Samstag, 3. Dezember 2016

Book for Christmas


Hier ein Buchtipp zu Weihnachten: 
"Wie man mit dem Feuer philosophiert - Chemie und Alchemie für Furchtlose" von Jens Soentgen,  Peter Hammer Verlag 2015.

Das Buch beginnt mit "Waldchemie" wie Sie bei den Naturvölkern dieser Welt betrieben wurde und wird. Der Autor berichtet über Elefantenkotpapier, Curare, Gummi, Seife, Kampfer und andere Stoffe. Im zweiten Teil des Buches folgt die Alchemie. Sehr schön zu lesen ist das Kapitel über die Entdeckung des Phosphors. Der Leser erfährt wie mühsam es früher war, Salpeter aus den Wänden und Böden von Jauchengruben und Ställen zu gewinnen. Das war kein Hobby von Alchemisten sondern ein strategischer Rohstoff. Salpeter war notwendig, um Schwarzpulver herzustellen. Schwarzpulver brauchten die damaligen Warlords, um Kriege zu gewinnen. 
Der dritte Teil des Buches ist mit "Laborchemie" überschrieben. Hier werden verschiedene Höhepunkten der Chemie vom achtzehnten bis zum zwanzigsten Jahrhundert dargestellt. In diesem Kapitel gibt es eine brillante Erklärung der Phlogistontheorie. Diese versteht jeder Laie! Dabei machen sich die didaktischen Fähigkeiten des Autors bemerkbar. Außerdem erfährt der erstaunte Leser zum Beispiel, dass Heroin um 1900 ein gebräuchliches Medikament gegen Husten war. Auch über die finstere Seite der Chemie wird berichtet: Giftgas im ersten Weltkrieg und KZ-Häftlinge als billige Arbeitskräfte in der deutschen Chemieindustrie während des zweiten Weltkrieges.
Im einem separaten Teil des Buches  werden Experimente mit Naturstoffen und Haushaltschemikalien beschrieben. Praktisch, nachvollziehbar und manchmal überraschend einfache Experimente. 
Die Illustrationen von Vitali Konstantinov sind eine Klasse für sich. Das gesamte Buch ist in den Leitfarben Rot und Schwarz gehalten. Die Illustrationen spielen mit alchemistischen Symbolen, ergänzen den Text hervorragend (siehe Abbildung) und sorgen dafür, dass das Gelesene nicht so schnell vergessen wird. 
Insgesamt ein wunderschönes Buch für (größere) Kinder, Jungendliche und Erwachsene mit Interesse an Chemie und Experimenten!






Mittwoch, 30. November 2016

Literature on Carbanions

Literatur über Carbanionen

In der organischen Chemie macht man sich schon lange Gedanken über die Stabilität von Carbanionen. Daher stammt die meiste grundlegende  Literatur zu diesem Thema aus diesem Gebiet. Hier für Interessenten noch weiterführende Literatur zum Thema Carbanionen:

Links auf Webseiten über Carbanionen:

Samstag, 26. November 2016

Stability of Carbanions

Stabilität von Carbanionen

Im letzten Post berichtete ich über ein neuartiges Carbanion, welches ausschließlich von Trichlorsilylgruppen stabilisiert wird (siehe Abb. 1). Welche Substituenten sind überhaupt in der Lage Carbanionen zu stabilisieren? Was sind das für Substituenten, was für Eigenschaften müssen diese haben?


Abbildung 1: Neuartiges hoch symmetrisches Carbanion (Eur. J. Inorg. Chem. 2016, 5028-5035)

Ein Methanidion CH3- besitzt eine negative Ladung. Diese ist weitghend am Kohlenstoffatom lokalisiert. Dadurch ist dieses Anion sehr energiereich und damit hoch reaktiv. Ein solches Anion reagiert sofort mit jedem verfügbaren Reaktionspartner. Durch geeignete Substituenten können Cabanionen stabilisiert werden. Folgende generelle Prinzipien zur Stabilisierung von Carbanionen können aufgezählt werden:

1. Elektronenziehende Substituenten stabilisieren Carbanionen, indem sie Elektronendichte vom negativ geladenen Kohlenstoffatom aufnehmen. Die elektronenziehende Wirkung solcher Substituenten werden in der organischen Chemie als induktive und mesomere Effekte klassifiziert. Ein elektronenziehender induktiver Effekt (-I ) wirkt über die sigma-Bindung. Ein elektronenziehender mesomerer Effekt (-M) wirkt über pi-Bindungen.
Beispiele für Substituenten mit -I-Effekt sind Fluoratome und wie wir seit jüngstem wissen Trichlorsilylgruppen. Beispiele für Substituenten mit -M-Effekt sind Nitrogruppen (NO2), Cyanogruppen (CN) und verschiedene Sulfonate und andere Gruppen mit S=O-Doppelbindungen.

 Abbildung 2: Beispiele für Carbanionen mit elektronenziehenden Substituenten (Literaturstellen am Ende des Posts)

2. Aromaten und andere Systeme mit Doppelbindungen können ebenfalls Carbanionen stabilisieren. Im einfachsten Fall genügt schon eine Substitution mit mehreren Phenylgruppen zur Stabilisierung eines Carbanions. Sehr viele Varianten dieses Grundmusters sind möglich: Naphthylgruppen, Diphenylderivate, substituierte Phenylgruppen wie para-Fluorophenyl oder Pentafluorophenyl. 



Abbildung 3: Beispiel für ein durch Aromaten stabilisiertes Carbanion (Literaturstellen am Ende des Posts)

3. Silylsubstituenten sind offensichtlich ebenfalls in der Lage Carbanionen zu stabilisieren. Es gibt in der Literatur eine Reihe von Beispielen bei denen Silylsubstituenten für diesen Zweck genutzt wurden. Diese besitzen meist zusätzlich sterisch anspruchsvolle Gruppen wie tert-Butyl oder Aromaten.


Abbildung 4: Carbanionen mit Silyl-Substituenten (Literaturstellen am Ende des Posts)

4. Phosphorylide sind sozusagen "verkappte" Carbanionen. Die negative Ladung des Carbanions wird hier durch die Wechselwirkung mit einer Triorganylphosphinogruppe stabilisiert. Ich wurde kürzlich von Hubert Schmidbaur darauf aufmerksam gemacht, dass er bereits in den 1970er Jahren Ylide untersuchte, die unter anderem auch durch Trichlorsilylgruppen stabilisiert wurden. 


