Fortschritt

Revolutionierende Erfindungen: Nachhaltig und energiesparend

Die industrielle Revolution hat neben Ihren zahlreichen technischen Fortschriften auch Probleme wie etwa Umweltverschmutzung mit sich gebracht. Doch zahlreiche Erfindungen der letzten Jahre zeigen, dass Neuheiten nicht mehr umweltbelastend sein müssen.

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Seit der industriellen Revolution sind zahlreiche Erfindungen auf den Markt gekommen, die dem Menschen den Alltag erleichtern. Ob Glühbirnen, Automobile, Computer oder Smartphones - die technischen Errungenschaften haben den Fortschritt entscheidend vorangetrieben. Allerdings gibt es die Kehrseite dieser Entwicklung, die sich in Umweltzerstörung, Verschmutzung und gesundheitlichen Problemen zeigt. Erfindungen müssen heute jedoch nicht mehr umweltbelastend sein und dem Ideenreichtum sind kaum Grenzen gesetzt. Allein in Deutschland gab es 2012 über 61.000 Patentanmeldungen: http://www.dpma.de/docs/service/veroeffentlichungen/jahresberichte/dpma_jahresbericht2012_barrierefrei.pdf

Bei nachhaltigen Technologien geht es um die Bereiche Beleuchtung, Wertstoffe, Energie, aber auch um Design und den Aspekt der menschlichen Bedürfnisse. Denn Umweltschutz muss nicht immer unbequem oder unansehnlich sein. Viele Geräte und Gegenstände sind noch in der Entwicklung, doch die Nachfrage nach ressourcenschonenden Produkten steigt.

Beleuchtung der Zukunft

LED und LCD

Die Erfindung der LED-Beleuchtung hängt mit dem physikalischen Effekt der Elektrolumineszenz zusammen. Als Forscher elektrische Energie durch einen Halbleiter leiteten, ergab dies eine direkte Lichtstrahlung. In der Leuchtdiode der LEDs befinden sich zwei Leiter, die Kathode und die Anode, durch welche der Strom jeweils in nur eine Richtung fließen kann. Ein Chip in der Diode besitzt positive und negative Ladungsträger, die bei der Zufuhr von Strom zusammenkommen und dieser Vorgang setzt Energie in Form von Licht frei. Je nach Werkstoff ergeben sich die unterschiedlichen Farben Infrarot, Rot, Grün und Blau. Die Vorteile der LED-Lampen liegen im geringen Stromverbrauch, hoher Lichtausbeute und einer langen Lebensdauer mit bis zu 50.000 Stunden.

LCD lässt sich in vielen Bildschirmen und Monitoren finden. Es steht für Liquid Crystal Display und besteht aus zwei Glasplatten, die außen eine Polarisationsschicht tragen und innen einen transparenten Elektrodenfilm erhalten. Zwischen diesen Platten liegen Flüssigkristalle, die durch elektrische Impulse gesteuert sind. Sie sind je nach Farbe nach bestimmten Wellenlängen ausgerichtet und steuern das Licht in die unterschiedlichen Richtungen, damit der gesamte Bildschirm erleuchtet ist. Der Vorteil der LCD-Monitore liegt im geringen Energieverbrauch, vor allem in Verbindung mit LED-Hintergrundbeleuchtung. Mehr Informationen darüber gibt es auf dieser Seite.

Neue Energiesparlampen

Die Energiesparlampe hat einen holprigen Start genommen. Durch den Anteil an Quecksilber muss die Lampe in den Sondermüll und aufgrund der Aufheizphase steht die Lampe stark in der Kritik. Doch die EU-Vorgaben sind eindeutig: Die herkömmliche Glühbirne, die ihre Energie zu 97 Prozent als Wärme und nicht als Licht abgibt, ist nicht mehr erlaubt. Energiesparlampen sind deutlich stromsparender und besitzen den weiteren Vorteil, dass sie dimmbar sind. Wer seine Wohnung oder sein Haus in bestimmten Bereichen wie Fluren oder Kellern mit Bewegungsmeldern ausstattet, kann zusätzlich Energie sparen. Mit einem guten Plan für die Beleuchtung, können die Lichtschalter sinnvoll in der Wohnung verteilt sein. Mittlerweile gibt es Schaltersysteme im passenden Stil der Wohnung, wenn zum Beispiel das Wohnzimmer vollständig umgestaltet ist und sich die Lichtquellen nun an einer anderen Stelle befinden sollen. Folgende Beispiele erläutern ein neues Schalterkonzept mit unterschiedlichen Designs. Forscher entwickeln bereits Energiesparlampen ohne Quecksilber und mit einem besseren Farbwiedergabeindex, für angenehmere Lichtfarben.

