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Umweltfreundliches Galvanisierungsverfahren zum Ersatz von Silber durch Kupfer für PV-Solarzellenkontakte

Zielsetzung: Die Solarenergie ist neben der Windenergie eine der Hauptsäulen der Energiewende. Damit die Klimaziele erreicht werden, ist es notwendig die Solarindustrie weltweit massiv zu skalieren. Pierre Verlinden, einer der weltweit führendsten Solarexperten, äußert sich dazu 2020 im Journal of Renewable and Sustainable Energie wie folgt: “The [PV] industry has demonstrated that it is capable to grow at a very high rate and to continuously reduce the cost of manufacturing. There are no challenges related to the technology, manufacturing cost, or sustainability, except for the consumption of silver, which needs to be reduced by at least a factor of 4 […].” Silber ist die einzige kritische Ressource in der Solarzellenproduktion. Derzeit werden bereits weltweit ca. 17 % des jährlich in Minen abgebauten Silbers für die Solarzellenfertigung beansprucht. Gleichzeitig wächst die Fertigungskapazität für Solarzellen exponentiell um 20 - 30 % pro Jahr. Ohne technologische Innovation würde die Solarindustrie bereits im Jahr 2030 das gesamte weltweit verfügbare Silber aus dem Bergbau nachfragen. Es versteht sich von selbst, dass dies kein tragfähiges Szenario ist, zumal auch andere Zukunftstechnologien, wie die Elektromobilität, einen zunehmend hohen Silberbedarf anmelden. Expert*innen sind sich einig, dass die Versorgung der Solarindustrie mit Silber für die elektrischen Kontakte der Solarzellen bereits in 2 - 4 Jahren das größte Problem für das nötige Wachstum der Solarindustrie sein wird und somit auch zum Flaschenhals für die gesamte Energiewende wird. Das Spin-off des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE, PV2+, hat eine patentierte Galvaniktechnologie entwickelt, die es Solarzellenherstellern erlaubt mithilfe eines speziell entwickelten Elektrolyten, in Solarzellenkontakten Silber durch Kupfer zu substituieren. Dies ermöglicht die Skalierung der Solarindustrie und löst somit eine der zentralen Nachhaltigkeitsherausforderungen unserer Zeit. Fazit: Das Förderprojekt PV2+ verfolgte das Ziel, Silber durch Kupfer in Solarzellenkontakten zu ersetzen, um Kosten zu senken, die Rohstoffabhängigkeit zu verringern und die ökologische Nachhaltigkeit der Photovoltaikbranche zu stärken. Die gewählte technische Vorgehensweise erwies sich als sehr erfolgreich: Prozesse wie Sputtern und Laserablation wurden optimiert und auf Industrieanlagen übertragen, eine neue Galvanikanlage ermöglichte die homogene Kupferabscheidung auf über 500 Zellen bei stabilisiertem Elektrolyt. Der Proof of Concept wurde durch bessere Zellleistungen auf Industriewafern und einem ROI < 1 Jahr erbracht. Auch erste Umsätze durch Kundenbemusterungen bestätigen den Marktbedarf. Strategisch war eine Kurskorrektur nötig: Aufgrund des Rückgangs der europäischen Solarindustrie wurde der Fokus erfolgreich auf Asien und die USA sowie auf eigene pilotähnliche Demoproduktion verlagert. Diese Neuausrichtung erwies sich als essenziell für Markteintritt und Skalierung. Alternative technische Ansätze wie Kupfer-Nanopartikel oder Polymermasken wurden geprüft, boten jedoch keine vergleichbare Leistung, Wirtschaftlichkeit oder Umweltbilanz wie das patentierte Galvanikverfahren von PV2+. Die zentrale alternative Idee war daher nicht technologischer, sondern strategischer Natur und sie trug maßgeblich zur Zielerreichung bei.

Nutzung von Genomvariation zur Optimierung der stomatären Eigenschaften und zur Schaffung von klimaresistentem und nahrhaftem Reis