Abbildung 5: Beispiele für Phosphorylide mit Silyl-Substituenten (oben) und allgemeine Grenzstrukturen für  Phosphorylide (unten)



Literaturstellen:
Elektronenziehende Substituenten:
  • P. Andersen, B. Klewe, Nature 1963, 200, 464-464.
  • J. R. Witt, D. Britton, Acta Cryst. 1971, B27, 1835-1836 and references cited therein.
  • M. Göbel, T. M. Klapötke, Z. Anorg. Allg. Chem. 2007, 633, 1006-1017.
  • T. M. Klapötke, F. X. Steemann, Propellants Explos. Pyrotech. 2010, 35, 114-129.
Aromaten:
  • W. Schlenk, J. Holtz, Ber. Dtsch. Chem. Ges. 1916, 49, 603-608.
  • S. Harder, Chem. Eur. J. 2002, 8, 3229-3232.
    Silylsubstituenten:
    • A. I. Almansour, C. Eaborn, S. A. Hawkes, P. B. Hitchcock, J. D. Smith, Organometallics 1997, 16, 6035-6037.
    • N. Wiberg, G. Wagner, G. Reber, J. Riede, G. Müller, Organometallics 1987, 6, 35-41.
    •  H. Li, A. J. A. Aquino, D. B. Cordes, F. Hung-Low, W. L. Hase, C. Krempner J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 16066-16069.

    Phosphorylide:
    • H. Schmidbaur, W. Malisch, Angew. Chem. 82, 1970, 84-85.
    • H. Schmidbaur, W. Malisch, Chem. Ber. 1970, 103, 3007-3018.
    • H. Schmidbaur, W. Malisch, Chem. Ber. 1971, 104, 150-159.
    Weitere Beispiele:
    • K. E. Krahulic, H. M. Tuononen, M. Parvez, R. Roesler, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 5858–5865.

    Mittwoch, 23. November 2016

    A New Type of Carbanion

    Ein neuartiges Carbanion

    Bei der Reaktion von Si2Cl6 mit Tetrabutylammoniumchlorid in Methylenchlorid entsteht hauptsächlich ein siliciumhaltiger Sechsring. Dieser wurde bereits in der Literatur beschrieben. Bei genauer Untersuchung des Reaktionsverlaufs entdeckten wir ein unerwartetes Nebenprodukt. Durch eine Nebenreaktion mit dem Lösungsmittel entsteht [n-Bu4N][C(SiCl3)3]. Die Trichlorsilylgruppen der Verbindung liefern ein 29Si-NMR Signal  bei -11 ppm. Dieses wurde in der Literatur als „a yet unknown species“ bezeichnet (J. Tillmann et al., Chemistry 2014, 20, 9234-9239). Ein zusätzliches Hindernis bei der Aufklärung der Struktur war, dass das zentrale Kohlenstoffatom unter Standardmessbedingungen im 13C-NMR unsichtbar ist! So konnte erst die Kristallstrukturanalyse endgültigen Aufschluss über die Struktur der unbekannten Verbindung geben.

    Abbildung 1: Molekülstruktur im Kristallgitter mit Fehlordnung (links) und die sich daraus ergebende Formel des Moleküls (rechts).

    Die Strukturanalyse des Produktes war äußerst schwierig, da die Verbindung stark fehlgeordnet kristallisiert (siehe Abbildung 1). Das bedeutet die Atome besetzen nicht nur eine Position im Kristallgitter, sondern mehrere Positionen! Nach sorgfältiger Analyse der Röntgendaten wurde die Struktur der Verbindung entschlüsselt. Es handelt sich um eine ionische Verbindung. Das Tetrabutylammoniumion bildet das Kation in der Struktur (Abbildung 1 oben). Das Anion ist ein hochsymmetrisches Carbanion (Abbildung 1 unten). Das formal negativ geladene Kohlenstoffatom wird durch drei Trichlorsilylgruppen stabilisiert. Berechnungen haben gezeigt, dass das freie Elektronenpaar am zentralen Kohlenstoffatom über die antibindenden Si-Cl-Orbitale delokalisiert ist (Abbildung 2). Das ist ein schönes Beispiel für negative Hyperkonjugation.

    Abbildung 2: Wechselwirkung des freien Elektronenpaars am zentralen Kohlenstoffatom mit einem antibindenden Si-Cl-Orbital. 

    Literatur: Uwe Böhme, Maik Gerwig, Franziska Gründler, Erica Brendler, Edwin Kroke: Unexpected Formation and Crystal Structure of the Highly Symmetric Carbanion [C(SiCl3)3]-, Eur. J. Inorg. Chem. 2016, 5028-5035 (https://doi.org/10.1002/ejic.201600763).

    Donnerstag, 17. November 2016

    Verhaltensregeln an der Uni


    Aktuell zum neuen Wintersemester:

    https://www.uni-kassel.de/fb07/fileadmin/datas/fb07/4-Studium/wiwiaktuell/Ausgabe_SoSe_14_wiwi_aktuell_web.pdf
    Abbildung: Die E-Mail an die Professorin / den Professor: Kleiner Ratgeber zur Erhöhung der Antwortwahrscheinlichkeit auf Seiten 14-15 von "Wiwi Aktuell" - Das Magazin des Fachbereichs Wirtschaftswissenschaften der Universität Kassel vom Sommer 2014.

    Mittwoch, 16. November 2016

    Checkliste fürs Chemie-Studium - Was soll ich studieren?