Solarleuchten

Die Entwicklung der Solarzellen ebnete den Weg für eine nachhaltige Energieerzeugung. Diese bestehen meist aus Silizium und laden sich durch die Freisetzung positiver und negativer Ladungsträger durch Zufuhr von Licht oder Wärme auf. Viele Solarleuchten verwenden LEDs als Leuchtmittel mit Solarzellen als Antrieb. Sobald es hell genug ist, lädt sich die Solarzelle auf und gibt Licht ab, sobald es wieder dunkel wird. Dies erkennt die Solarzelle anhand ihres Dämmerungsschalters oder weiteren Sensoren. Viele nutzen die Solarleuchten als Gartenbeleuchtung oder zum Erhellen von Eingangsbereichen und Gehwegen. Viele kritisieren die geringe Leuchtkraft der Solarlampen, doch die neueren Entwicklungen zeigen positive Fortschritte. So gibt es bereits erste Solar Straßenleuchten oder Bushaltestellen mit Solarzellen.

Organische Leuchtdioden

Die LEDs erobern seit Jahren die Beleuchtungsindustrie. Doch die Herstellung der notwendigen Kristalle für Monitore ist aufwendig und ressourcenintensiv. Die Organischen Leuchtdioden (OLED) arbeiten ohne die Kristalle und mit besonderen organischen Molekülverbindungen. Im Vakuum kommen die Schichten in einer Aufdampfung aus diesen Verbindungen auf das Trägersubstrat, das meist aus Glas besteht. Der Vorteil dieser Herstellung liegt in der flachen Ausprägung der Oberfläche und der exakten Farbdarstellung für jeden Bildpunkt. Der Nachteil liegt darin, dass die bisherige Produktion noch sehr aufwendig und die nutzbare Fläche noch sehr gering ist. Doch die Forschung arbeitet bereits an Rolle-zu-Rolle Fertigungen der Leuchtdioden, die eine Massenproduktion erleichtern könnten.

Werkstoffe der Zukunft

Plastik-Recycling als Baustoff

Plastik kann je nach Zusammensetzung eine Halbwertszeit von 100 bis 500 Jahren besitzen, Fachleute schätzen sie zum Teil noch höher ein. Die Herstellung benötigt viel Erdöl, Wasser und Energie, und zum Teil schädliche Chemikalien. In Deutschland geraten zum Beispiel über 5,3 Milliarden Plastiktüten pro Jahr in den Umlauf.

Je nach Zusammensetzung ist das Recycling nur bedingt möglich, da einige Kunststoffe anschließend schlechtere Qualität aufweisen. Polymere wie Polyethylen, Polypropylen und Polyolefin können Hersteller jedoch gut recyceln, wenn sie ohne chemische Zusatzstoffe auskommen. Durch die Verschmelzung dieser Stoffe können beispielsweise Regranulate entstehen, die für die Herstellung von Autoteilen, Verpackungen, Büromöbel bis hin zu Einbauküchen Anwendung finden. Da die Ressourcen immer knapper werden, ist ein effektives Recycling notwendig. Bei geschätzten weltweiten 240 Millionen Tonnen Plastikneuproduktionen pro Jahr können die Herstellung von Regranulaten und verbesserte Recyclingmethoden helfen, notwendige Baustoffe zu erhalten und gleichzeitig die Umwelt zu schonen.

Carbon

Carbon oder Karbon besteht aus sehr leichten Kohlenstofffasern, den CFK-Fasern, und besitzt eine Härte wie ein Diamant. Dabei wiegt der Stoff halb so viel wie Stahl, ist ein Drittel leichter als Aluminium und dabei hitze- und korrosionsbeständiger. Die Herstellung ist jedoch teuer, da die Kunststofffasern zunächst zu oxidieren und anschließend bei über 1500 Grad zu karbonisieren, zu härten, sind.

Lange Zeit blieb Carbon ein Nischenprodukt, doch besonders die Automobil- und Luftfahrtindustrie ist an dem Stoff interessiert, um die CO2-Ausstöße ihrer Geräte reduzieren zu können. Erste Ergebnisse erzielten BMW und VW mit ihren Luxusmarken, die fünf bis zwanzig Kilo Gewicht einsparen konnten. Carbon rostet nicht und ist in der Lage, bei Unfällen viel Energie in sich aufzunehmen. Anwendungsbereiche gibt es neben der Fahrzeugindustrie auch in der Medizin für Prothesen oder für Windkraftanlagen, Fahrräder, Schiffe oder Tennisschläger. Aktuell gibt es jedoch erste Bedenken, dass bei Bränden von Carbonfasern krebserzeugende Stoffe freigesetzt sein können. Die Forschung arbeitet an Schutzmöglichkeiten und weiteren Einsatzgebieten für den Stoff.