Steigende Temperaturen und Wassermangel verringern die Ernteerträge und die Qualität der Ernte in vielen landwirtschaftlichen Regionen. Dieses Problem wird sich durch den Klimawandel voraussichtlich noch verstärken. Wir werden uns in diesem Projekt auf Reis, eine er die wichtigste menschliche Nahrungspflanzen, konzentrieren. Der Anbau von Reis ist wasserintensiv, und vom Klimawandel besonders betroffen. Wir wollen mehrere natürliche genetische Variationen identifizieren und testen, die bereits einige Reis-Landrassen in die Lage versetzen, unter warmen und trockenen Klimabedingungen ausreichend Saatgut zu produzieren. Das Projekt hat die Verbesserung der Klimaresistenz von Nutzpflanzen zum Ziel. Ein Fokus liegt dabei auf der Rolle der Spaltöffnungen. Diese regulierbaren Poren steuern den Wasserverlust aus der Pflanze und sind daher entscheidend für die Verdunstungskälte und die Reaktion auf Trockenstress. Wir haben bereits die Genome von fast eintausend Reissorten untersucht, um eine Liste von 30 Genen mit natürlich vorkommenden Variationen zu identifizieren, die mit Wachstum in schwierigen Umgebungen verbunden sind. Sechs dieser Gene wurden priorisiert, und drei von ihnen sind direkt an der Regulierung der Spaltöffnungen beteiligt. Um herauszufinden, welche dieser Gene am ehesten in der Lage sind, Klimaresilienz zu verleihen, werden wir 200 traditionelle Reissorten, die entweder funktionale oder nicht-funktionale Kopien unserer Zielgene enthalten, untersuchen. Wir werden diese Reissorten sowohl in sorgfältig kontrollierten Umgebungen als auch in tropischen Feldversuchen anbauen und ihre Stressresistenz und ihren Nährstoffgehalt messen. Die Daten aus diesen Experimenten werden nicht nur die genetischen Sequenzen aufzeigen, die von Natur aus mit Hitze- und Dürretoleranz verbunden sind, sondern es auch ermöglichen, mit Hilfe von maschinelles Lernen die Eigenschaften, die die beste Vorhersagen für die Leistung der Pflanzen auf dem Feld erbringen, zu ermitteln. Wir werden die Funktion unserer Zielgene durch genetische Manipulation ihrer Expression verifizieren und durch in silico transkriptomische, physiologische und biochemische Analysen neue genomische Ressourcen für die Reisforschungsgemeinschaft bereitstellen. Schließlich werden wir mit Hilfe von Gene Editing versuchen die gefundene Stressresistenz in stressanfälligen modernen Elitereissorte wiederherzustellen. Um dies zu erreichen, brauchen wir die verschiedenen Fähigkeiten unseres multidisziplinären Teams. Darüber hinaus haben wir ein "Bürgerwissenschaftliches" Programm entwickelt, um die Rolle aller 30 klimaassoziierten Reisgenen neben den vorrangigen Zielgenen zu untersuchen. Zu diesem Zweck werden wir mit Schülern in lokalen Schulen in den USA und Großbritannien zusammenarbeiten. Hierbei werden wir zusätzliche Gene untersuchen und den Schülern und Lehrern die Möglichkeit geben, einen Beitrag zu den internationalen Forschungsbemühungen die den Klimawandel bekämpfen zu leisten.

Vergleichsstudie von Sedimenten von Seen verschiedener Trophiegrade

Die Arbeit ist eine Vergleichsstudie, die auf verschiedenen wigenen Seenuntersuchungen basiert, die zum Teil noch nicht vollstaendig fertiggestellt sind. Es werden die Sedimente von oligotrophen, mesotrophen und eutrophen Seen untersucht. Waehrend oliogotrophe Seen den Naturzustand repraesentieren, laesst sich eine enge Beziehung zwischen zunehmender Eutrophierung, Industriealisierung und Bevoelkerungsdichte herstellen. Sedimente signalisieren naemlich den momentanen Zustand eines Gewaessers. Vergleiche mit tieferliegenden Sedimenten im gleichen See lassen die Veraenderungen deutlich werden.

Auswirkungen der historischen Köhlerei auf Bodenlandschaften in West Connecticut, USA