    Vom Youtube-Channel The Secret Life of Scientists

    Samstag, 12. November 2016

    Chemistry Experiments in School

    Chemieexperimente in der Schule

    In den letzten Jahren erschienen mehrfach dramatische Presseberichte zu Unfällen im Chemieunterricht. So berichtete zum Beispiel Spiegel Online am 10.12.2104: "Chemieunfall im Unterricht - 26 Schüler im Krankenhaus" Weil an einem Mecklenburger Gymnasium eine Flasche mit giftigem Brom zerbrach, mussten 26 Schüler ins Krankenhaus. Die Kinder hatten über Kopfschmerzen und Übelkeit geklagt.
    Die Berliner Morgenpost schreibt am 21.04.2010: "Lehrer und Schüler nach Bromunfall in Klinik"
    Im Zehlendorfer Droste-Hülshoff-Gymnasium hatte eine Lehrerin einen Versuch für den Chemieunterricht vorbereit. Doch das ging schief. Sie verschüttete flüssiges Brom - eine gefährliche Chemikalie. Die Pädagogin, einer ihrer Kolleginnen und vier Schüler mussten ins Krankenhaus.
    Weiter geht es in der Stuttgarter Zeitung vom 16.09.2011: "Chemieunfall in Weil am Rhein - Schüler lässt Flasche mit Brom fallen"
    Diese und ähnliche Berichte waren Anlass für die Naschrichten aus der Chemie, sich diesem Thema zuzuwenden. Los ging es mit dem Bericht von Klaus Ruppersberg "Brom in der Schule" (Nachr. Chem. 63, 2015, 540-542) Darin diskutiert er, ob elementares Brom wirklich für guten Chemieunterricht erforderlich ist. Er kommt zu dem Schluss, dass dieses nur für sehr wenige Schulexperimente benötigt wird und der mögliche Schaden in keinem vernünftigen Verhältnis zum Nutzen steht. Der Autor empfiehlt stattdessen Bromwasser zu verwenden oder Filme abzuspielen. Kurze Zeit später erschienen in den Nachrichten aus der Chemie zwei weitere Beiträge, in denen Pro und Contra zur Verwendung von Brom im Schulunterricht diskutiert werden: T. Seilnacht "Experimente mit Brom an Schulen sind zu kostspielig" (Nachr. Chem. 62, 2015, 892) und E. Täuscher und D. Weiß "Brom - aber selbstverständlich"  (Nachr. Chem. 62, 2015, 893). Eine differenzierte Betrachtung erschien im Februar 2016 unter der Überschrift "Gefahrstoffe und Experimentalkompetenz (Nachr. Chem. 64, 2016, 145-148). Dort wurden darauf hingewiesen, dass die praktische Ausbildung unserer künftigen Chemielehrer möglicherweise zu kurz oder sogar mangelhaft sein könnte.


    Brom in einer Ampulle (Quelle: Wikimedia Commons)

    Im Internet findet man verschiedene Webseiten mit Experimenten für die Schule (siehe Linkliste unten). Aber wenn der Lehrer während seines Studiums niemals sicher zu experimentieren gelernt hat, wird er vor seinen Schülern wahrscheinlich nicht das vorführen, was er selber nicht sicher beherrscht. Oder er führt es vor und dabei geht etwas schief. Eine mangelhafte praktische Ausbildung der Lehrer könnte einer der Gründe sein, warum gehäuft Experimentierunfälle in Schulen passieren. Einen Überblick über Unfälle im Chemieunterricht und deren Folgen gibt der Artikel "Unfälle im Chemieunterricht und deren rechtliche Folgen" von K. Ruppersberg.
    Übrigens: Wir können an der Universität keinen Ersatz für mangelnde Experimente im Chemieunterricht für die Schüler leisten. Punktuell ist es möglich, Praktika für Schüler durchzuführen. Aber bei manchen Anfragen von Schulen habe ich den Eindruck, dass hier Defizite aus dem Schulunterricht wettgemacht werden sollen. An der Universität haben wir andere Aufgaben, nicht die Experimente für ganze Schulklassen nachholen.


    Webseiten mit Experimenten für die Schule:
    • Experimentalchemie.de ist nach eigenen Angaben eine Informationplattform rund um chemische Experimente für die Schule, die Universität und zu Showzwecken. Man findet eine große Anzahl an spannenden und lehrreichen chemischen Versuchen mit detaillierten Versuchsbeschreibungen, die besonderen Wert auf die Sicherheit legen. Chemie zum Anfassen!
    • Netexperimente.de - bietet chemische Experimente aus verschiedensten Bereichen der Chemie. Alle Experimente sind von Fachdidaktikern erprobt und mit Materialsammlung, Durchführungsanweisung und Ergebnisauswertung versehen, um in Schule, Studium oder Heimlabor möglichst einfach eingesetzt zu werden.
    • Experimentas.de ist eine Sammlung von Gefährdungsbeurteilungen für Experimente im schulischen Chemieunterricht. Für die Experimente selbst gibt es jeweils eine kurze Anleitung.
    • Chemieexperimente.de enthält eine Fülle von Experimenten für den Chemieunterricht. Die Versuche sind erprobt und haben sich über Jahre bewährt.
    • Chemieunterricht.de - Liste chemischer Experimente für Grundschule und Chemieunterricht auf Professor Blumes Bildungsserver für Chemie.
    • Chemkids - Experimentalwettbewerb der Klassenstufen 4 bis 8 in den östlichen Bundesländern.

      Samstag, 5. November 2016

      Der Zustand der deutschen Professorenschaft

      Prof. Eric Hilgendorf machte sich 2002 Gedanken über dieses Thema. Anlass war ein Festvortrag zur 600-Jahr-Feier der Universität Würzburg mit dem Titel "Abschied vom deutschen Professor?- Amt und Würden des Professors im Wandel der Zeiten". Ausgangspunkt der Rede ist die Dienstrechtsänderung für Professoren verbunden mit der Einführung der W-Besoldung. Darauf folgt eine kenntnisreiche Darstellung der historischen Entwicklung des deutschen Professorenstandes, für Interessenten lesenswert.
      Unter anderem zitiert er Max Webers Postulat der Werturteilsfreiheit. Dieses besagt, dass Hochschullehrer sehr genau zwischen der Vermittlung der eigenen Wissenschaftsdisziplin und politischen Äusserungen unterscheiden sollten: "Es könne nicht angehen, dass Professoren die Zwangslage des Studenten, um seines Fortkommens willen Vorlesungen hören zu müssen, dadurch ausbeuteten, dass sie ihm neben der Schulung seines Denkens und der Vermittlung von Kenntnissen auch noch die eigene private Weltanschauung einzuflößen versuchten." (nach: M. Weber, Der Sinn der „Wertfreiheit" der soziologischen und ökonomischen Wissenschaften, 1917, in Gesammelte Aufsätze zur Wissenschaftslehre, abrufbar unter Universitätsverlag Potsdam.
      Sehr schön und für manch Einen wert darüber nachzudenken sind auch die 10 Gebote für Professoren, die er in seiner Rede zitiert (nach: A. Morkel, Die Universität muss sich wehren. Ein Plädoyer für ihre Erneuerung, 2000, S. 55.):
      1. Habe keine Nebentätigkeiten!
      2. Nimm die Residenzpflicht ernst!
      3. Versäume keine Lehrveranstaltung!
      4. Halte höchstens einen auswärtigen Vortrag im Semester !
      5. Bevor du ein neues Forschungsprojekt beantragst, beende das alte!
      6. Verwechsle die Lehrkanzel nicht mit einer politischen Rostra!
      7. Scheue dich nicht, Kollegen zu berufen, denen du nicht das Wasser reichen kannst!
      8. Laß deine Schüler über dich hinauswachsen!
      9. Schreibe kurz und verständlich; das ist eine Form der Nächstenliebe!
      10. Bevor du etwas veröffentlichst, laß es neun Monate liegen; vielleicht kommen dir bis dahin Zweifel an seiner Publikationswürdigkeit!
       Diese ergänzt er noch um zwei Punkte:
      • Behandle die dir anvertrauten Studierenden gerecht, offen und hilfsbereit!
      • Sei im Umgang mit Kollegen freundlich und zuvorkommend! Rede in Sitzungen nicht zuviel, schimpfe nicht unnötig und beschränke den Klatsch auf ein Minimum!