Graphen

Ähnlich wie Carbon besteht Graphen aus Kohlenstoff. Graphit besteht aus mehreren Schichten Graphen und kommt beispielsweise im Bleistift zum Einsatz. Er ist das dünnste Material, das bekannt ist, flexibel und trotzdem fester als Stahl, kann Wärme und Strom leiten und das sogar besser als Kupfer. Mögliche Anwendungsbereiche liegen in Batterien für Elektroautos, als Baustoff für leichte Flugzeuge oder verbesserte Energiespeicher. Die Herstellung ist jedoch langwierig und teuer. So ist das mechanische Verfahren, für das Andre Geim und Konstantin Novoselov 2010 den Nobelpreis für Physik erhielten, sehr zeitaufwendig. Hierbei ziehen die Hersteller mit Klebestoffen die Graphenschichten vom Graphitblock ab und kleben dieses auf einen Silicium-Wafer, eine Art Scheibe, der mit Fotolack beschichtet ist. So erhalten die Wissenschaftler dünne Graphitpartikel, die sich bei weiterer Behandlung zu dünnen Graphitfilmen entwickeln. Aktuell gibt es Forschungen zur chemischen Herstellung der Schichten, die für eine Massenproduktion besser geeignet sind.

Bioplastik

Obwohl Plastik-Recycling immer bedeutender wird, gibt es Forschungen zu alternativen Plastiken. Da Erdöl immer teurer wird und die Menge begrenzt ist, entwickeln Experten Kunststoffe aus nachhaltigem Anbau aus Mais, Getreide oder Milchsäure. Die Idee sind kompostierbare Kunststoffe, die innerhalb weniger Monate wieder verrotten.

Das Kompostierverfahren kann momentan jedoch nur in professionellen Kompostwerken stattfinden. Eine weitere Alternative sind Bio-PET Produkte. PET besteht aus Polyethylenterephthalat aus dem Rohstoff Erdöl. Forscher entwickeln eine chemisch identische Alternative, die jedoch durch eine biobasierte Komponente weniger fossile Rohstoffe bei Recycling und Herstellung benötigt. In der Ökobilanz stoßen jedoch einige Bio-Kunststoffe bei Herstellung, Anlieferung und Recycling ebenso viel CO2 aus, wie herkömmliche Kunststoffe. Eine Möglichkeit liegt in der alternativen Energiegewinnung durch das Verbrennen der Stoffe.

Ökodesign

Nachhaltige und recycelte Designer Möbel

Dass ein umweltbewusstes Leben nicht zwingend aus der Mode sein muss, zeigt sich in der Entwicklung für Kleidung und Einrichtungsgegenstände der letzten Jahre. Zu den Trends gehören Objet trouvés (gefundene Gegenstände) wie Kisten, alte Möbel und Recycling-Material, die Designer zu exklusiven Unikaten umwandeln. Dies fand bereits im Dadaismus unter den Ready-made Kunstwerken Anklang. Da 90 Prozent des Sperrmülls meist in die Verbrennung geht, nutzen viele diese Objekte, um aus Holz, Metall, Glas, Stoff und Metallen hochwertige Produkte zu erstellen. Schadstoffarme und nachhaltig produzierte Möbel sind bereits durch diverse Zertifikate gekennzeichnet und stark nachgefragt.

Viele Hersteller nutzen den Abfall anderer Industriezweige, wie Hocker aus Dosen, Wäschetrommeln als Kommoden oder Sitzgelegenheiten aus Flugzeugteilen, für ihre neuen Einrichtungsgegenstände. Seit 2007 vergibt der Arbeitskreis Recycling den RecyclingDesignpreis, der 2013 an einen Designer ging, welcher aus Obstkisten Sitzbänke, Lampen und Tische herstellte. Weitere Informationen und Preisträger gibt es auf der Homepage recyclingdesignpreis.org.

