There is a flow of electrons and since electrical current is defined as a flow of charge, electrical current is being generated (see figure 1) [6].

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Figure 1 Electron transfer in an organic solar cell? Light energy excites electrons of a donor molecule. Thereby these electrons are lifted to an energetically higher level. An acceptor molecule can then take up the electrons, if this is accompanied with loss of energy (the energy level of the electrons is lower in the acceptor compared to the excited state in the donor). When happening in numerous molecules in a row, an electric current is flowing. Why does the electron flow to the acceptor instead of falling back to the energetically lower state of the donor? The reason is the choice of the materials. The donor is made of a material which is intended to give away electrons, whereas the acceptor material easily accepts electrons.

 

THE EXPERIMENT

In the laboratory, I have produced bulk heterojunction solar cells, a special type of organic solar cells. Simplified, the design consists of a glass plate with anode material on it. Then the donor and acceptor layer are mixed and coated onto the plate. Finally, a metal electrode is added to the plate (see figure 2) [7].

Fig.2

Figure 2 Design of an organic bulk heterojunction solar cell: A transparent electrode is added to a glass plate, and subsequently the active layer consisting of donor and acceptor. A second electrode made of metal forms the last layer.

 

The donor materials in my experiments were three different polymers, abbreviated: P3HT, PCDTBT and PTB7. Different polymers were investigated and finally compared, because the chemical structure has a major influence on the energy conversion efficiency of solar cells. The fullerene phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) was the acceptor in this series of experiments. Fullerene is a big organic molecule, similar to graphite that looks like a football (see figure 3) [8].

Fig.3

Figure 3 Structural formula of PCBM

 

PRODUCTION OF THE ORGANIC SOLAR CELLS

After cleaning the glass plate and applying the different layers onto the substrate, aluminium contacts were vapour deposited as electrodes. Then the cells were tempered for 30 minutes (see figure 4).

Fig.4

Figure 4 Tempering the solar cells.

To find out how to improve my solar cells, I tried out four different temperatures. In another series of experiments I added process additives to the active layer to investigate their impact on the energy conversion efficiency. Process additives are chemicals which are said to have an impact on the properties of the finished layer. They can either improve or worsen the energy conversion efficiency of the solar cells.This has to be found out. Among other parameters, the energy conversion efficiency of the obtained solar cells (see figure 5) was measured with the help of a measuring box (see figure 6). The solar cells were exposed to light and the generated electrical current was measured. The electrical current was then compared with the incoming energy from the light and the energy conversion efficiency was calculated.

Fig.5

Figure 5 Self-made solar cells with polymers P3HT, PCDTBT and PTB7 (from left to right)

Fig.6

Figure 6 Measuring box: The solar cells are exposed to light and the electrical current measured to calculate the energy conversion efficiency. This occurs in a box in which the solar cells have to be placed. The front of the box consists of glass and faces the light source. Furthermore, the whole instrument is connected to a computer.

 

RESULTS

I know, this was a lot of (probably) complicated information and as you might already be thinking, I got a lot of data. That is why I will take two examples which I want to explain to you: Have a look at figure 7: After applying the polymer fullerene solution onto the plate, the latter was heated. The diagram shows the achieved efficiencies of solar cells produced with the polymer P3HT. The solar cells had been exposed to four different temperatures. The first measuring point shows the efficiency of solar cells which only experienced room temperature. The highest total energy conversion efficiency was achieved when the plate was previously heated to 140°C for 30 min. The energy conversion efficiency at 140°C is higher than at other temperatures, because thermal annealing (heating the plates) changes the structure of the polymer fullerene layer. In detail, thermal annealing leads to a larger interfacial area between donor and acceptor and improves the pathways for the electrons.

This leads to increased absorption of light and improved charge transport to the electrodes. This is important since electrical current is a flow of charge. But the energy conversion efficiency decreases when annealing temperatures are too high, because the structure of the molecules is changed. This makes the production of free electrons more difficult [9]. The second parameter investigated was the process additives.

Fig.7

Figure 7 Influence of temperature on the efficiency of solar cells which had P3HT as electron donor.

 

When solar cells are produced, process additives are added to the polymer fullerene solution before it is coated onto the substrate. Figure 8 shows the influence of process additives on P3HT solar cells. The efficiency is plotted against the amount of process additive. Each of the used process additives: 1,3 diiodooctane (DIO) and benzene-1,3-dithiol (BED) has an impact on the energy conversion efficiency. In general, process additives are said to improve the mobility of holes, which can be described as positive charge carriers.

Fig.8

Figure 8 Influence of process additives on the energy conversion efficiency.

 

Diiodooctane is said to increase this mobility by adapting the morphology of the polymer fullerene film [10]. So, solar cells are still a big field for investigations. There are always new ideas and although they are rarely available so far, organic solar cells might be the future of solar cell technology, since they have advantages like flexibility and transparency. This may lead to new possibilities in architecture, such as panoramic roofs. Every single change in the production can have a huge impact and there is a lot of  work behind a single solar cell. Perhaps you realize now what happens inside some of your daily gadgets. And when you see a football next time, you might react just the same as I do: „Oh my god, the football looks like a huge fullerene!“

 

Figures: Author

 

 

Vocabulary:

electrical current: Strom

to enhance: erhöhen

silicon: Silizium

energy conversion efficiency: Energieumwandlungseffizienz

carbohydrates: Kohlenwasserstoffe

to vapour-deposit: aufdampfen

to temper: tempern, härten, wärmebehandeln

Land unter – für immer?

Die Flut zieht sich langsam zurück. Noch ist das Watt von einer dünnen Wasserschicht bedeckt, die die kleinen Wölkchen am Himmel spiegelt. Ein leichter Wind bläst. Das Watt liegt ruhig da, scheinbar bis ins Unendliche (Abb. 1). In der Ferne ragen die Halligen in den Himmel: kleine Hügel, etwas höher als der sonst so flache Grund.

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Abbildung 1 Das Wattenmeer

 

Die Halligen im nordfriesischen Wattenmeer sind Natur- und Kulturschätze – und sie sind bedroht: Schon heute macht sich der Klimawandel bemerkbar. Das Wasser nagt immer höher an der Halligkante, Stürme werden heftiger und die Hallig ist öfter als früher überflutet [1]. Die Halligbewohner setzen sich deshalb mit verschiedenen Projekten für die Zukunft der Halligen ein.

Süderoog (Abb. 2) ist die kleinste dauerhaft bewohnte Hallig des nordfriesischen Wattenmeers [2]. 6,5 km voller Sand, Schlick und Priele von der Insel Pellworm entfernt, wohnen zwei Personen in einer Zone des Nationalparks Schleswig-Holsteinisches Wattenmeer (deutsche Nordsee), die Menschen eigentlich nicht betreten dürfen [2]. Nele Wree und Holger Spreer halten das Wohngebäude in Schuss, zählen Vögel, befestigen das Halligufer und machen alles, was auf einer Hallig an Arbeit anfällt. Besucher dürfen die Hallig nur mit geführten Wattwanderungen betreten. Zusammen mit dem Postboten können sie nach Süderoog wandern und werden dort mit Kuchen und Kartoffelsuppe bewirtet.

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Abbildung 2 Karte der deutschen Halligen, Eegen Billers

 

Nele Wree ist 32 Jahre alt. Seit gut zwei Jahren lebt sie auf Süderoog und ihr gefällt es: „Man lebt hier sehr bewusst mitten in der Natur“, nur die Spontanität vermisst sie. Wenn sie die Hallig verlassen möchte, muss sie planen. Und wenn es dumm läuft, wird der Plan vom Wetter durcheinander geworfen. Doch sie lacht, als sie das erzählt. Zum Einkaufen fährt sie bei Flut mit dem Boot nach Pellworm, weiter kommt sie nicht, dafür ist die Zeit des Hochwassers zu kurz. Um die Hallig herum sind Steine, die die Hallig befestigen sollen. Der größte Teil der Hallig ist Salzwiese. Teilweise grasen darauf Schafe und Hochlandrinder (Abb. 3). Auch für Gänse, Hühner und Puten ist Platz und die einzige heimische Honigbienenart, die Heidebiene, sammelt hier ihren Nektar. Die Hallig ist ein anerkannter Arche-Hof, viele der Tierrassen sind alte Nutztierrassen, die sich an die Witterungsverhältnisse angepasst haben, aber heute vom Aussterben bedroht sind. Der andere Teil der Salzwiese ist Vogelschutzgebiet. Auf einem Hügel, einer sogenannten Warft, steht das einzige Haus (Abb. 4) [2]. Der Wind rauscht. Möwen kreischen. Rund um die Hallig sind riesige Flächen Wattenmeer. Ein kleines Fleckchen inmitten der Naturgewalten und der Schönheit der Natur. Hier hat die Natur das Sagen, nicht der Mensch!

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Abbildung 3 Salzwiese mit Schafen in der Ferne

 

Nicht immer ist das Meer so friedlich wie an diesem Tag. Wenn im Herbst oder Frühling die Stürme kommen, heißt es für die Hallig „Land unter“, dann guckt nur die Warft mit dem Haus aus dem Meer. Meistens kündigt der Wetterbericht das einen Tag vorher an, dann treiben die Bewohner die Tiere auf die Warft. Wenn eine hohe Sturmflut bevor steht, schließen sie außerdem die Fensterläden, versiegeln die Türen mit Silikon, schichten Sandsäcke vor dem Haus auf und packen Lebensmittel.