          Abbildung: Carl Spitzweg "Der Bücherwurm" (Quelle: Wikimedia Commons)

          Mittwoch, 2. November 2016

          Looking at other Blogs

          Andere Blogs

          Heut mal ein Blick über den Tellerrand hinaus auf Blogs von Anderen.

          Der Name "Rentnerblog" ist ziemlich irreführend. Es geht um Vieles, um Interessantes, aber nicht um Rentnerprobleme. Es gibt wohl keine Webseite, die derart tiefgreifende Analysen und Informationen rund um das berühmte Karlsruher Institut für Technologie (KIT) bietet. Die Informationen sind teilweise mit der Meinung des Autors durchmischt, aber das ist das gute Recht eines Blogautors. Mein Votum: Weiter so! Nur eventuell einen besseren Titel für diesen Blog finden.
          Bericht über den Rentnerblog bei huber-net.de.

          "NukeKlaus.de" berichtet über verschiedene Aspekte der Reaktortechnologie, Kernspaltung und Energiewirtschaft. Hier ein Bericht über diesen Blog. Auf diesem Blog muss ich bei Gelegenheit mal ein wenig lesen, hatte bisher keine Zeit dafür.

          http://nukeklaus.de/

          Im ScienceSkepticalBlog schreiben mehrere Autoren über Themenkomplexe wie Nachhaltigkeit, Ökologismus, Klimaforschung und Klimapolitik, Energiewende oder Technophobie. Will ich mich demnächst auch noch tiefer einlesen, bis dahin erst mal hier ein Kommentar zu diesem Blog.

          http://www.science-skeptical.de/
          [Wird demnächst noch überarbeitet.]

          Samstag, 29. Oktober 2016

          International Master Programs

          Internationale Masterstudiengänge

          An der TU Bergakademie Freiberg gibt es inzwischen mehrere Internationale Masterstudiengänge. Zwei dieser Studiengänge mit MBA-Abschlüssen sind von der ASIIN akkreditiert worden (siehe Pressemitteilung von 2012). Eine Übersicht über die aktuell angebotenen Englischsprachigen Masterstudiengängen gibt es hier:
          • Advanced Mineral Resource Development
          • Computational Materials Science
          • Geoscience
          • Groundwater Management
          • International Management of Resources and Environment (IMRE)
          • International Business of Developing and Emerging Markets (IBDEM)
          • Sustainable Mining and Remediation Management (MoRe)


          http://tu-freiberg.de/sites/default/files/media/internationales-universitaetszentrum-alexander-von-humboldt-170/pdf/flyer_intern_master_programmes.pdf


          [ohne Kommentar]

          Samstag, 22. Oktober 2016

          Der Mikromaster


          Letztens bin ich über den Begriff "Mikromaster" gestolpert. Da ich nicht wusste was das ist, habe ich danach recherchiert. Hier die Ergebnisse der Recherche:

          • Die Mikro-Master - Die magische Vervielfältigung von Studienabschlüssen im Rahmen der Bologna-Reform von Stefan Kühl bei Academics.de
          • Winzige Mogelpackungen - Studenten müssen heute aus Tausenden von unterschiedlichen Studienfächern auswählen. Im Prinzip kann sich inzwischen jeder einzelne Professor „seinen“ ganz eigenen kleinen Master basteln. Aber: Das große Master-Sterben ist schon jetzt programmiert. Stefan Kühl in Frankfurter Allgemeine vom 06.11.13
          • Bildung ohne Wert: Mikromaster und Minidoktor. Ein Essay von Andrea Roedig in derStandard.at vom 30.05.15

          Da fällt mir ein, dass der Begriff schon mal auftauchte, als ich über Literatur zum Zustand unserer Universitäten berichtete.

          Mittwoch, 19. Oktober 2016

          New Technologies - Part 2

          Brennstoff für Raketen drucken

          Ein Startup-Unternehmen aus Singapore hat erfolgreich eine Rakete gestartet, deren Brennstoff aus dem 3D-Drucker kommt. So berichtete die "Strait Times" im August 2016. Gedruckt wurden zwei Komponenten eines Festbrennstoffs mit einem speziellen 3D-Drucker. Welche Komponenten dies sind und die Details des Druckverfahrens sind Geschäftsgeheimnisse der Firma.  Die Firma erhält finanzielle Untertützung der National Research Foundation von Singapore. Die Firma will  Raketen entwickeln, die Satelliten für ca. 5 Millionen US-Dollar in die Erdumlaufbahn bringen kann. Gegenwärtig kostet es 15 Millionen US-Dollar einen Satelliten in den Orbit zu schicken.  
          Auf der Webseite des World Economic Forums werden die verschiedenen zukunftsträchtigen Anwendungen des 3D-Drucks für die Weltraumtechnologie beleuchtet (Überschrift: "Why 3D printing is taking off in space"):
          • 3D-Druck im Weltraum unter den besonderen Bedingungen der Schwerelosigkeit
          • 3D-Druck im Weltraum um benötigte Bauteile selbst herzustellen
          • 3D-Druck von Raketen und Raketenbauteilen
          • 4D-Druck für sich selbst anpassende oder veränderbare Bauteile 
          Allerdings wird dort in dem Artikel auch darauf hingewiesen, dass diese Technologie  zu langsam für die Massenproduktion ist und die Genauigkeit bei der Herstellung der Bauteile noch verbessert werden muss. Der Originalartikel zu diesem Thema mit zahlreichen Illustrationen erschien zuerst auf der Webseite TheConversation.com.
          Ganz eigene Gedanken über den 3D-Druck macht sich "Nukeklaus" in einem Blogeintrag mit der Überschrift "3D-Drucker und die Bombe".