Holzkohlemeilerrelikte (HKMs) sind anthropogene Kleinformen, die in historischen Montanregionen der Mittelgebirge in Europa weit verbreitet sind. Neue Funde von mehreren tausend HKMs im Norddeutschen Tiefland und die Auswertung hochauflösender digitaler Geländemodelle (DGMs) haben gezeigt, dass die historische Holzkohleproduktion eine bedeutende Rolle bei der spätholozänen Landschaftsentwicklung spielen kann. Neben den historischen und archäologischen Aspekten von HKMs sind die möglichen ökosystemaren Auswirkungen der Köhlerei von Bedeutung, u.a. Veränderungen der physikalischen und chemischen Bodeneigenschaften, erhöhte Gehalte an Bodenkohlenstoff und Effekte auf das Pflanzenwachstum. Es besteht ein beachtliches Forschungsdefizit hinsichtlich der allgemeinen ökologischen Relevanz von HKMs, da die gesamte Dimension der großen HKM-Landschaften bisher nur in Ansätzen verstanden ist. Köhlerei war auch im Nordosten der USA von Bedeutung, obwohl dort deren Auswirkungen auf die Landschaft weitgehend unbekannt sind. Jüngst konnten mittels Analyse von schattenplastischen Reliefkarten über 3.000 HKMs in einem 40 km2 großen Gebiet in Pennsylvania und über 20.000 HKMs in einem 1.170 km2 großen Areal in Litchfield County (NW Connecticut) nachgewiesen werden. Aufgrund dieser Befunde ergibt sich ein komplett neues Bild hinsichtlich der anthropogenen Komponente bei der Entwicklung der Bodenlandschaft im Nordosten der USA. Relativ dicht gedrängt finden sich HKMs in den Litchfield Hills in der Umgebung von West Cornwall, Litchfield County, Connecticut. Die HKMs sind an den Hängen des Housatonic River besonders gut erhalten und bilden kreisförmige Plattformen mit Durchmessern von i.d.R. weniger als zehn Metern. Es ist bemerkenswert, dass heute unter dichter Bewaldung diese Hinterlassenschaften der frühen Holzkohleindustrie weitgehend in Vergessenheit geraten sind, obwohl viele Meiler noch Ende des 19. Jahrhunderts in Betrieb waren. Weitere Forschungen sind erforderlich, um unser Verständnis zu den Umweltauswirkungen der historischen Köhlerei zu verbessern und die Quantität sowie Qualität dieses Nutzungserbes auf unsere modernen Ökosysteme zu erfassen. Die Litchfield Hills bieten beste Voraussetzungen, um Eigenschaften, Entwicklung und Verbreitung der HKM-beeinflußten Böden zu untersuchen und generell neue Erkenntnisse zu anthropogenen Bodenlandschaften zu erhalten.

Wahrnehmung und Bewertung von Geraeuschen (Laerm) in unterschiedlichen Kulturbereichen

Im Besonderen geht es dabei um die Wahrnehmung, Verarbeitung und Wirkung von Schallereignissen sowie ihren Bewertungs- und Beurteilungsmethoden bis hin zur Analyse der Bedeutung von Begriffen wie 'Belaestigung'. Wir analysieren Gehoererscheinungen, wie beispielsweise Laerm, in kulturvergleichenden Studien oder auch das Thema 'Klangfarben von Maschinen'. Dazu gehoeren auch die seit 20 Jahren stattfindenden Oldenburger Symposien zur Psychologischen Akustik. Die Arbeitsgruppe legt besonderen Wert auf die interdisziplinaere Kooperation mit der Physik, Informatik und Medizin. Es bestehen vielerlei Verbindungen zu auswaertigen Forschergruppen, insbesondere in Japan.

Antimikrobielle Cumarine und Proteine zur Funktionalisierung der Blattoberfläche für den Pflanzenschutz

Die Sojabohne ist eine weltweit wichtige Nutzpflanze. Vor allem in Brasilien erkrankt sie ökonomisch merklich am Asiatischen Sojabohnenrost (SBR), der vom Pilz Phakopsora pachyrhizi hervorgerufen wird. Weil keine der verfügbaren Sojasorten gegen alle Isolate des Pilzes resistent ist, erfolgt der Schutz der Sojabohne vor dem SBR derzeit durch den intensiven Einsatz von chemisch-synthetischen Fungiziden. Deren Anwendung ist umstritten und soll mittel- bis langfristig deutlich reduziert werden. Um dies ohne merklichen Ertragsverlust bei der Sojabohne zu erreichen sind neue oder zumindest komplementäre Strategien zur Bekämpfung des SBRs notwendig. Unsere bisherigen Arbeiten im Themenfeld zeigten, dass die effektive Nichtwirt-Resistenz der Sonnenblume und der Ackerschmalwand gegen SBR teilweise auf der Anreicherung von antimikrobiellen Proteinen und des Cumarins Scololetin beruht. Tatsächlich hemmt Scopoletin die Keimung von P. pachyrhizi-Sporen effektiv. Es scheint aber in der Sojabohne nicht vorzukommen. Eine Rekonstitution der Scopoletinsynthese in transgenen Sojapflanzen reduzierte die Empfindlichkeit für SBR zwar etwas; eine zu hohe Scopoletinkonzentration aber schädigte die Pflanzen. Wir schlagen nun vor, die Nichtwirt-Resistenz der Sonnenblume gegen SBR auf die Sojabohn zu übertragen und das Scopoletin zunächst mithilfe eines bereits identifizierten Transportproteins auf die Blattoberfläche zu transportieren, wo es P. pachyrhizi-Sporen direkt und ohne pflanzenschädigende Nebenwirkungen bekämpfen soll. Gleiches schlagen wir für Isoscopoletin vor, das P. pachyrhizi ebenfalls sehr effektiv bekämpft, im Gegensatz zu anderen Cumarinen aber besonders lichtstabil ist. Außerdem wollen wir die Biosynthese von Sideretin in transgenen Pflanzen nachstellen und seinen Wirkmechanismus aufklären. Als komplementäre und möglicherweise synergistische Strategie beabsichtigen wir, antimikrobielle Blattoberflächen-Proteine, die bei der Nichtwirts-Resistenz der Sonnenblume gegen den SBR eine wichtige Rolle spielen, in transgenen Ansätzen an die Blattoberfläche der Sojabohne zu transportieren, wo sie P. pachyrhizi effektiv bekämpfen sollen. Sojapflanzen, die Cumarine und/oder gegen P. pachyrhizi aktive Proteine auf der Blattoberfläche akkumulieren, sind vielversprechend, um die Sojabohnenproduktion auch bei verringertem Fungizid-Einsatz sicherzustellen.