Öko-Kabel, Schalter und IT-Geräte

Ökodesign von Neuware soll die Umweltbelastungen reduzieren. So gibt die EU Energieeffizienz-Angaben vor, wie zum Beispiel den maximalen Verbrauch von Geräten im Standby oder Energieleistungen von Waschmaschinen und Kühlschränken. Vor allem im IT-Bereich sind schadstofffreie Materialien immer mehr gefragt, um Arbeitsumfeld und Umwelt zu entlasten. Es gibt bereits Kabel, die auf Weichmacher der Ummantelung verzichten und weder Blei noch Halogen verwenden. Wer beispielsweise seine Wohnung oder sein Haus nicht mit einem Berg aus Kabeln versehen möchte, kann dekorative Kabelkanäle einsetzen, die diese vor äußeren Einflüssen schützen und ein sicheres Verstauen ermöglichen. Viele Firmen arbeiten mit Ecodesigns für ihre Produkte, die über die geforderten EU-Normen hinausgehen. Zusätzlich dazu verbinden sie vielfältige Designs mit Nachhaltigkeit, wie beispielsweise das Unternehmen Hager mit seinen besonderen Schutzschaltern und Designkanälen, welche den IF product design award gewinnen konnten. Ökodesign ist zwar ursprünglich nicht auf Stil und Schönheit ausgelegt, doch die Entwicklung der letzten Jahre zeigt, dass eine modische Einrichtung gleichzeitig umweltfreundlich und stilvoll sein kann. Der letzte Ecodesign Preis des Umweltbundesamtes ging zum Beispiel an ein energie- und materialeffizientes Konzept für Metrofahrzeuge von Siemens.

Haushaltsgeräte der Zukunft

Die monatliche Stromrechnung und weitere Nebenkosten sorgen dafür, dass sich Verbraucher immer mehr für Energieeffizienz und Nachhaltigkeit im Haushalt interessieren. Dieser Artikel befasst sich mit den Energiezertifikaten der Geräte. Es gibt bereits Wäschetrockner, die mit Wärme aus Solarheizungen arbeiten oder Kochfelder, die ihren Stromverbrauch anzeigen. Die Induktionskochfelder, die in vielen Haushalten bereits vorliegen, können Verbraucher je nach Zone individuell an- oder abstellen und so die Energie gezielter einsetzen. Das Design Lab kürt die innovativsten Ideen junger Designer, die zukünftige Haushaltsgegenstände nach Umwelt-, Gesundheits- und Designfaktoren entwickeln. 2013 gewannen beispielsweise fliegende Reinigungsroboter, die autark arbeiten und dabei wenig Energie verbrauchen. Vor allem die Vernetzung aller technischen Geräte soll in Zukunft noch weiter möglich sein.

Smart Home

Viele neue Wohnungen und Häuser sind bereits mit dem Smart Home Konzept ausgestattet. Dabei geht es um die zentrale Steuerung vieler technischen Geräte im Haushalt, vor allem der Heizung, Beleuchtung und Sicherheit. Über WLAN lassen sich Steckdosen separat ein- und ausschalten oder programmieren. Das Smart Home kann die Heizung automatisch ausschalten, wenn Fenster geöffnet sind oder es steuert die Wärmeleistung anhand des aktuellen Wetterberichtes. Mit integrierten Smartphones oder Pads erfasst das System den Personenstand des Hauses und ermittelt so die notwendige Temperatur. Die Einrichtung ist meist nicht sehr kompliziert, folgende Beispiele zeigen einfache Funksteckdosen und Rauchmelder. Weitere Ideen sind die Vernetzung des Fernsehers mit Waschmaschine oder Kühlschrank, um fertige Vorgänge zu melden oder auf ablaufende Lebensmittel hinzuweisen.

Energie der Zukunft

Kernfusion

Über die Kosten, Nutzen und Folgen der Atomkraft streiten sich Experten bereits seit mehreren Jahrzehnten. Die Entwicklung neuer Technologien wird jedoch für die Zukunft notwendig sein, um fehlende Ressourcen auszugleichen. Die Kernfusion ist momentan noch nicht als Energiequelle nutzbar. Als Beispiel für die Funktionsweise der Kernfusion steht die Sonne, in welcher die Wasserstoff-Atomkerne zu Helium verschmelzen und so Energie erzeugen. Dies versuchen Forscher durch die Verschmelzung von den Wasserstoffen Deuterium und Tritium zu erreichen. Ein Gramm Brennstoff daraus könnte 90.000 Kilowattstunden Energie erzeugen, was einem jährlichen Durchschnitt an Strom von 30 Haushalten entspricht. Es könnte weniger radioaktiver Abfall anfallen und die Beschaffung der Wasserstoffe wäre nicht zu aufwendig. Doch bisher erreichten die Forscher noch keine stabilen Kettenreaktionen der Fusionen und verbrauchten mehr Energie, als sie erzeugen konnten. Weitere Hinweise auf die Kernfusion liefert das Max-Planck-Institut.