          Hier noch mehr Anregungen für den 3D-Druck: "17 Incredible 3D Printed Objects"





          Samstag, 15. Oktober 2016

          New Technologies - Part 1


          PowerPaste - Strom immer und überall

          So verspricht es eine Pressemitteilung des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Dresden. Die originelle Idee der Wissenschaftler besteht darin, das energiereiche Magnesiumhydrid mit einem geeigneten Material zu einer Paste zu verarbeiten. Wird diese Paste in Wasser gegeben, so entsteht Wasserstoff. In geeigneter Kombination mit einer Brennstoffzelle kann aus dieser Paste Strom gewonnen werden. Folgendes Schema beschreibt die ablaufenden Reaktionen:
          MgH2-Paste   +  Wasser  Wasserstoff   +   Mg(OH)2
          Wasserstoff   +   Sauerstoff in Brennstoffzelle  Wasser   + Strom

          Weiter heisst es in der Pressemitteilung: "Die völlig ungiftige und sichere PowerPaste zeichnet sichdurch eine sehr hohe Energiedichte bezogen auf Gewicht und Volumen sowie durch eine extrem lange Haltbarkeit aus. In Zukunft wird die PowerPaste in handelsüblichen Wechselkartuschen erhältlich sein. Der Energiegehalt der Paste beträgt mehr als das Zehnfache heutiger Lithium-Ionen-Batterien. Ein langwieriges Wiederaufladen ist nicht erforderlich, denn zur dauerhaften Stromerzeugung können beliebig viele Kartuschen nacheinander zum Einsatz kommen." Die Paste wurde zum Patent angemeldet.
          "Fraunhofer-Energiepaste spendet Strom für den Urlaub" so titelt sehr optimistisch und weit in die Zukunft hinaus blickend die Webseiter Oiger. Welche Anwendungen Terroristen für die Energiepaste finden könnten, wage ich mir gar nicht auszumalen. Noch mehr Informationen über die Forschungsarbeiten Dresdner Wissenschaftler zu verschiedenen Möglichkeiten der Energiespeicherung gibt es hier

          Dienstag, 20. September 2016

          Books on Organosilicon Chemistry

          Siliciumorganische Chemie


          Das Standardwerk über siliciumorganische Chemie sind auf jeden Fall die Bände "The Chemistry of Organic Silicon Compounds" herausgegeben von Z. Rappoport und S. Patai. Hier muss der Leser bei der Suche in der Bibliothek aufpassen, dass er nichts übersieht. Denn es gibt mehrere Ausgaben, deren Inhalte sich nicht überscheniden sondern ergänzen.
          Die erste Ausgabe stammt von 1989 und besteht aus zwei Bänden. Die zweite Ausgabe ist von 1998 und besteht aus drei Bänden. Also insgesamt sind 5 Bände zu durchsuchen. Angesichts des hohen Preises (siehe Link unten) ist das sicher nichts für den heimischen Bücherschrank, aber in einer guten Universitätsbibliothek sollten die Bände zu finden sein.


          Voll konzentriert auf Anwendungen in der organischen Synthese ist das "Handbook of Reagents for Organic Synthesis: Reagents for Silicon-Mediated Organic Synthesis"
          herausgegeben von P. L. Fuchs und A. J. Pearson von 2011. Der Leser wird überrascht sein, welch vielfältige Anwendungen siliciumorganische Verbindungen in der organischen Chemie besitzen. Auch einfach mal im Buch stöbern ist nützlich und liefert neue Anregungen.
          Schließlich der Höhepunkt, der im Moment meine volle Begeisterung genießt, ist das von H. W. Roesky herausgegebene Buch "Efficient Methods for Preparing Silicon Compounds" von 2016. Hier spiegelt sich der neueste Forschungsstand wider. Alle siliciumorganischen Verbindungsklassen die in den letzten Jahren neu entdeckt und untersucht wurden sind hier versammelt: Silyl-Radikale, Silyl-Anionen, Silyl-Kationen, Silylene, Disilene, Silsesquioxane, Si(II)-Komplexe, und Silylen-Komplexe. Es gibt in jedem Abschnitt eine kurze Erklärung und Einführung in die Verbindungsklasse, danach folgen die Synthesevorschriften. Diese sind allerdings nicht für Anfänger geeignet, sondern sollten nur von fortgschrittenen Studenten oder Doktoranden nachgearbeitet werden. Weiterführende Literaturstellen runden jedes Kapitel ab.




          Samstag, 4. Juni 2016

          Raw Materials and Resources - Part 12

          Ressourcen und Prognosen - Teil 12 und Schluss der Reihe

          Die Rohstoffsituation in Deutschland war Ausgangspunkt dieser Artikelreihe. Darüber wurde in Teil 1 berichtet. Wie lange reichen die Energierohstoffe zur Versorgung der Weltbevölkerung? Dieser Frage gingen Teil 2, 3 und 4 dieser Artikelreihe nach. Die Teile 5 und 6 lieferten wesentliche Informationen über kritische oder strategische Rohstoffe. Wenn man sich mit diesen Themen beschäftigt, kommt man unweigerlich zu Fragen wie die natürlichen Ressourcen verteilt sind und ob es Methoden zur Abschätzung der noch verfügbaren Reserven gibt. Darüber wurde in Teil 7 und 8 berichtet. Weiter ging es über Ausflüge in die Welt der Statistik (Exkurs A) und Fraktale (Exkurs B) hin zu den Modellen, die Entwicklungen in Natur und Gesellschaft widerspiegeln sollen (Teil 9). In dem Zusammenhang sind wir auf das exponentielle Wachstum gestoßen und ich habe versucht, den Lesern die Angst davor zu nehmen (Exkurs C). Das thermodynamische „Thanatia“- und das „HANDY“-Modell sind hochaktuell, wagen sich weit in die Zukunft hinaus zu blicken und wurden in eigenen Kapiteln behandelt.
          „Prognosen sind eine schwierige Sache. Vor allem, wenn sie die Zukunft betreffen“ stellte bereits Mark Twain fest. Wachstumsprognosen liegen oft daneben. Grenzen des Wachstums wurden vorhergesagt, treten dann aber gar nicht ein. Immer wieder gibt es völlig neue technische Erfindungen und alternative Entwicklungen, die zum Zeitpunkt als die Prognose gemacht wurde noch gar nicht vorhersehbar waren. Beispiele für falsche Prognosen ziehen sich durch die Geschichte wie eine Spur der menschlichen Unzulänglichkeit. Seien es nun die übertriebenen Hungerszenarien von Malthus oder die pessimistischen Prognosen des Club of Rome. Der saure Regen, das Waldsterben, das Ozonloch – diese Probleme wurden und werden durch gemeinsame Anstrengungen überwunden.