Die Auswirkung der dynamischen und thermodynamischen Eigenschaften der Strömung auf die räumliche und zeitliche Verteilung von Niederschlag im südlichen Patagonien

Der weit nach Süden vordringende Keil Südamerikas ist weltweit die einzige nennenswerte Landmasse zwischen ca. 45° und 60°Süd. Das senkrecht zur Hauptwindrichtung verlaufende Andengebirge stellt eine wirksame Barriere für die Westwinddrift dar und hat einen bestimmenden Einfluss auf die hemisphärische Zirkulation sowie das lokale Wettergeschehen. Das Gebirge zwingt die maritimen Luftmassen zum Aufsteigen, was häufig mit intensiven Steigungsregen auf der Luvseite der Anden einhergeht. Durch die Überströmung des Gebirges kommt es zur Ausbildung von speziellen Prozessgefügen in der atmosphärischen Strömung sowohl auf der Meso- als auch regionaler Skala. Der damit einhergehende Transport und Austausch von Energie und Masse beeinflusst maßgeblich die Entstehung und den Ausfall von Hydrometeoren. Trotz der starken Wechselwirkung zwischen Strömung, Topographie und Niederschlag wurde in Patagonien darüber bisher nur wenig geforscht. Das vorgeschlagene Forschungsvorhaben leistet daher einen Beitrag zum Verständnis der Wechselwirkung zwischen dynamischen Prozessen und der räumlichen und zeitlichen Variabilität von Niederschlag in dieser Region. Ziel des Projektes ist die Quantifizierung wichtiger Prozesse die neue Aufschlüsse über die relevanten Mechanismen liefern soll. Anhand von hochauflösenden numerischen Simulationen werden an Einzelfallstudien die dynamischen und thermodynamischen Eigenschaften der atmosphärischen Strömung im Detail analysiert. Begleitende Sensitivitätsstudien mit vereinfachten analytischen Modelle werden zudem Aussagen zu den Auswirkungen der atmosphärischen Variabilität auf die Niederschlagsverteilung liefern. Das aus der Studie gewonnene Prozessverständnis ist eine wichtige Grundlage für weiterführende Forschungsarbeiten im Bereich der Hydrologie, Glaziologie und Ökologie.

Schutz und Wiederansiedlung von Seegraswiesen in der südlichen Ostsee, Vorhaben: Hochskalierung von Seegras-Renaturierung mittels Aussaat-basierten Methoden

Entwicklung und Kalibrierung eines numerischen Modells für mikrobiell unterstützte Förderung von Methan aus Kohleflözen