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Abbildung 4 Das Wohnhaus

 

Im Notfall müssen sie mehrere Tage in ihrem Schutzraum verbringen – zusammen mit Schafen, Rindern und allen Tieren, die nicht schwimmen können. Ungefähr 18 km von Süderoog entfernt lebt Fiede Nissen auf Langeneß (Abb. 2). Er ist 66 Jahre alt, war lange der Postschiffer der Halligen und erinnert an einen Seemann: Rauschebart, Kapitänsmütze, wettergegerbtes Gesicht, auch im Hochdeutschen eine Spur von Platt und ein tiefes Lachen. Er ist auf Langeneß geboren und hat bis auf einige Ausnahmen auch immer hier gelebt. Da bringt ihn so schell nichts aus der Ruhe: Weder Stürme und die zugefrorene Nordsee, noch neugierige Journalisten. Auch die Halligen akzeptiert er, wie sie sind. Leute, die „rumquaken“ und sich über das Halligleben beschweren, mag er nicht. „Dann sollen sie eben wegziehen!“, meint er gelassen. Ob er sich mal gewünscht hat, auf dem Festland zu wohnen? „Nie! Nur andersherum!“, antwortet er ohne Zögern. Und das, obwohl er die Jahrhundertflut 1962 miterlebt hat: Damals war er 13 Jahre alt. Der Wind peitschte ums Haus. Um 19 Uhr stand das Wasser vor der Haustür und stieg immer weiter. Nach und nach schlugen die Wellen immer höher gegen das Haus. Um 21 Uhr sind dann die Scheiben eingeschlagen, von da an hatten sie nur noch Kopfkissen, die sie gegen die Fenster drücken konnten, damit möglichst wenig Wasser ins Haus läuft. Doch auch das hielt nicht lange. Als dann um 24 Uhr Hochwasser war, stand das Wasser 1,10 m im Haus. Fiede Nissen lag mit seinem Bruder im Arm auf dem Heuboden, im Dach ein Loch. Es war kalt und nass.

Damit sie schliefen, gaben seine Eltern ihm und seinem Bruder den ersten Schnaps. Angst hatte er nicht wirklich, aber ein bisschen mulmig war ihm schon zu Mute, erzählt er. Bei dieser Sturmflut wurden auf den Halligen fast alle Häuser zerstört. Insgesamt gab es 340 Tote, die meisten in Hamburg [3]. Seit dieser Katastrophe gibt es in jedem Hallighaus einen Schutzraum im Obergeschoss (Abb. 5), „der stehen bleiben soll, wenn alles weg ist“, erklärt Nele Wree. Er steht auf Pfeilern, die tief im Boden verankert sind, hat doppelt verglaste Fenster und einen Kamin, so dass man dort im Notfall mehrere Tage überleben kann. Bei einer schweren Sturmflut verschanzen sich die Halligbewohner mit einem Notfallpaket im Schutzraum.

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Abbildung 5 Schutzraum auf der Hallig Süderoog

 

Doch diese Fluten erhalten die Hallig am Leben. Wenn die Hallig überflutet wird, schwemmt die Nordsee mit Glück einen Millimeter Sand und Schlick an, so dass die Hallig wächst. Inzwischen steigt der Meeresspiegel aber mehr, als dass die Hallig wächst. Irgendwann könnten die Halligen im Meer versinken. In Dagebüll, einem kleinem Ort an der Küste gegenüber von Föhr (Abb. 3) haben die Höchstwasserstände in 125 Jahren um einen guten halben Meter zugenommen [1]. Der Meeresforscher Prof. Karsten Reise prophezeit insgesamt einen Meeresspiegelanstieg von einem Meter bis zum Ende dieses Jahrhunderts [4]. Für viele Halligen wäre das ein „Land unter“ für immer. „Ich hoffe, dass wir das nicht mehr miterleben, aber man muss sich schon mit dem Gedanken auseinandersetzen“, meint Nele Wree.

Wenn die Halligen für immer überflutet würden, hätte das auch große Folgen für das Festland. Süderoog ist ein Wellenbrecher für die Insel Pellworm und die Halbinsel Nordstrand (Abb. 2). Ohne Süderoog würde die Küste wesentlich mehr Wellenwucht abbekommen und ein komplett neues Konzept für den Küstenschutz benötigen, sagt Wree. Um das zu verhindern, setzten sich Halligbewohner, Wissenschaftler, Naturschützer und Angestellte des Landes Schleswig-Holstein zusammen und überlegten, wie man die Halligen auf Dauer erhalten kann. Dabei spielt vor allem eine Rolle, wie man Änderungen frühzeitig mitbekommt und die natürliche Ablagerung optimieren kann. Außerdem wurde ein Ideenwettbewerb für Strategien zur Erhaltung der Halligen ausgeschrieben. Heraus kamen verschiedenste Ideen: vom Aufschütten der Westseite der Warften bis zur Entwicklung von modernen Mehrfamilienhäusern auf Stelzen [1].

Auf Süderoog ist noch etwas ganz anderes geplant. Diese Hallig bekommt keinen Strom vom Festland, sondern versorgt sich selber mit Solarstrom und Dieselmotoren. Wree und Spreer möchten die erneuerbaren Energiequellen ausbauen, bald soll es mehr Solarmodule und auch eine kleine Windkraftanlage geben. Vor eineinhalb Jahren wurde der Antrag dafür bewilligt, momentan suchen sie Geldgeber. Deshalb können sie ihren Traum von Strom aus vollständig erneuerbaren Energiequellen wohl frühestens im Winter nächsten Jahres umsetzen.

Das Wattenmeer ist eine Landschaft mit ständigen Veränderungen. „Die Hallig sieht jeden Tag anders aus“, meint Wree. Doch es sind  Veränderungen, gegen die der Mensch keine Chance hat. Die Menschen leben hier mit einer Naturgewalt als Nachbar. Durch Ablagerungen sind die Halligen aus dem Meer entstanden und das Meer wird sie auch wieder zurückholen. „Es wird sicherlich irgendwann geschehen.“, sagt Wree. Der Wind pustet ihr die Haare ins Gesicht, doch sie macht erst gar keine Anstalten, das zu verhindern. Auf der Hallig muss man manche Dinge einfach hinnehmen. Doch obwohl ihr das so bewusst ist, denkt sie nicht ans Aufgeben, sondern steckt ihre Energie in die Zukunft der Halligen: Gelassen steht sie vor fast 100 Besuchern und versucht ihnen sowohl die Geschichte als auch die Zukunft der Hallig, den Arche-Hof, die Solaranlage, den Meeresspiegelanstieg, näherzubringen – mit leuchtenden Augen und einem mitreißenden Lächeln.

Fotos: Autorin

 

 

 

 

 

Paraphenylendiamin

Farbstoffe sind Teil unseres Alltags. Wir färben unsere Haut und unsere Haare und tragen Kleidung in verschiedensten Farben. Der Vielfalt sind scheinbar keine Grenzen gesetzt. Doch mögen die Dinge noch so bunt sein wie die Farben in einem Malkasten, oft sind sie weitaus nicht so harmlos.

Was ist die Ursache dafür, dass wir die Welt farbig sehen? Ein Stoff ist dann farbig, wenn er Licht innerhalb des sichtbaren elektromagnetischen Spektrums, also mit Wellenlängen zwischen 400 und 800 nm absorbiert. Die Farbe, in der der Stoff erscheint, ist die Komplementärfarbe von der, deren Spektralbereich der Stoff absorbiert [1]. Denn Licht anderer Wellenlänge wird an der Oberfläche des Stoffes reflektiert und trifft unser Auge. Dort wird es von Fotorezeptoren in der Netzhaut (Stäbchen und Zapfen) in elektrische Reize umgewandelt und an das Gehirn weitergeleitet. Sind diese Wellenlängen kurz, sehen wir Farben in Blau- und Violetttönen, bei langen Wellenlängen nehmen wir rote Nuancen wahr [1].

Verbindungen, die Doppelbindungen mit delokalisierten π-Elektronen enthalten, erscheinen uns farbig. Besonders bei konjugierten C=C-Doppelbindungen ist das der Fall. Das ist auch am Beispiel von Paraphenylendiamin (PPD) und den Komplexen ersichtlich, die daraus entstehen können und zum Färben verwendet werden (Abb. 1) [1].

 

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Abbildung 1 Strukturformel von Paraphenylendiamin, Autorin

 

Gerade diese Chemikalie ist der Grund, warum man sich ein temporäres Tattoo im Urlaub mindestens zweimal überlegen sollte. Paraphenylendiamin kommt beim Färben von Haaren, Leder und Textilien zum Einsatz und wird in Urlaubsländern gemischt mit Henna direkt auf die Haut aufgetragen. Und das, obwohl man Hautkontakt mit dieser Chemikalie unbedingt vermeiden sollte, denn sie wird nicht nur als giftig, reizend und umweltgefährlich, sondern auch als hoch sensibilisierend (Allergien auslösend) eingestuft [2,3].