          Nicht unterschätzt werden sollte der menschliche Erfindergeist. Dieser liefert immer wieder alternative Lösungen, die vorher undenkbar waren. So führte im 20. Jahrhundert die Erfindung des Automobils zur Ablösung der Pferde als Haupttransportmittel. Überliefert ist in dem Zusammenhang ein Zitat von Henry Ford: „Wenn ich die Menschen gefragt hätte, was sie wollen, hätten sie gesagt schnellere Pferde.“ Als sich das Automobil als Verkehrsmittel durchgesetzt hatte, war das Umweltproblem des Pferdemistes in den Straßen von New York erledigt. Dafür entstanden aber ganz neue Umweltprobleme.
          Man könnte provokant fragen: Werden Ressourcen überhaupt je knapp? Oder einfach durch eine neue Technologie überflüssig und ersetzt? (siehe Abbildung) Diesen Fragen geht ein Artikel im Science Skeptical Blog nach. Es gibt verschiedene Ansätze, ungeahnte oder bisher nicht genutzte Ressourcen zu erschließen. Die unten stehenden Links bieten dafür zahlreiche Beispiele. Jede Krise setzt neue Kräfte frei. Jedes Problem gebiert neue Ideen und Erfindungen. Jede Preissteigerung eines Rohstoffes führt zu neuen Technologien, die uns von diesem Rohstoff unabhängiger machen. Mit jeder neuen Technologie werden wir stärker und mächtiger bei der Bewältigung der anstehenden Aufgaben. In diesem Sinne möchte ich mit dem Aufruf schließen: Bleiben Sie optimistisch!


          Abbildung: Rohstoffpreise für einen Rohstoff (oben). Punkt A: Steigende Preise initiieren die Forschung nach alternativen Technologien. Punkt B – Break Even: Der Preis für die konventionelle Erzeugung des Rohstoffes ist gleich dem Preis für die Erzeugung durch die alternative Technologie. Die Produktionsmenge des Rohstoffes (unten) folgt zunächst einer logistischen Kurve. Bei Eintreten der Sättigung setzt sich die neue Technologie durch und führt zu einer erneuten Eskalation.



          Beispiele für Ressourcengewinnung aus bisher nicht genutzten Quellen:



          Bekanntmachung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung: Richtlinien zur Fördermaßnahme „r4 – Innovative Technologien für Ressourceneffizienz – Forschung zur Bereitstellung wirtschaftsstrategischer Rohstoffe“ für Bildung und Forschung



          Die besten Zitate zu Trend- und Zukunftsforschung von der Webseite von Matthias Horx

          Samstag, 28. Mai 2016

          Raw Materials and Ressources - Books

          Bücher über Rohstoffe und Ressourcen

          Geeignete Lektüre über kritische Metalle und strategische Rohstoffe bieten folgende Bücher:


          Grundlegendes über Lagerstättenkunde und Exploration findet man in diesen Titeln:



          "Mineral Resource Estimation" von M. E. Rossi und C. V. Deutsch, Springer, Dordrecht 2014. Die Abschätzung von Mineralvorkommen hat sich in den letzten 25 Jahren stark verändert. Geostatistische Methoden haben sich durchgesetzt und entwickeln sich weiter. Numerische Modellierungen sind mit der gegenwärtigen Computertechnik problemlos möglich. Die modernen Methoden zur Schätzung von Mineralvorkommen sind in diesem Buch zusammengefasst.

          "Quantitative Mineral Resource Assessments: An Integrated Approach" von D. A. Singer und W. D. Menzie, Oxford University Press, Oxford 2010. Politiker, Explorationsexperten und Planungsbehörden entscheiden wie Gebiete, in denen sich unentdeckte Rohstoffe befinden können, genutzt werden sollen. Entscheidungen hinsichtlich der Nutzung von Mineralvorkommen werden nicht nur auf der Grundlage der vermuteten Mengen an Rohstoffen getroffen, sondern Politik, Umweltschutz und die regioniale Entwicklung spielen eine große Rolle bei allen Entscheidungen. Dieses Buch berücksichtigt explizit alle Faktoren, die bergbaubezogene Entscheidungen beeinflussen. Damit können Entscheidungsträger in Politik und Wirtschaft die möglichen Folgen ihrer Entscheidungen besser überblicken. Die Autoren nutzen das dreistufige Verfahrens des United States Geological Survey zur Beurteilung unbekannter Mineralvorkommen als Grundlage.



          "Thanatia: the Destiny of the Earth's Mineral Resources" von A. V. Capilla und A. V. Delgado, World Scientific, New Jersey 2015. In diesem Buch wird eine streng thermodynamische Theorie zum Verständnis der Ressourcenausbeutung entwickelt. Die Autoren fragen sich, ob aus unserem Planeten ein ausgebeutetes "Thanatia" ohne Ressourcen werden könnte. Unter dem Begriff Thanatia versteht man einen Planeten, bei dem alle Ressourcen gleichmäßig über die Oberfläche verteilt sind. Es gibt keine Minerallagerstätten, sondern alle Elemente sind durch die Tätigkeit der Menschen mehr oder weniger gleichmäßig verstreut worden.
          Wie lange kann unsere High-Tech-Gesellschaft noch aufrechterhalten werden, wenn die Erzgehalte der Minerallagerstätten immer niedriger werden; wenn wir von kritischen Metallen abhängig sind, die so gut wie gar nicht recycelt werden und wenn die Dispersion der Metalle immer schneller voranschreitet? Das Buch präsentiert einen Ansatz „cradle-to-cradle“ für die abiotischen Ressourcen der Erde. Dieser Begriff umschreibt das vollständige Recycling aller produzierten Güter. Der Ansatz der Autoren beruht auf dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik: Wärme verteilt sich gleichmäßig, Materialien zersetzen sich und werden verstreut. Durch das Postulat von Thanatia vermitteln uns die Autoren ein Gefühl für das Schicksal der Materialien und für die Notwendigkeit, die abiotischen Ressourcen der Erde weise zu nutzen. Das Buch behandelt wichtige Aspekte der Geologie, Geochemie, Bergbaukunde, Mineralogie, Metallurgie, Ökonomie, Ökologie und Thermodynamik. Darüber hinaus kann das Buch als Nachschlagewerk genutzt werden. Es enthält Stoffdaten von mehr als 300 Substanzen, Statistiken zu Bodenschätzen, Energieverbrauch, über den Umwelteinfluss des Bergbausektors und über weltweite Recyclingraten.