Nanotechnologie

Nano kommt aus dem Griechischen und bedeutet Zwerg, denn ein Nanometer (nm) entspricht einem millionstel Millimeter. Diese kleinen Teilchen sind in der Energie-, Umwelt-, Informationstechnik und im Gesundheitswesen vermehrt im Einsatz, beispielsweise in Lebensmitteln, Verpackungen, Autozubehör oder Textilien. Die Nanostrukturen sind in Computerchips oder Festplatten bereits vielfältig vorhanden und erzeugen deutlich schnellere Leistungen als Siliziumprozessoren. In Verbindung mit Solarenergie und Batterien können Nanopartikel Energieverluste vermeiden und Verbrennungsprozesse steigern. In der Automobilbranche können Hersteller durch Nanopartikel die Effizienz steigern, unter anderem durch:

  • Nanopartikel im Abgaskatalysator
  • Farbstoffsolarzellen auf dem Dach
  • Fahrzeugelektronik mit extrem kleinen Sensoren und Verstärkern
  • Schutzschichten für Bauteile, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind
  • Korrosionsschutz-Beschichtungen für Motorkomponenten
  • Reflektorbeschichtungen und kratzfeste Kunststoffabdeckungen

Quelle: www.nanotruck.de

In der Medizin können Nanopartikel als gezielte Medikamente zum Einsatz kommen, da durch ihre geringe Größe die Wirkstoffe zielgenau im Körper nützlich sein können.

Wellenenergie

Staudämme und begradigte Flüsse sorgen bereits seit vielen Jahrzehnten für die Nutzung der Wasserkraftwerke. Doch für die größte Wasserkraft, die der Planet besitzt, gab es bislang noch keine effektiven Stromerzeugungs-Lösungen. Seit zehn bis zwanzig Jahren arbeiten Forscher an Wellenkraftwerken, welche die Energie der Wellen beim Auftreten auf Küsten nutzen wollen. Meereswellen gelangen durch ein Rohr in die Druckkammer und verdrängen die vorhandene Luft. Diese presst sich durch eine Windturbine, die den Stromgenerator antreibt. Sobald die Welle wieder zurückfließt, zieht der Unterdruck die Luft zurück in die Druckkammer und bewegt die Turbine von neuem. Weitere Kraftwerke sind treibende Wellenanlagen auf dem Meer, Strömungskraftwerke oder Gezeitenkraftwerke.

Energy Harvesting

Das Ernten von Energie ist bereits in der Wind- und Solarkraft vorhanden. Dabei handelt es sich um Umgebungsenergie, die sich direkt im Umfeld des elektronischen Gerätes befindet, durch Vibrationen, Temperaturunterschiede, Bewegungen oder Luftströmungen. Im Mikrobereich entwickeln Forscher bereits energieautarke Geräte, die ohne Batterien oder Kabel auskommen sollen. Beispielsweise könnten dünne Folien auf Tastaturen durch die Druckbewegungen der Finger den nötigen Strom selbst produzieren. Dieser Dünnfilmgenerator könnte auch unter einem Schuh angebracht sein und im Laufen erzeugt der Träger so Energie für seinen MP3-Spieler oder das Smartphone. Fachleute arbeiten an Hörgeräten, die durch Kaubewegungen Energie erhalten oder Energiegewinnung durch die Vibration der Autos auf den Straßen. Das Squaire Hochhaus am Frankfurter Flughafen arbeitet mit einer batterielosen Funkautomatik, die Beleuchtung, Heizung und Schatten der Räume steuert. Die Energie gewinnt das System aus Bewegung, Licht und Temperaturunterschieden.

Fazit

Stillstand gibt es in der technischen Entwicklung nicht. Durch neue Verfahren, verbesserte Zusammensetzungen und Designs gestaltet sich die Zukunft immer komplexer. Gleichzeitig sorgen die Erfindungen dafür, dass das Leben in vielen Bereichen angenehmer wird und praktische Helfer unsichtbar und sichtbar schützen können. Energieeffizienz ist dabei die wichtigste Eigenschaft, welche die neuen Geräte und Systeme besitzen. Dadurch verlängert sich das Leben der technischen Einheiten und die Ressourcen nutzen sich nicht so schnell ab. Bahnbrechende Erfindungen wird es auch in den nächsten Jahren und Jahrzehnten geben, die entscheidend für Lebens- und Wohnstil sein können. Umweltschutz ist keine Nische mehr, sondern findet bereits in vielen Bereichen der Produktion und Industrie statt.

Quellen

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