 

TEMPORÄRE TATTOOS, WAS PPD DARIN VERLOREN HAT UND WAS DIE FOLGEN SIND

Temporäre Tattoos, auch Henna-Tattoos oder Temptoos genannt, werden in vielen  Urlaubsorten angeboten. Im Unterschied zu „echten“ Tattoos, bei denen der Farbstoff in die Dermis (Lederhaut) gestochen wird, werden Henna-Tattoos nur auf die Haut aufgemalt [4]. Am Strand oder auf der Straße bieten Künstler den Passanten, besonders Kindern und Jugendlichen, solche Bemalungen an (Abb. 2) [5]. Das Angebot ist verlockend, schließlich soll das Tattoo ja schon nach zwei Wochen von selbst wieder verschwunden sein. Auch der Begriff „Henna“, mit dem das Produkt beworben wird, impliziert Harmlosigkeit, denn dieser Naturfarbstoff ist völlig unbedenklich und wurde bereits im antiken Ägypten zum Färben von Haut, Haaren und Nägeln verwendet. Gewonnen wird Henna aus den getrockneten und zerriebenen Blättern des Henna-Strauchs, der in Gebieten um das Mittelmeer wie auch in Indien und Nordaustralien zu finden ist.

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Abbildung 2 Henna-Tattoo-Stand in Kroatien, Autorin

 

Das Missverständnis liegt hier: Das Henna führt zu einer roten bis braunen Färbung. Um das gewünschte Schwarz, eine bessere Definition der Zeichnung zu erzielen und diese wie ein „echtes“ Tattoo aussehen zu lassen, wird dem Henna PPD hinzugefügt. Außerdem dauert das „Tätowieren“ durch den Zusatz von PPD kürzer und das Henna-Tattoo hält für längere Zeit [6,7]. Je mehr PPD für das Temptoo verwendet wird und je länger man es einwirken lässt, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, eine Allergie gegen diese Chemikalie zu entwickeln.

Die ersten Zeichen einer Dermatose (Hauterkrankung) treten innerhalb von vier bis 14 Tagen auf. Das Ekzem (der Ausschlag) begrenzt sich meist auf die bemalten Hautstellen und spiegelt exakt die Form des Tattoos wider (Abb. 3) [5]. Starker Juckreiz und Hautrötungen sind die ersten Symptome. Es bilden sich mit Flüssigkeit gefüllte Bläschen, die dicht beieinander liegen, wodurch ein millimeterhohes Relief entsteht. In manchen Fällen kann es zu Streureaktionen am ganzen Körper kommen. Bei Therapie mit hochdosierten  Corticosteroiden (entzündungshemmende Medikamente) verheilt die Hautstelle nach einigen Wochen wieder, es können jedoch Pigmentstörungen und Narben zurückbleiben. Die Einschränkungen in Folge einer Allergie gegen PPD (Berufswahl, Haare färben, Kleidung) bestehen ein Leben lang [2,5,6,8].

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Abbildung 3 Ekzem in Folge eines Henna-Tattoos, Birger Kränke

 

HAARFARBEN UND PPD

In allen Permanenthaarfarben ist Paraphenylendiamin enthalten. Hier dient es dazu, eine größere Farbvielfalt zu erzielen, wenn es mit anderen Stoffen kombiniert wird. Die  verwendete Menge (siehe unten) ist so gering, dass es bei Trägern der Haarfarbe selten zu einer Allergie kommt. Bei Frisören, die häufiger mit der Substanz in Hautkontakt kommen, kann jedoch auch der geringe Anteil in den Haarfarben genügen, um zu einer Sensibilisierung zu führen.

Während Frisöre jedoch „nur“ mit Ekzemen an den Händen kämpfen, und sich hier auch mit Handschuhen vor den Allergenen schützen können, ruft PPD bei deren Kunden „nicht selten schwere Ekzeme des Gesichts hervor“, wenn sie bereits zuvor durch ein Henna-Tattoo sensibilisiert worden sind [9,10]. Es kann nämlich sein, dass beim Erstkontakt mit der Substanz keine Hautreaktion eintritt, obwohl schon eine Sensibilisierung stattfindet. Die Haut „vergisst“ das nicht. Das heißt, sobald die Haut erneut mit der Substanz in Kontakt kommt, bildet sich ein Ekzem. Besonders unangenehm und sogar sehr gefährlich kann das gerade bei Haarfarben sein. Deshalb findet man Warnhinweise auf den Produktpackungen der betreffenden Haarfarben [1].

Welche biochemischen Vorgänge bei der Sensibilisierung mit Paraphenylendiamin im Körper passieren, wenn diese Allergie ausgelöst wird, wird noch diskutiert. Die Parastellung, also das Gegenüberliegen der Aminogruppen am Benzenring, gilt jedoch als entscheidend für das hohe Sensibilisierungspotenzial (siehe Abbildung 1), da einige Verbindungen, die vergleichbar aufgebaut sind, ähnliche Reaktionen hervorrufen. Ein Beispiel dafür ist Paratoluylendiamin, gegen das es bei einer Sensibilisierung gegen PPD häufig Kreuzallergien gibt [2].

 

VERBOTE

Sowohl in der EU als auch in den USA ist PPD heute nur als Zusatz in Haarfarben erlaubt, wobei es in der EU ein Konzentrationslimit von 2% gibt, in den USA keines. Verboten ist das Auftragen des Stoffes auf die Haut, wie auch auf Wimpern und Augenbrauen [5]. In den meisten Ländern gibt es jedoch keine Bestimmungen, die das Auftragen von Henna-Pasten durch Tattoo-Künstler regeln. Das erschwert auch die Kontrolle des Vertriebs von Henna-Tattoos auf Stränden und anderswo [5].

 

MASSNAHMEN

Die Auswirkungen im Zusammenhang mit der Verwendung von PPD sind unbedingt ernstzunehmen. Sowohl durch Haarfarben als auch durch Henna-Tattoos bedingt gibt es immer mehr Sensibilisierungen. Das ist vor allem auf die mangelnde Information der  Anwender zurückzuführen. Deshalb ist es wichtig, deren Bewusstsein durch verschiedene Maßnahmen, wie zum Beispiel Information durch die Medien oder Aufklärungsbroschüren bei Ärzten und in Schulen, zu stärken. Auch dieser Artikel soll ein Beitrag dazu sein.

 

Pfeilgiftfrösche – Von der Quappe zum bunten Frosch

Über 250 Arten dieser bunten Tiere gibt es im süd- und mittel-amerikanischen Regenwald [1]. Bekannt sind sie für ihre tödliche Giftigkeit – doch es gibt noch viel mehr über diese Frösche zu berichten.

Abb. 1

Abbildung 1 Kleiner als eine 20-Cent Münze: Ranitomeya imitator Jeberos

 

Man könnte meinen, die Haltung von Pfeilgiftfröschen im Terrarium sei sehr gefährlich. Doch dies ist sie definitiv nicht. Die Frösche verlieren ihr Gift im Terrarium, da sie dafür bestimmte Nahrung brauchen (Termiten, Milben, Ameisen,…) [2]. Im Terrarium füttert man den Fröschen u.a. Fruchtfliegen, Springschwänze, Erbsen- und Weizenblattläuse und tropische Asseln.

 

VIELFALT IN GRÖSSE UND FARBE

Pfeilgiftfrösche erreichen Größen von 18 mm (Ranitomeya-Arten) bis zu 6 cm (z.B. Dendrobates tinctorius) (Abb. 1, 2). Die Tiere sind sehr variabel und bunt gefärbt. Von den knallgelben „schrecklichen Pfeilgiftfröschen“ Phyllobates terribilis über die bunt gefärbten Färberfrösche Dendrobates tinctorius gibt es Frösche in fast jeder denkbaren Farbzusammenstellung. Vor allem die kleinen Ranitomeya-Arten zeigen eine große Farbenvielfalt, obwohl sie nur wenige Millimeter groß sind.

Abb. 2

Abbildung 2 Dendrobates tinctorius nominat

 

REGENWALD IM TERRARIUM

Größere Arten der Gattung Phyllobates und Dendrobates leben größtenteils in der Strauchschicht des Regenwaldes, wohingegen Ranitomeya- und Oophaga-Arten hoch oben in epiphytisch wachsenden Bromelien wohnen. Pfeilgiftfrösche stellen besondere Ansprüche an ihr Terrarium. Eine Temperatur von 24 – 28 °C tagsüber und 20 – 24 °C nachts und eine relative Luftfeuchtigkeit von 70 – 90 % am Tag und annähernd 100 % in der Nacht sollten gegeben sein [3].

Die minimale Größe des Terrariums für ein Paar des Färberfrosches Dendrobates tinctorius sollte 50 x 50 x 50 cm (Länge x Breite x Höhe) betragen [3], der Zweipunkter-Frosch Ranitomeya imitator fühlt sich schon in einem Becken von 25 x 50 x 50 cm wohl. Terrarien können mit diversen Bromelien, Orchideen, Rankpflanzen, Farnen und Moosen bepflanzt und dadurch zu einem kleinen Schmuckstück im Wohnzimmer werden (Abb. 3). Es gibt einige sehr scheue Arten wie Dendrobates leucomelas, die man meistens nur bei der Fütterung ausgiebig beobachten kann, aber auch Arten, die man den ganzen Tag sehen kann. Dazu gehört Dendrobates tinctorius.

 

Abb. 3

Abbildung 3 Terrarium der Größe 50 x 50 x 50 cm

 

EIABLAGE AN LAND UND FÜRSORGLICHER VATER

Der Färberfrosch Dendrobates tinctorius lässt sich tatsächlich so gut beobachten, dass man sogar die Balz und die anschließende Eiablage im Wohnzimmer mitverfolgen kann. Bei der Balz rufen die Männchen. Der Ruf hört sich wie ein sehr leises, aber hohes Brummen an. Nach einiger Zeit nähert sich dann ein laichbereites Weibchen und beginnt, dem Männchen über den Rücken zu streicheln. Das Männchen springt jetzt auf der Suche nach einem Eiablageplatz an Land rufend durch das Terrarium und wird dabei vom Weibchen verfolgt.