          Samstag, 7. Mai 2016

          The Crystalline Sponge Method Reloaded

          Neues von den kristallinen Schwämmen

          Über kristalline Schwämme als Werkzeug in der Strukturanalyse hatte ich im Blog bereits berichtet. Bei dieser Methode saugt man eine flüssige Verbindung oder die Lösung einer Verbindung auf, dabei entsteht ein Einschlusskomplex. Die Kristallstruktur dieses Komplexes aus Wirt und Gast wird gemessen und schon hat man eine Strukturanalyse der ursprünglich flüssigen Verbindung.  Diese neuartige Methode der Strukturbestimmung publizierten Fujita et al. 2013 unter der Überschrift "X-ray analysis on the nanogram to microgram scale using porous complexes" in Nature 495 (2013) 461-466 und Nature 501 (2013) 262.
          Die Methode ermöglicht es auch, die Stereochemie von chiralen Verbindungen zu untersuchen. Verbindungen mit axialer oder planarer Chiralität finden vielfach Anwendung in katalytischen asymmetrischen Synthesen. Allerdings ist die Bestimmung der absoluten Konfiguration solcher Verbindungen oft schwierig. Die Autoren demonstrieren in einem aktuellen Artikel sehr anschaulich die praktische Anwendbarkeit ihrer Methode (S. Yoshioka et al. in Chem. Sci. 6 (2015) 3765-3768). So trennten sie z.B. racemische Mischungen ihrer chiralen Zielsubstanzen mit HPLC auf. Anschließend tauchten sie den kristallinen Schwamm in einen winzigen Tropfen der gewonnenen enantiomerenreinen Substanz. Das führt zu einem chiralen Wirt-Gast-Komplex. Die chirale Gastverbindung induziert dabei einen Übergang des achiralen Wirtsgitters in eine chirale Struktur.
          Allerdings ist die Arbeitstechnik mit den kristallinen Schwämmen nicht ganz so einfach. Es gibt zahlreiche praktische und kristallographische Probleme die überwunden werden müssen. In einem Interview für Chemistry World erläutert Makoto Fujita, einer der Autoren, die Probleme mit dieser Methode. Sinngemäß sagte er: "Als wir unseren Artikel  2013 in Nature publizierten, waren wir unsicher über die Anwendbarkeit und die Grenzen dieser Technik. Wir haben inzwischen festgestellt, dass qualitativ hochwertige Daten nur erhalten werden, wenn die Gastmoleküle in sehr hohen Konzentrationen im Wirtsgitter vorliegen. Für jedes zu untersuchende Molekül müssen daher die Bedingungen zur Bildung des Wirt-Gast-Komplexes sorgfältig optimiert werden." Inzwischen haben die Autoren weiter an dieser Methode gearbeitet und präsentieren ihre neuesten Ergbnisse im IUCr Journal (IUCrJ 3, 2016, 139-151).

          Nachfolgend zwei Beispielstrukturen aus der Veröffentlichung in Chemical Sciences von 2015: In Abbildung 1 sind alle Atome in der Struktur, also Wirt- und Gastmoleküle, mit van-der-Waals-Radien  wiedergegeben. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Struktur immer noch große Hohlräume enthält. In diesen können sich z.B. Lösungsmittelmoleküle befinden. Wenn das Lösungsmittel keine definierten Positionen im Kristallgitter einnimmt, dann spricht man von "diffusen Lösungsmittelmolekülen". Solche Moleküle erschweren dann häufig eine exakte Strukturbestimmung.



          Abb. 1: Struktur eines Einschlusskomplexes von [Tetrakis(2,4,6-tris(pyridin-4-yl)-1,3,5-triazin)-dodecakis(iodo)-hexazink (Wirt) mit (R)-5,5',6,6'-Tetramethylbiphenyl-2,2'-diol als Gast. Abbildung erzeugt mit den Strukturdaten WUDZEC aus der CSD. Originalveröffentlichung der Strukturdaten in Chem. Sci. 6 (2015) 3765-3768.

          In der zweiten Abbildung sind die Moleküle des Wirtsgitters wiederum mit van-der-Waals-Radien dargestellt. Für die Gastmoleküle wurde eine Kugel-Stab-Darstellung gewählt. Man erkennt hier, dass die Gastmoleküle nur einen kleinen Anteil an der gesamten Struktur ausmachen. Die Experimentatoren müssen aber bei der Strukturanalyse alle Atome im Kristallgitter der Verfeinerung unterwerfen. Man schleppt bei dieser Methode also einen recht großen "Ballast" mit, nämlich die Atome des Wirtsgitters. Diese sind eigentlich nicht weiter interessant, da die Struktur des Wirtsgitters längst bekannt ist.


           Abb. 2: Struktur eines Einschlusskomplexes von [Tetrakis(2,4,6-tris(Pyridin-4-yl)-1,3,5-triazin)-dodecakis(iodo)-hexazink als Wirt mit (R)-4-(2-isopropyl-1-naphthyl)-2,3-dimethylthiophen als Gast. Abbildung erzeugt mit den Strukturdaten WUDZIC aus der CSD. Originalveröffentlichung der Strukturdaten in Chem. Sci. 6 (2015) 3765-3768.

           
          Diese beiden Beispiele zeigen, dass diese Methode durchaus nicht ganz so einfach zu handhaben ist. Die Arbeitstechnik der "kristallinen Schwämme" ist mit handfesten kristallographischen Problemen verbunden. Diese können nur durch sorgfältiges Arbeiten von kristallographisch hoch qualifiziertem Personal gemeistert werden. 

          Die kristallinen Schwämme stehen sicher noch am Anfang ihrer Entwicklung als Werkzeuge in der Strukturanalyse. Der nächste Schritt wäre das Design neuer "Schwämme". Dabei werden bisher vor allem Metal-Organic-Frameworks "MOF" verwendet. Diese kristallinen Metallsalze von organischen Säuren besitzen große Hohlräume, in denen die Gastverbindungen Unterschlupf finden. Arbeitsgruppen, die an MOFs arbeiten, könnten mit den kristallinen Schwämmen neue Anwendungsfelder für ihre Verbindungen erschließen. Eine Weiterentwicklung dieser Methode wurde bereits von einer anderen Arbeitsgruppe in Angriff genommen. So demonstrierten E. Sanna et al. kürzlich, dass ein makrocyclisches Tetraimin in Kombination mit Essigester ebenfalls als kristalliner Schwamm geeignet ist (Chem. Sci. 6 (2015) 5466-5472).