Das übergeordnete Ziel des vorgeschlagenen Vorhabens ist die Entwicklung eines numerischen Modells, das in der Lage ist Prozesse zu simulieren, die bei der mikrobiell unterstützten Produktion von Methan aus Kohleflözen (englisch: MECBM) auftreten. Dieses Modell soll in den numerischen Simulator Dumux (www.dumux.org) implementiert werden, der als Open Source Programm zur Verfügung steht. Indem das Modell zur Ergänzung und Unterstützung experimenteller Arbeiten eingesetzt wird, können damit gezielt verschiedene Hypothesen über den reaktiven Transport bei MECBM Prozessen getestet werden. Dies betrifft verschiedene Detailfragen, die zur Zeit noch nicht vollständig verstanden sind. Dies soll durch Vergleiche zwischen Simulationen und Experimenten erreicht werden, die am Center for Biofilm Engineering an der Montana State University in Bozeman/USA (MSU-CBS) durchgeführt werden. Zunächst sollen hierfür Säulenexperimente verwendet werden, um Sensitivitäten der simulierten Prozesse hinsichtlich verschiedener Modellparameter zu analysieren. Wo erforderlich, werden die Modellgleichungen dann entsprechend an neu gewonnene Daten und Erkenntnisse aus den Validierungsversuchen mit experimentellen Daten angepasst. Unsere Vision ist es, dass das neu entwickelte Modell ein wesentliches Werkzeug sein wird, um letztendlich das Wissen und Know-how von der Laborskala auf die Feldskala zu übertragen, und um dann auch geplante MECBM-Demonstrationsprojekte im Feld zu konzipieren. Das numerische Modell soll eine wichtige Rolle bei der weiteren Entwicklung von MECBM-Produktionstechnologien spielen; spezifische Möglichkeiten dazu ergeben sich z.B. für geplante Feldanwendungen durch MSU-CBS in Zusammenarbeit mit der US Geological Survey (USGS).Das erwartete Ergebnis aus dem vorgeschlagenen Projekt wird also ein deutlich verbessertes Grundlagenwissen über MECBM Prozesse sein, welches mit dem neu entwickelten Simulationswerkzeug in Kombination mit experimentellen Studien am MSU-CBE auf der Labor- und Feldskala erzielt wird. Die Entwicklung von Simulationskapazitäten soll aber in keinster Weise die Wichtigkeit von Experimenten schmälern, aber die Simulation wird einen entscheidenden Beitrag leisten, um die vorhandenen Ressourcen of die wesentlichen experimentellen (Feld-)Studien zu fokussieren.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1006: Bereich Infrastruktur - Internationales Kontinentales Bohrprogramm, Teilprojekt: Bildung von Rhyolithen und Bedingungen in rhyolitischen Magmakammern der 'Snake River Plain' Provinz, USA.

Die Snake River Plain-Yellowstone Provinz (SRP) weist ein einzigartiges Vorkommen von bimodalem Magmatismus auf (Basalte-Rhyolithe). Die Intrusion von Basalten in der tiefen Kruste ist mit einem Recycling der kontinentalen Kruste verbunden, der zur Bildung von Rhyolithen geführt hat. Mehrere Modelle werden zurzeit für die Bildungsprozesse der Rhyolithe erwähnt (u.a., Fraktionierung von Basalten, Assimilation, Teilschmelzprozesse von Krustenmaterial). Die Modelle sind jedoch nicht experimentell getestet worden und bleiben qualitativ. In diesem Projekt soll untersucht werden, in wie fern Rhyolithe aus Teilschmelzprozessen von Krustenmaterial entstehen können. Hochdruckexperimente werden durchgeführt, um Teilschmelzprozesse in typischen Ausgangsgesteinen zu simulieren. Zwei Zusammensetzungs-Typen, die öfters als Quelle vorgeschlagen wurden, werden untersucht: hydrothermal alterierte Rhyolithe und basaltische Gesteine. Die geochemische Zusammensetzung (Hauptelemente und Spurenelemente) der experimentellen Schmelzen werden mit natürlichen Gläsern von ICDP Proben und von weiteren eruptiven Einheiten verglichen. Die Zusammensetzung der natürlichen Gläser wird weiterhin benutzt werden, um die Tiefe der Magma-Reservoire mit Hilfe eines neu kalibrierten Barometers zu bestimmen. Proben von einigen eruptiven Einheiten (u.a., aus Kimberley and Sugar City Bohrungen) werden ausgewählt um zu testen, ob einzelne Eruptionen aus mehreren Magma-Reservoiren gespeist werden. Die experimentelle Arbeit und die Untersuchung der natürlichen Proben (ICDP Bohrungen und SRP) werden hilfreich sein um die Entstehungsprozesse der Rhyolithe zu klären (Quelle, Bedingungen). Weiterhin wird die Arbeit einen wichtigen Beitrag leisten, um die Entwicklung der Tiefe und der Temperatur der rhyolitischen Magmakammer seit dem Beginn der vulkanischen Aktivität vor 16 Millionen Jahren nachzuvollziehen.

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