Nach einiger Zeit legt das Weibchen den Laich ab und das Männchen besucht ab nun das Gelege jeden Tag, um es mit Wasser aus seiner Kloake zu befeuchten. Nach zwei bis drei Wochen schlüpfen die Kaulquappen. Wie lange die Entwicklung tatsächlich dauert, ist von der Temperatur abhängig. Im Durchschnitt schlüpfen Kaulquappen nach circa drei Wochen. Nach dem Schlüpfen setzt sich der Vater zwischen die Kaulquappen und diese schlängeln sich auf seinen Rücken und werden von ihm in eine Wasserpfütze transportiert, wo sie sich dann weiterentwickeln.

 

UMGANG MIT DEM GELEGE IN KÜNSTLICHER AUFZUCHT

Viele Froschzüchter entnehmen die Gelege nach der Eiablage (Abb. 4) und ziehen diese dann selber auf. Dies kann man etwa nach zwei Tagen machen und das Gelege auf eine Petrischale (Abb. 5) oder einfach auf den Deckel einer Chips-Dose geben. Dabei muss man unbedingt darauf achten, dass die dunkle Seite der Eier nach oben zeigt und die helle nach unten. Ansonsten würden die Eier absterben, vermutlich aus Sauerstoff mangel [4]. Zum Umdrehen verwendet man am besten einen stumpfen Löffel und dreht die Eier damit in der Gallerte. Sie sollten jetzt vom Wasser um-, aber nicht überspült werden. Um die Eier noch zusätzlich vor dem Austrocknen zu schützen, kann man sie auf ein feuchtes Wattepad legen.

 

Abb. 4_ Dendrobates tinctorius nominat

Abbildung 4 Gelege von Dendrobates tinctorius nominat auf einem Bromelienblatt

 

Schon wenige Stunden nach der Eiablage ist die Furchung zu sehen. Nach fünf bis sechs Tagen kann man auch die Neurulation erkennen. Ab nun sieht man, wie sich aus dem Ei eine Kaulquappe entwickelt. Die Kaulquappen bilden schon in der Gallerte äußere Kiemenbüschel, die nach ca. 16 – 17 Tagen  verschwinden. Dabei ist auff ällig, dass immer zuerst die rechte Außenkieme verschwindet und erst danach die linke. Diese verwandeln sich jetzt in innere Kiemen, und das Schlüpfen der Kaulquappe steht kurz bevor.

 

WAS MACHT MAN MIT DER GESCHLÜPFTEN KAULQUAPPE?

Nach dem Schlüpfen wartet man, bis die Kaulquappe in der Petrischale zu schwimmen beginnt. Jetzt kann man sie in einen Becher mit einem geringen Wasserstand (2 cm) geben. Wenn die Kaulquappe koordiniert zu schwimmen beginnt, kann der Wasserstand schrittweise bis ca. 1 cm unter den Rand erhöht werden (Gesamtvolumen des Bechers: 250-500 ml). Als Wasser verwendet man am besten einen sogenannten „Quappentee“. Dieser sollte aus rund einem Drittel Erlenzapfenwasser – ihm wird eine fungizide, also pilzhemmende Wirkung nachgesagt – und zwei Dritteln Leitungswasser oder destilliertem Wasser bestehen. Die Wassertemperatur sollte zwischen 24 und 26 °C liegen [5]. Nun werden die Kaulquappen täglich mit Fischfutter oder selbst gemachtem Futter aus gemahlenen Blütenpollen, Algen, Laub, Brennnesseln, Krebstieren etc. gefüttert. Je nach Wasser- und Futterqualität sollte spätestens nach zwei Wochen ein Wasserwechsel erfolgen. Man gibt den Kaulquappen immer so viel, wie sie bis zur nächsten Fütterung fressen können.

 

Abb. 5

Abbildung 5 Kaulquappen in verschiedenen Entwicklungsstadien

 

Die Larven der meisten Arten sollten einzeln aufgezogen werden, da sie kannibalisch veranlagt sind. Bei Phyllobates– und Epipedobates-Arten kann man die Quappen aber auch in Gruppen aufziehen. Zieht man die Kaulquappen in größeren Behältern, wachsen sie oft besser und werden größer. Trotzdem verwendet man in der Regel einen Becher mit einem Volumen von 250 ml bis 500 ml pro Kaulquappe, und nicht für jede einen Behälter mit 1500 ml Volumen, da hierfür der Platzbedarf zu groß wäre. Man kann zudem davon ausgehen, dass man bei einem gut harmonierenden Pärchen bis zu 100 Eier pro Legesaison hat. Natürlich sind auch Frösche, die in den kleineren Behältern großgezogen werden, gesund und fit.  Nach rund sechs Wochen beginnen sich die Hinterbeine zu entwickeln. Diese wachsen ab jetzt merkbar. Nach rund 55 Tagen sind die Vorderbeine schon in den Hauttaschen zu erkennen und auch die ersten gelben Flecken sind auf der Haut zu entdecken. Von nun an wird die Färbung immer deutlicher und nach 8 bis 10 Wochen brechen die Vorderbeine durch. Nun sollten die Kaulquappen in einen Behälter mit einem leicht ansteigenden Ufer gegeben werden, sodass die Kaulquappen bei vollständiger Resorption des Schwanzes problemlos an Land gehen können. Während der Resorption müssen die Kaulquappen auch nicht mehr gefüttert werden.

 

DAS LEBEN AN LAND

Wenn die kleinen Frösche an Land gegangen sind, bezeichnet man sie als „Landgänger“ (Abb. 6). Diese sollten jetzt täglich mit Springschwänzen und kleinen Fruchtfliegen gefüttert werden. Im Terrarium ist eine ausreichende Futterdichte sehr wichtig, da die Frösche jetzt sehr viel zum Fressen benötigen. Nach ca. drei Monaten sind die kleinen Frösche rund zwei bis drei Zentimeter groß und können nun an interessierte Hobby-Halter weiterverkauft werden.

 

Abb. 6

Abbildung 6 Lohn für die harte Arbeit: gesunde Nachzuchten

 

ANSCHAFFUNG

Wenn man sich tatsächlich dazu entscheidet, Pfeilgiftfrösche zu Hause zu halten, muss man sich vorher intensiv in die Thematik einlesen. Die Möglichkeiten dazu bieten diverse Online-Foren (z.B.: www.froschportal.at), verschiedene Webseiten und zahlreiche Bücher (z.B.: Henkel & Schmidt: Praxisratgeber Pfeilgiftfrösche). Foren und Webseiten basieren meistens auf Erfahrungsberichten. Dadurch können immer wieder andere Meinungen auftauchen. Man kann sich außerdem die Anlagen von Pfeilgiftfrosch-Haltern anschauen, wodurch man ebenfalls sehr viel lernen kann.

Wenn man jetzt noch immer fest davon überzeugt ist, sich diese Tiere, die durchaus bis zu 15 Jahre alt werden können, zu kaufen, holt man sie am besten direkt bei einem seriösen Froschzüchter ab. Zu Beginn kauft man sich meistens ein paar Jungtiere, deren Geschlecht nicht bestimmt werden kann, um später ein Paar auszuwählen. Männchen erkennt man daran, dass sie ausgewachsen immer kleiner als die Weibchen bleiben und nach der Geschlechtsreife zu rufen beginnen. Außerdem haben Männchen der Dendrobates-Arten herzförmige Zehen. Alles in allem lässt sich sagen, dass die Zucht von Pfeilgiftfröschen durchaus einiges an Arbeit mit sich bringt. Wenn man aber tatsächlich so vielfältige Naturphänomene im eigenen Wohnzimmer beobachten kann, ist das wirklich fantastisch.

 

 

alle Fotos: Autor

Kosmische Strahlung – Gefahr aus dem All?

Wir sehen sie nicht, wir fühlen sie nicht, wir nehmen sie auf keine Weise wahr und doch umgibt sie uns – die kosmische Strahlung. Sie verursacht Stromausfälle bei Sonneneruptionen, erzeugt aber auch atemberaubende Polarlichter (Abb. 1). Nun sind wir also nicht nur der irdischen Strahlung ausgesetzt, sondern auch einer scheinbar quellenlosen Strahlung aus dem Himmel. Ist sie möglicherweise ebenso gefährlich wie radioaktive Strahlung?

 

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Abbildung 1 Polarlichter über Island, Stéphane Vetter – Nuitsacrées

 

Außer mächtigen Himmelskörpern und beeindruckenden Galaxien birgt der Kosmos auch viele Gefahrenquellen, die das Leben bedrohen. Neben riesigen Gebilden, die man im All vorfindet, wie etwa Schwarze Löcher oder Supernovae, ist die potenziell gefährliche kosmische Strahlung vielen Menschen nicht bekannt. Speziell in einer von Technologie abhängigen Gesellschaft könnten von der Strahlung gefährdete Satelliten ein Problem darstellen. Viel wichtiger ist aber die Sicherheit der Menschen, sowohl auf der Erde als auch bei zukünftigen Reisen zu anderen Planeten. Kosmische Strahlen zu untersuchen, erlaubt uns nicht nur, uns besser vor ihnen zu schützen, wir lernen auch mehr über ihre Eigenschaften und Herkunft.

 

WAS IST KOSMISCHE STRAHLUNG?

Genau genommen sprechen wir hier nicht von Strahlung, sondern von energiereichen, geladenen Teilchen, die durch Magnetfelder stellarer Objekte auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Der Begriff „kosmische Strahlung“ wurde 1925 vom Physiker Robert Millikan kreiert, welcher der
Ansicht war, dass kosmische Strahlen hochenergetische Photonen waren, also Teil des elektromagnetischen Spektrums. Wie sich aber später herausstellte, waren die fraglichen Strahlen eigentlich geladene Teilchen. Dies wurde 1929 von mehreren Wissenschaftlern wie D. V. Skobelzyn, W. Bothe und W. Kolhörster
mithilfe von Experimenten (mit einer Nebelkammer) bestätigt.

Die größte Teilchengruppe der kosmischen Strahlung, etwa 99%, besteht aus Atomkernen und nur 1% aus hochbeschleunigten Elektronen. Von den positiv geladenen Atomkernen sind ungefähr 89% einfache Protonen. Heliumkerne, auch Alpha-Teilchen genannt, machen etwa 10% aus, und der Rest besteht aus Kernen höherer Elemente. Durch die extreme Beschleunigung erlangen die Teilchen immense Energien, welche die Teilchenbeschleuniger auf der Erde weit in den Schatten stellen.

In der Teilchenphysik wird Energie und Masse meistens mit einer Einheit gemessen – dem Elektronenvolt (eV). Die typische Energie-Spanne von kosmischen Strahlen reicht von 106 eV bis zu 1020 eV [1]. Um sich das bildlich vorstellen zu können, nehme man den Paintballsport. Hierbei wird mit Gelatinekugeln gefeuert, die über drei Gramm wiegen und Geschwindigkeiten von bis zu 320 km/h erreichen können. Selbst da erreicht ihre kinetische Energie nicht den Wert von 1020 eV [2]. Treffer solcher Art sind besonders schmerzhaft und hinterlassen auf dem ungeschützten Körper Blutergüsse. Dass ein Teilchen, welches man nicht einmal sehen kann, solch eine Energie besitzt, ist schwer vorzustellen. Durchschnittlich beträgt die Energie der meisten Teilchen allerdings
zwischen 108 und 1010 eV [1].

 

UNTERTEILUNGEN DER KOSMISCHEN STRAHLUNG

Der Überbegriff kosmische Strahlung wird normalerweise in verschiedene Untertypen geteilt, die vom Ausgangsort der Teilchen abhängen. So werden Teilchen, die von der Sonne kommen, Solarstrahlung genannt und decken normalerweise den unteren Bereich des Energiespektrums ab (<108 eV). Sie werden durch das Magnetfeld des Sonnenwinds beschleunigt. Die Energie der Teilchen nimmt während der Sonneneruptionen um ein Vielfaches zu [1]. Eine weitere Teilchengruppe, die in unserem Sonnensystem entsteht, ist anomale kosmische Strahlung, entdeckt in den 1970er Jahren mithilfe von Satelliten. Sie wurde anomal genannt, weil die Zusammensetzung der Elemente und ihre Verteilung zuvor nie gemessen wurden. Sie besteht aus Teilchen, die durch den Sonnenwind ionisiert (die Elektronen werden vom Kern entfernt) und folglich vom Magnetfeld in Bewegung gesetzt werden. Sie werden bis zum sogenannten „Termination Shock“ getragen, welchen sie mehrmals passieren und dadurch beschleunigt werden. Schließlich gelangen die Teilchen wieder ins Sonnensystem mit einem Energiebereich zwischen dem der Solarstrahlung und galaktischer Strahlung [3, Abb. 2]. Letztere bezieht sich auf Teilchen, die von Quellen außerhalb des Sonnensystems zu uns gelangen.

Diese werden durch energiereichere Ereignisse, wie etwa Supernova-Explosionen, beschleunigt. Ihr Energiebereich liegt meistens über 109 eV und kann bis zu 1020 eV erreichen [1]. Kosmische Strahlung von jeglicher Quelle ist primäre Strahlung [4]. Im Vakuum des Alls können Teilchen meistens ungehindert
beschleunigen, da nur wenig Materie zum Kollidieren vorhanden ist. Die Atmosphäre der Erde ist jedoch gefüllt mit Gasen von Elementen wie Sauerstoff und
Stickstoff. Durch Wechselwirkungen mit Elementen der Atmosphäre entstehen aus den Teilchen der primären Strahlung viele kleinere Teilchen mit sehr viel geringeren Energien, die daher sekundäre Strahlung genannt werden. Zur sekundären Strahlung zählen unter anderem Mesonen, Elektronen, Positronen und Myonen. Auch Gammastrahlung entsteht durch die Wechselwirkung der vielen Teilchen [5”].

 

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Abbildung 2 Wie anomale kosmische Strahlung entsteht (nicht maßstabsgetreu), Schlaepfer

 

URSPRUNG

Wie kosmische Strahlen entstehen, ist noch nicht ganz klar, jedoch gibt es dazu verschiedene Hypothesen. Einerseits gibt es die Möglichkeit, dass kosmische
Strahlen ursprünglich supermassive Teilchen waren, die wahrscheinlich beim Urknall entstanden sind und später in kleinere Teile, welche wir kosmische Strahlen nennen, zerfielen. Andererseits könnte es sich bei kosmischen Strahlen um gewöhnliche Teilchen handeln, die durch diverse Beschleunigungsmechanismen ihre Energie erlangen. Das heißt also, dass zum Beispiel gewöhnliche Wasserstoffkerne durch ihre positive Ladung von Magnetfeldern der stellaren Objekte in Bewegung gesetzt werden und über längere Zeit fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden könnten. Die
resultierenden, hochenergetischen Teilchen definieren wir als kosmische (Teilchen-)Strahlung.

Als Beschleunigungsmechanismen wurden Supernova-Schockfronten (Abb. 3), Schwarze Löcher, Pulsare und aktive Galaxienkerne vorgeschlagen [6]. Wie genau diese Mechanismen funktionieren, gilt es noch zu erforschen. Weil kosmische Strahlen geladene Teilchen sind und daher mit Magnetfeldern wechselwirken, erreichen sie uns von ihrem Ursprung im All nicht in einer geraden Linie. Daher ist es prinzipiell nicht möglich, ihre exakte Herkunft zu bestimmen. Jedoch wurden mögliche Quellen, wie zum Beispiel Supernova-Explosionen, durch indirekte Beobachtungen entdeckt. Indirekt bedeutet in diesem Fall, dass nicht die kosmische Strahlung selbst analysiert wird, sondern die elektromagnetische Strahlung, die sie durch Interaktion mit der  interstellaren Materie produziert [7]. Elektromagnetische Strahlung besteht aus Photonen, die ihren Weg gerade zurücklegen, da sie keine Ladungsträger sind. Das ermöglicht es uns, den Ursprung dieser Wechselwirkung zu finden.

 

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Abbildung 3 Der Krebsnebel, Überreste einer Supernova, NASA/ESA/ASU/J, Hester

 

GESCHICHTE UND ERFORSCHUNG

Nachdem Antoine Becquerel Ende des 19. Jahrhunderts die Radioaktivität entdeckte hatte, folgte die Entwicklung von entsprechenden Messgeräten. Als diese Geräte dann Strahlung registrierten, wo keine sein sollte, nahm man an, sie komme vom Himmel. Der österreichische Physiker Victor Franz Hess bestätigte 1912 nach mehreren Ballonflügen, dass die mysteriöse Strahlung vom Himmel, genauer gesagt aus dem Weltall stammt (Abb. 4). Für seine Forschung wurde er 1936 mit dem Nobelpreis geehrt [1]. Die Entdeckung der kosmischen Strahlung öffnete der Astronomie und Astrophysik ein neues Fenster. Früher hatte man das Weltall nur mit Teleskopen im elektromagnetischen Spektrum betrachtet. Nun gab es auch noch Teilchen aus unbekannten
Regionen, die Informationen über die Elementverteilung an ihrem Ursprungsort lieferten. Es wurden verschiedene Instrumente entwickelt, um unterschiedlichste Eigenschaften zu analysieren. Um die primäre kosmische Strahlung zu untersuchen, müssen Messinstrumente an Bord von Satelliten angebracht werden, da auf der Erde nur die sekundäre Strahlung eintrifft. Der „CRIS“ (Cosmic Ray Isotope Spectrometer) ist so ein Messgerät an Bord
eines Satelliten [8, Abb. 5].

 

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Abbildung 4 Viktor Hess bei einer Ballonfahrt, Victor F. Hess Society, Schloss Poellau/Austria

 

Auf der Erde gibt es spezielle Instrumente, welche die sekundäre Strahlung messen. Neutronenmonitore sind dafür ein Beispiel, aber auch Nebelkammern, in denen sekundäre Teilchen in Form von feinen Wolken sichtbar werden [3]. Wie das genau funktioniert, wird später beim Experiment beschrieben. Die Nebelkammer wurde 1894 von Charles Wilson, der die Wolkenentstehung erforschen wollte, entwickelt. Seine Forschung deutete darauf hin, dass Ionen als
Aerosole dienen könnten [9]. Folglich könnte ionisierende Strahlung, wie die kosmische, Wolkenbildung und dadurch womöglich das Erdklima beeinflussen. Um diese Hypothesen zu überprüfen, wurde am CERN 2006 das „CLOUD“ Experiment ausgeführt. Dabei wurden in einer  Nebelkammer atmosphärische Bedingungen simuliert und mit einem Teilchenbeschleuniger bestrahlt [10]. Das Resultat zeigte, dass ionisierende Strahlung tatsächlich die Wolkenbildung beeinflusst, indem sie Aerosolbildung unterstützt [11]. Als es noch keine Teilchenbeschleuniger gab, wurden viele subatomare Teilchen (z.B. das Myon)
durch die Erforschung kosmischer Strahlung entdeckt [12].

 

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Abbildung 5 „CRIS“ an Bord des Satelliten „ACE“

 

POTENZIELLE GEFAHR – FÜR WEN?

Die Folgen radioaktiver, ionisierender Strahlung sind vielen Menschen bereits bekannt. Durch die Bildung freier Radikale steigt das Risiko einer  Krebserkrankung. Wenn wir nun unaufhörlich und aus allen Richtungen von sehr energiereichen Teilchen bombardiert werden, müsste das doch Auswirkungen auf die Gesundheit haben? Dass die kosmische Strahlung mit der Höhe intensiver wird, ist schon seit ihrer Entdeckung bekannt. In Denver (Höhe: 1600m) in den USA ist die Bevölkerung doppelt so viel Strahlung ausgesetzt wie Menschen, die auf Seehöhe leben. Da es in den USA viele Menschen
gibt, die in höheren Gebieten leben, aber auch viele, die auf Seehöhe wohnen, konnten ihre medizinischen Daten verglichen werden. Der Vergleich zeigte, dass Menschen in höheren Gegenden eine höhere Lebenserwartung haben. Dies würde bedeuten, dass kosmische Strahlung auf der Erde offenbar kein Gesundheitsrisiko darstellt und die Lebenserwartung eher von anderen Faktoren abhängt [13].

Wie bereits erklärt, kommt auf der Erdoberfläche nur die Sekundärstrahlung an, welche sehr viel schwächer als die Primärstrahlung ist. Der Grund dafür ist ein mehrteiliges Schutzsystem der Erde. Der schwächere Teil der Primärstrahlung wird nämlich vom Magnetfeld der Erde abgeschirmt, da es sich um
geladene Teilchen handelt, welche mit Magnetfeldern interagieren. Der stärkere Teil zerfällt in der Atmosphäre durch Kollisionen mit anderen Teilchen. Nahe den magnetischen Polen, wo das Magnetfeld durch die Erde verläuft, erreichen aber auch die zahlreichen schwächeren Teilchen die Atmosphäre. Die Wechselwirkung mit den atmosphärischen Gasen erzeugt dann Polarlichter [14, Abb. 1].

Kosmische Strahlung gab es schon, bevor die Erde oder das Leben auf ihr entstanden sind. Deswegen sollten Lebewesen biologische Mechanismen entwickelt
haben, die jeglichem Schaden der Sekundärstrahlung entgegenwirken [3]. Auf der Erde ist kosmische Strahlung also offenbar nicht gefährlich. Möchte man aber die Erde verlassen, zum Beispiel, um auf den Mond zu fliegen, steigt die Gefahr beträchtlich. Des Weiteren hängt die Auswirkung der Strahlung auf die Gesundheit von vielen Faktoren ab (z.B. Art der Strahlung, Aufnahmefähigkeit der Organe etc.) Um einen Vergleich zu ermöglichen, kann man 0,35 Milligray an aufgenommener Strahlung pro Jahr von einer Person, die ungefähr auf Seehöhe lebt, als Durchschnittswert annehmen [15]. In der Erdumlaufbahn außerhalb der Atmosphäre, wo sich die ISS befindet, ist die kosmische Strahlung mit etwa 54,75 Milligray pro Jahr um einiges stärker [3].

Bewegt man sich außerhalb des Magnetfeldes der Erde, ist der einzige Schutz die Hülle des Raumschiffes. So haben etwa manche Astronauten der Apollo-Missionen berichtet, Blitze während der Flüge gesehen zu haben. Diese wurden vermutlich durch das Eintreffen von kosmischen Strahlen in den Augen verursacht. Wollte man zum Mars fliegen, wäre man für eine viel längere Zeit der kosmischen Strahlung ausgesetzt. Um deren Auswirkungen auf den menschlichen Organismus zu verstehen, forscht das „NASA Space Radiation Laboratory“ in Brookhaven (USA) seit 2003 mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern an Zell-Präparaten [16].

Nicht nur für Astronauten und Astronautinnen ist kosmische Strahlung gefährlich. Auch für technische Geräte im Weltraum sowie auf der Erde sind unkontrollierte geladene Teilchen ein Störfaktor. Schaltkreise und Computerchips, die durch elektrische Ladungen kommunizieren, sind gegen Kollisionen mit kosmischen Strahlen sensibel und könnten Fehlsignale produzieren oder gar zusammenbrechen [17]. Ähnliches ist nach großen Sonneneruptionen zu beobachten. Bei einer Sonneneruption wird eine enorme Menge an geladenen Teilchen ausgestoßen (Abb. 6). Treffen diese auf die Erde, interagieren sie mit dem Magnetfeld des Planeten. Durch diese Wechselwirkungen überladen sich Hochspannungsnetze auf der Erde und fallen dadurch aus. In einfachen Worten ausgedrückt, ist es das gleiche Prinzip wie in einem Stromgenerator. Wird ein elektrischer Leiter einem variierenden Magnetfeld ausgesetzt, wird Strom induziert. Die Hochspannungsleitungen sind hierbei die Leiter, die dem interagierenden Magnetfeld der Erde ausgesetzt sind, jedoch wird zu viel Strom
induziert, der die Leitungen überlädt [18].

 

 

VERSUCH: SO KANN MAN KOSMISCHE STRAHLUNG SEHEN

Um die sekundäre Strahlung sichtbar zu machen, bedarf es einer sogenannten Nebelkammer (Abb. 7). Sie basiert auf einem einfachen Prinzip. Wird ein mit Dampf gesättigter Raum plötzlich gekühlt, kann der Dampf auf Aerosolen kondensieren. Eine Nebelkammer kann mit wenigen Materialien zuhause gebaut werden [19].

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Abbildung 7 Aufbau der Nebelkammer: 1 Plastikbox auf der Metallplatte 2 Mit Alkohol gesättigte Taschentücher 3 Abdichtung (Plastilin) 4 Oberseite der Metallplatte mit schwarzem Klebeband abgeklebt (verbessert die Sicht) 5 Trockeneis-Blöcke (direkter Kontakt zum Metall) 6 Starke Taschenlampe 7 Unterlage (z.B. Styropor)

 

NOTWENDIGE MATERIALIEN
1. Eine klare Plastikbox mit einer offenen Seite
2. Eine dünne Metallplatte (groß genug, um die offene Seite der Box zu schließen)
3. Dichtungsmaterial (schwarzes Klebeband und eventuell Plastilin)
4. Papiertaschentücher
5. Eine starke Taschenlampe
6. Isopropylalkohol (min. 95%)
7. Trockeneis (gefrorenes CO2)

[WARNUNG! MIT ISOPROPYLALKOHOL (ENTZÜNDLICH) UND TROCKENEIS (-78°C) VORSICHTIG UMGEHEN! HANDSCHUHE UND SCHUTZBRILLE TRAGEN!]

 

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Nach einiger Zeit kühlt das Metall die Luft im unteren Bereich der Kammer, wobei der obere Bereich wärmer bleibt und den Alkohol verdunsten lässt. Nahe dem Boden kondensiert der Alkoholdampf zu feinen Tröpfchen und bildet einen Dunst. Schnellt nun ein Myon oder ein anderes Teilchen (sekundäre Strahlung) durch die Kammer, ionisiert es einige Atome entlang einer Linie. Auf den Ionen kondensieren dann die Alkoholtröpfchen und bilden eine feine Nebelspur.

 

TIPP
Es dauert einige Minuten, bis die Metallplatte ausreichend gekühlt ist und die Nebelspuren sichtbar werden. Sollte der Dunst sich nicht bilden, könnte die Kammer undicht sein oder der Alkohol verdunstet nicht richtig. Die Abdichtung überprüfen und zusätzlich mit einer Hand die Box von oben erwärmen.

Wichtig: Die Platte muss direkten Kontakt mit dem Trockeneis haben. Hier ist eine feine Nebelspur sichtbar (Abb. 8, orange umkreist). Kleinere Nebelspuren treten häufiger auf als große, sind aber auch nicht so einfach zu entdecken. Also gut beobachten und evtl. filmen. Die Häufigkeit einer Sichtung hängt auch von der Größe der Kammer ab.

 

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Abbildung 8 Sichtung einer Nebelspur

 

 

Editorial 2015-1

Liebe Leserin, lieber Leser!
Diesmal ist Young Science ganz besonders aufregend. In einem von der steirischen Landesregierung unterstützten „Exciting Science“ Projekt schrieben SchülerInnen an mehreren steirischen Schulen Artikel zum Thema Energie. Fünf der dabei entstandenen Texte können wir nun in einer Sonderausgabe unseres Magazins vorstellen.

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Dabei zeigt sich, wie vielfältig „Energie“ verstanden werden kann. Während Felix Stollberger eher an die Aufnahme von Nährstoffen denkt (fleischfressende Pflanzen) und Sarah Winkler Elefantengras als Quelle für Bioenergie vorstellt, interessiert sich Martin Huber für astronomische Energie-Kraftprotze (Quasare). Sophie Lederer wiederum fand es spannend, wie man (Sonnen-)Energie aus dem Weltall mit künstlicher Fotosynthese in Strom umwandeln kann, und Maria Jernej zeigt uns, wie die Zukunft des Messens aussehen wird, nämlich die des Stromverbrauchs. Habt Ihr auch Ideen für einen Wissenschaftsartikel? Oder einen Science-Cartoon? Ein Interview? Ein Rätsel? Schreibt uns einfach eine Email (s. Impressum). Jeder veröffentlichte Beitrag wird an allen Gymnasien und einigen Mittelschulen der Steiermark, Kärntens, des Burgenlands und Salzburgs gelesen – und zudem mit einem 20 Euro Buchgutschein belohnt. Jetzt aber viel Freude beim Stöbern in der aufregenden Welt der Wissenschaft!

Dein Uwe Simon

 

Großer Dank gilt auch unseren finanziellen Partnern, die uns mit Werbung oder als Sponsoren unterstützen und Dir damit dieses Leseerlebnis ermöglichen, ebenso den beteiligten Landesschulräten für die kostenlose Verteilung von „Young Science“. Und schließlich: Herzlichen Dank an alle LehrerInnen, die beim Schreiben geholfen haben.

Smartmeter – ein Spion im eigenen Haus?

Wer kennt sie nicht, die großen schwarzen Stromzähler, die in jedem Haushalt irgendwo hängen, mit der schönen Drehscheibe, die man durch ein kleines Glasfenster beim Drehen beobachten kann? Sie heißen auch Ferraris-Zähler (Abb. 1), benannt nach dem italienischen Ingenieur und Physiker Galileo Ferraris.

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Abb. 1. Ferraris – Zähler. Bild: Autorin

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Abb. 2. Smartmeter. Bild: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Intelligenter_zaehler-_Smart_meter.jpg?uselang=de-at

Die Drehgeschwindigkeit der Scheibe ist dabei proportional der elektrischen Wirkleistung – d.h. je mehr elektrische Energie dem Netz entnommen wird, desto schneller dreht sich die Scheibe. Ein Zählwerk zählt dann noch die Anzahl der Umdrehungen – diese ergibt dann die tatsächlich umgesetzte elektrische Energie in Kilowattstunden (kWh) [1]. Die Kilowattstunde ist eine physikalische Einheit für Arbeit. Sie entspricht der Energie, die eine Maschine mit einer Leistung von einem Kilowatt in einer Stunde aufnimmt. Also ist der Alltagsbegriff „Stromzähler“ eigentlich gar nicht richtig. Jetzt aber wieder zum Zähler selbst: Um die Zähleranzeige abzulesen, muss das Energieversorgungsunternehmen einmal im Jahr einen Zählerableser vorbeischicken, der den Zählerstand aufschreibt. Dann wird der Zählerstand vom Vorjahr abgezogen (d.h. die Jahresentnahme an elektrischer Energie ermittelt) und eine Jahresabrechnung gemacht. Doch Stück für Stück verschwinden die schwarzen Riesen jetzt aus den Haushalten – ersetzt durch ihre smarten, handlichen Nachfolger.

SMART, SMARTER, SMARTMETER
Smartmeter (Abb. 2) nennt man eine neue Generation von intelligenten Stromzählern, die bis Ende 2019 zum Großteil die alten Drehstromzähler in Österreich ersetzen sollen [2]. Diese neuartigen Zähler arbeiten  nach einem grundlegend anderen Prinzip. Der Strom, der ins Haus fließt, wird durch einen hochpräzisen Widerstand (Messwiderstand) geleitet. Der Spannungsabfall am Widerstand wird gemessen und mit einem ADC (Analog to Digital Converter) digitalisiert. Da die Größe des Widerstands R und jetzt auch der Spannungsabfall U bekannt ist, kann man mit dem Ohm‘schen Gesetz (I = U/R) die Stromstärke I und damit auch die Leistung berechnen. Dafür sorgt eine Mikrocontroller-Einheit im Smartmeter. Diese Einheit sendet ihre gemessenen Daten regelmäßig (alle 15 Minuten) über die Stromleitung oder auch über Funk oder Internet an das jeweilige Energieversorgungsunternehmen [3]. Ein Zählerableser wird nicht mehr benötigt.

Aber Smartmeter können noch mehr: Das Energieversorgungsunternehmen kann über sie den elektrischen Strom in den einzelnen Wohnungen aus der Ferne einschalten, abschalten oder auch begrenzen, sozusagen per Knopfdruck. Die Verbrauchsdaten werden an zentraler Stelle gespeichert und können von den Verbrauchern über das Internet abgerufen werden.

VORTEILE DES SMARTMETERS
Smartmeter können große Vorteile bieten. Die Energieversorger sparen Zeit und Geld, da das Zählerablesen automatisch funktioniert. Zudem müssen Kunden beim Neuanmelden oder Abmelden nicht mehr warten, bis ein Elektriker ins Haus oder in die Wohnung kommt und ihnen den Strom ein- oder abschaltet. Die Konsumenten können über das Internet ständig ihre Energieentnahmedaten anschauen, auch die Tages-, Wochen- und Monatsenergieentnahme als Diagramm. So kann es am Ende des Jahres keine böse Überraschung geben (wenn zum Beispiel die Energieentnahme stark gestiegen ist und eine Nachzahlung fällig wird). Zusätzlich sollen Smartmeter in Zukunft die Menschen dazu bringen, zu gewissen Zeiten elektrische Energie zu sparen. Zu manchen Tageszeiten wird besonders viel elektrische Energie benötigt, wie zum Beispiel zu Mittag, wenn in allen Fabriken die Maschinen laufen und zusätzlich noch in den Haushalten die Elektroherde in Betrieb sind. Energieversorger müssen dann oft zusätzliche Kraftwerke einschalten, um genug Energie zur Verfügung zu haben. Mit Hilfe des intelligenten Zählers könnte die zu bestimmten Zeiten entnommene elektrische Energie teurer verrechnet werden als zu Zeiten, in denen mehr Energie zur Verfügung steht. Wenn das die Konsumenten dazu bringt, gewisse „Stromfresser“, wie zum Beispiel Waschmaschinen und Geschirrspüler, erst am Abend einzuschalten, könnte der bereitgestellte Strom besser als bisher genutzt werden. Das soll auch einmal automatisch möglich sein mit intelligenten Elektrogeräten, die sich so programmieren lassen, dass sie sich zu Zeiten einschalten, zu denen der Strom günstig ist [4].

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Abb. 3. Smartgrid: Atomkraftwerke, Fabriken, thermische Kraftwerke, elektrische Fahrzeuge, Städte, Windkraftwerke, „smarte“ Häuser und Photovoltaikanlagen bilden zusammen ein großes Netz, das Smartgrid. Durch die Vernetzung und durch intelligente Steuerung kann die Energieeffizienz gesteigert werden. Bild: https://www.enisa.europa.eu/media/press-releases/smart-grid-security-certification-in-europe-challenges-and-recommendations

Smartmeter sind ein wichtiger Bestandteil neuer intelligenter Stromnetze, sogenannter „Smart Grids“ (Abb. 3), in denen die Energie oft von vielen kleinen Generatoranlagen kommt (Photovoltaik, Windräder, Biogasanlagen), und von Haushalten nicht nur Energie aus dem Netz entnommen wird, sondern auch bereitgestellt und ins Stromnetz geliefert wird. Um die so gewonnene elektrische Energie gut verteilen und nutzen zu können, müssen Energielieferanten und Energiekonsumenten im Smartgrid miteinander kommunizieren. Alle Informationen laufen in einem zentralen Rechenzentrum zusammen. Dieses „weiß“ durch die Smartmeter, wie viel elektrische Energie gerade benötigt wird, und durch die Kraftwerke, wie viel produziert werden kann. Wenn gerade mehr elektrische Energie vorhanden ist, als benötigt wird, betätigen Smartmeter zum Beispiel Geräte, die hohe Energieumwandlungsraten haben (Geschirrspüler, Waschmaschine,…) oder sorgen dafür, dass Elektroautos aufgeladen werden [5].

NACHTEILE DES SMARTMETERS
Von vielen Seiten werden Smartmeter jedoch auch stark kritisiert. Aus den Daten der Energieentnahme lässt sich einiges über die Konsumenten und Konsumentinnen herausfinden – zum Beispiel, wann Menschen im Haus sind, wann ferngesehen und wann Wäsche gewaschen wird. Bei Haushalten, die einen elektrischen Durchlauferhitzer zur Wassererwärmung verwenden, kann über das Profil der täglichen Energieentnahme aus dem Netz (Abb. 4) ermittelt werden, wann jemand duscht (hohe, charakteristische Energieentnahme). Über die Anzahl der Duschvorgänge kann darauf geschlossen werden, wie viele Personen in etwa in diesem Haus leben [1]. Im schlimmsten Fall (wenn die Daten alle 2 Sekunden übertragen werden) lässt sich sogar herausfinden, herausfinden, welches Fernsehprogramm gerade geschaut wird: durch den unterschiedlichen Energiebedarf bei hellen und dunklen Fernsehbildern [6]. Die Energieversorgungsunternehmen beteuern zwar, dass die Datenübertragung absolut sicher sei, und dass keine Konsumentendaten an Dritte weitergegeben würden, aber Datenschützer glauben nicht wirklich daran. Die Smartmeter, die derzeit eingesetzt werden, sind ihrer Meinung nach noch nicht sicher genug [7].

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Abb. 4. Tageslastkurve eines Ein-Personen-Haushalts. Aus der Tageslastkurve kann man viele Informationen ntnehmen. In diesem Fall ist es die Tageslastkurve eines ein-Personenhaushalts. Elektrogeräte, die viel Energie enötigen, sind in dieser Lastkurve deutlich erkennbar. Die Person duscht in der Früh um ca. 6 Uhr, benützt anschließend den Herd (für das Frühstück) und verlässt dann ziemlich wahrscheinlich das Haus. Auch zu Mittag ist die Person wahrscheinlich nicht da, der Herd wird nämlich nicht benützt. Um 17 Uhr werden dann wieder der Herd und die Waschmaschine benützt und bald darauf der Wäschetrockner eingeschaltet. Bild: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lastkurve.svg?uselang=de-at

Und es gibt weitere Aspekte: Das Stromnetz, wie wir es derzeit kennen, ist ein sehr gut funktionierendes Netz, wesentlich ausfallssicherer als das Telefonnetz oder das Internet. Das kommt unter anderem auch daher, dass relativ alte und sichere Technologien verwendet werden, um es zu steuern. Mit der Verbindung von Stromnetz und Informationstechnologie könnten die Ausfälle häufiger werden, da die Sicherheitsrisiken steigen (fehlerhaft übermittelte Daten, Ausschalten größere Regionen per Knopfdruck – auch durch Hacker oder Terroristen [7]). Auch die Kosten für die Umrüstung auf die neuen Zähler sind nicht unerheblich.

In Österreich wird mit Kosten von 1,4 bis 1,9 Milliarden Euro gerechnet. Dabei ist noch nicht sicher, ob der gewünschte Energiespareffekt bei den Konsumenten wirklich eintritt. Die Tarife für elektrische Energie könnten zudem so undurchsichtig und schwer vergleichbar wie die Handytarife werden (wie zum Beispiel in Großbritannien) [2].

SMARTMETER IM TEST
Das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung führte im Jahr 2010 einen Feldversuch mit 1500 Haushalten in Linz durch. Die eine Hälfte der Haushalte wurde dabei mit Smartmetern ausgestattet, die andere Hälfte diente als Kontrollgruppe. Die Smartmeter-Besitzer wurden regelmäßig per Internet oder per Post über ihren Stromverbrauch informiert. Die Studie ergab, dass durch das ständige Verbrauchs-Feedback durchschnittlich etwa 4,5% des Stromverbrauchs eingespart werden konnten [8].

SMARTMETER ODER DOCH LIEBER DAS ALTE SYSTEM?
Eine EU Richtlinie gibt die Einführung „intelligenter Messysteme“ vor, um die europäischen Energiemärkte für alle Konsumenten zugänglich zu machen [9]. Bis 2020 sollen laut EU Verordnung 80 % aller Haushalte mit Smartmetern ausgestattet sein. In Österreich sollen schon bis 2019 95% aller Haushalte mit Smartmetern ausgestattet sein [10]. Es steht fest, dass die Datensicherheit bis dahin noch verbessert werden muss und dass das auch vom Gesetz her vorgegeben werden muss. Smartmeter bieten aber trotzdem eine Menge von Möglichkeiten für die Zukunft, vor allem, wenn man von intelligenten Stromnetzen und vielen kleinen Energielieferanten ausgeht, die miteinander vernetzt werden müssen, damit das funktioniert. Dann werden die herkömmlichen Drehstromzähler nicht mehr mithalten können.

Strom durch künstliche Photosynthese

Fakt ist: Fossile Brennstoffe werden eher früher als später zu Ende gehen. Alternative Stromgewinnung ist heute nicht mehr weg zu denken, dazu zählen unter anderem auch Photovoltaikanlagen. Jedoch ist die Produktion von Photovoltaikzellen teuer und energieintensiv, darum sucht man schon Alternativen für die Alternative.

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Abb. 1. Farbige und transparente Grätzel-Zellen auf der Fassade des Swiss Tech Convention Centers der École Polytechnique Fédérale de Lausanne. Bild: Chris Blaser

Professor Michael Grätzel von der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne hatte in den 1990er Jahren eine bahnbrechende Idee: Nach dem Vorbild der Pflanze entwickelte er eine Solarzelle, welche  nach dem Prinzip der Photosynthese funktioniert: Grätzel kreierte eine Zelle, die einen Farbstoff enthält. Dieser fängt, genauso wie das Chlorophyll der Pflanzen, die elektromagnetische Energie (=Licht) auf. Es werden sowohl künstliche als auch natürliche Farbstoffe verwendet, zum Beispiel von Brombeeren oder Safran. Bei der Photosynthese von Pflanzen wird die elektromagnetische Energie in chemische Energie, also in Kohlenhydrate, umgewandelt. Im Vergleich dazu wird sie bei der Grätzelzelle aber in elektrische Energie transformiert, sodass ein Verbraucher (z.B. eine Lampe) diese Energie nutzen kann. Damit das Licht in elektrische Energie umgewandelt werden kann, braucht man allerdings mehr als nur einen Farbstoff.

Eine Grätzelzelle besteht aus mehreren Schichten zwischen zwei TCO-Glasplättchen: Auf dem einen Glasplättchen befindet sich eine Titanoxid-Schicht (Abb. 2: weiß), an der die Farbmoleküle (Abb. 2: rot) haften. Dieses erste Plättchen nennt man, zusammen mit der Titanoxid-Schicht und den Farbmolekülen, Photoelektrode. Der andere Teil heißt Gegenelektrode und besteht aus dem anderen Glasplättchen und einem Elektrokatalysator (Abb. 2: grau). Zwischen Photoelektrode und Gegenelektrode ist ein Elektrolyt (z.B. Lösung aus Iod und Kaliumiodid) (Abb. 2: gelb) [1,2].

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Abb. 2. Aufbau einer Grätzelzelle. Bild: Felix Läderach/detektor-magazin.de

Der Aufbau wirft die Frage auf, wie so eine Grätzelzelle eigentlich funktioniert. Trifft Sonnenlicht (Abb. 3: grüne Pfeile) auf die Grätzelzelle, passiert folgendes: Die Lichtenergie wird von den Farbmolekülen (Abb. 3: kleine rote Kreise) aufgenommen (= Absorption). Dabei lösen sich Elektronen (Abb. 3: blaue Kreise) von den Farbmolekülen, wodurch ein „Elektronenloch“ entsteht. Die Elektronen gelangen durch die Titanoxid-Schicht (Abb. 3: weiß) über die TCO-Schicht (Abb. 3: hautfarben) der Photoelektrode zum Verbraucher. Der elektrische Strom kann jetzt zum Beispiel eine Lampe zum Leuchten bringen. Vom Verbraucher gelangen die Elektronen zur Gegenelektrode. Über den Elektrokatalysator (Abb. 3: grau) und durch den Elektrolyten (Abb. 3: gelb) werden die Elektronen schließlich wieder zu den Farbmolekülen transportiert. So erhalten die Farbmoleküle die „verlorenen“ Elektronen wieder, das „Loch“ ist geschlossen und der Prozess kann erneut beginnen [3].

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Abb. 3. Schematische Funktionsweise einer GrätzelzelleFelix Läderach/detektor-magazin.de

 

Die einfache Herstellung und der geringe Verbrauch von Rohstoffen ermöglichen die niedrigen Kosten. Eine Grätzelzelle kostet nur ein  Fünftel einer entsprechenden Silizium-Zelle. Zudem bietet sie Gestaltungsfreiraum, weil Grätzelzellen, je nach Farbstoff, verschiedene Farben haben. Das nutzt man zum Beispiel beim Bau der Fassade des Swiss Tech Convention Center. Dort werden verschiedenfarbige Zellen auf einer Fläche von dreihundert Quadratmetern angebracht (Abb. 1). Ein weiterer Vorteil der Grätzelzelle im Vergleich zu einer herkömmlichen Silizium-Zelle ist die Umwandlung von diffusem Licht (Bewölkung) in elektrische Energie. Silizium-Zellen erzeugen bei schwachem Licht keinen Strom [3].

Die Grätzelzelle ist noch nicht bis zur Marktreife entwickelt. Denn momentan wird der Farbstoff, der sich in der Zelle  befindet, über längere Zeit hin zerstört. Auch die Abdichtung der Zelle stellt noch ein Problem dar. Im Vergleich zur Silizium-Zelle ist zudem der Wirkungsgrad der Grätzelzelle sehr gering. Das heißt, dass die ilizium-Zelle bei gleicher Sonneneinstrahlung weitaus mehr elektrische Energie liefert als die Grätzelzelle [4,5]. Daher wird an vielen Instituten und Universitäten geforscht, und es gibt schon erste Erfolge: Michael Grätzel und sein Forscherteam haben es geschafft einen Wirkungsgrad von 15 Prozent zu erreichen. Aber es gilt, einen Farbstoff zu finden, der viel Licht absorbiert und an der Titanoxid-Schicht haftet. Dann steht der Grätzelzelle nichts mehr im Wege, eine neue alternative Energiequelle zu sein [6].