          Weitere Links zum Thema:



            Ergänzung im Dezember 2016:

            Mit Hilfe eines kristallinen Schwammes wurde erstmals die Struktur eines Ozonides bestimmt. Solche Verbindungen entstehen bei der Reaktion von Alkenen mit Ozon. Dabei greift das reaktive Ozon (O3) die Doppelbindung an und spaltet diese (siehe Reaktionsgleichung unten). Ozonide sind sehr instabil und teilweise explosiv. Daher war es bisher nicht möglich eine Strukturanalyse einer solchen Verbindung anzufertigen. (Literatur: J. Am. Chem. Soc. 138, 2016, 10140-10142)


            Samstag, 30. April 2016

            Raw Materials and Resources - Part 11

            Von der Gaia-Theorie zu Thanatia – thermodynamische Modelle des Ressourcenverbrauchs

            Nach der Gaia-Theorie ist die Erde und ihre Biosphäre ein großes Gesamtsystem, bei dem alle Lebewesen miteinander in Wechselwirkung stehen und voneinander abhängig sind. Es wird hierbei angenommen, dass die Organismen mit der anorganischen Umwelt der Erde in Wechselwirkung stehen und dadurch ein sich selbst regulierendes System entsteht. Dieses komplexe System sorgt dafür, dass die Bedingungen für das Leben auf der Erde aufrechterhalten werden. In diesem Zusammenhang wird diskutiert, wie die Biosphäre und die Evolution der Lebensformen die Stabilität der globalen Temperatur beeinflussen. Weitere Faktoren, welche die Bewohnbarkeit der Erde beeinflussen, sind u.a. der Salzgehalt der Ozeane, sowie der Sauerstoff- und der CO2-Gehalt in der Atmosphäre. (Quellen: Wikipedia in Deutsch oder besser der umfangreichere Artikel in Englisch)

            Im Gegensatz zu Gaia ist Thanatia ein grauer toter Planet, bei dem alle Ressourcen gleichmäßig über die Erdoberfläche verteilt sind. Es gibt keine Minerallagerstätten mehr, sondern alle Elemente sind durch die Tätigkeit der Menschen mehr oder weniger gleichmäßig verstreut. Dieses Schreckensszenario ist der Ausgangspunkt des Buches "Thanatia - the Destiny of the Earth's Mineral Resources" (von A. V. Capilla und A. V. Delgado, erschienen bei World Scientific, New Jersey 2015). In diesem Buch wird eine streng thermodynamische Theorie zum Verständnis der Ressourcenausbeutung entwickelt.
            Die Autoren fragen sich, ob aus unserem Planeten ein ausgebeutetes Thanatia ohne Ressourcen werden könnte. Wie lange kann unsere High-Tech-Gesellschaft noch aufrechterhalten werden, wenn die Erzgehalte der Minerallagerstätten immer niedriger werden; wenn wir von kritischen Metallen abhängig sind, die so gut wie gar nicht recycelt werden und wenn die Dispersion der Metalle immer schneller voranschreitet? Das sind alles Ursachen für zukünftige Problemfelder die heute schon bearbeitet werden sollten. Das Buch präsentiert einen Ansatz „cradle-to-cradle“ für die abiotischen Ressourcen der Erde. Dieser Begriff umschreibt das vollständige Recycling aller produzierten Güter. Der Ansatz der Autoren beruht auf dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik: Wärme verteilt sich gleichmäßig, Materialien zersetzen sich und werden verstreut. Durch das Postulat von Thanatia vermitteln uns die Autoren ein Gefühl für das Schicksal der Materialien und für die Notwendigkeit, die abiotischen Ressourcen der Erde weise zu nutzen. Über die rein thermodynamische Beschreibung der Materialverteilung hinaus kann das Buch als Nachschlagewerk genutzt werden. Es enthält Stoffdaten von mehr als 300 Substanzen, Statistiken zu Bodenschätzen, Energieverbrauch, über den Umwelteinfluss des Bergbausektors und über weltweite Recyclingraten.
            Weiterführende Links:

            Samstag, 23. April 2016

            Raw Materials and Resources - Excursus D

            Was nützen uns Modelle?

            Im vorigen Post wurde das HANDY-Modell zur gesellschaftlichen Entwicklung und zum Ressourcenverbrauch vorgestellt. Nun könnte sich mancher Leser fragen: Was nützen uns überhaupt solche Modelle? Daher an dieser Stelle noch ein paar ergänzende Sätze zu „Modellen“ in der Wissenschaft: Modelle sind eine wichtige Methode, um komplexe Sachverhalte verständlich darzustellen. Kein Modell kann die Zukunft exakt vorhersagen, aber ein gutes Modell sollte uns eine Vorstellung davon vermitteln, was auf uns zukommen könnte. Auf dem Gebiet des Ressourcenverbrauchs sind Modelle eine wichtige Hilfe. Die weltweite Ökonomie beruht auf der Verfügbarkeit von mineralischen und biologischen Ressourcen. Aber mineralische Ressourcen sind nicht-erneuerbar und auch biologische Ressourcen können durch Raubbau erschöpft sein, wie es bereits vielfach in der Geschichte passierte. 
            Quelle: U. Bardi, A. Lavacchi: A Simple Interpretation of Hubbert’s Model of Resource Exploitation, Energies 2009, 2, 646-661. 


            Weiterführende Literatur:

            Samstag, 16. April 2016

            Raw Materials and Resources - Part 10

            Gesellschaftliche Entwicklung und Ressourcenverbrauch – das HANDY-Modell

            Das wohl jüngste Modell zur Beschreibung der gesellschaftlichen Entwicklung und des Ressourcenverbrauchs hat die griffige Abkürzung „HANDY“ erhalten. Diese Abkürzung wird in dem Artikel „Human and Nature Dynamics (HANDY): Modeling Inequality and Use of Resources in the Collapse or Sustainability of Societies” von S. Motesharrei, J. Rivas und E. Kalnay eingeführt (Ecological Economics, 101 (2014) 90–102). Die Autoren modellieren darin den Ressourcenverbrauch und das Bevölkerungswachstum. Sie zeigen unterschiedliche Entwicklungsszenarien auf. Je nach angesetzten Parametern für Bevölkerungswachstum, Ressourcenverbrauch und gesellschaftliche Verhältnisse kommt es zu einem Kollaps der Gesellschaft oder zu einer nachhaltigen Entwicklung, bei der sich ein Gleichgewicht einstellt (siehe Abbildung). 


            Ausgangspunkt dieser Arbeiten ist die Sorge um den gegenwärtigen nicht nachhaltigen Ressourcenverbrauch. Zu Beginn werfen die Autoren einen Blick auf die Vergangenheit und zählen verschiedene Beispiele aus der Geschichte auf, in denen Zivilisationen zusammenbrachen. So wird z.B. der Zusammenbruch des römischen Imperiums genannt. Auf diesen folgten Jahrhunderte mit Bevölkerungsrückgang, ökonomischem Niedergang und dem Verlust von Wissen. Weitere Beispiele für untergegangene Hochkulturen sind Mesopotamien, Ägypten und die Maya-Zivilisation. In der Argumentation der Einleitung erinnert der Text ein wenig an Oswald Spenglers „Untergang des Abendlandes", geht aber im Weiteren deutlich über eine bloßes Beobachten von Erscheinungen hinaus. Verschiedene Umwelteinflüsse und soziale Verhältnisse wurden bisher zur Erklärung des Zusammenbruchs von Gesellschaftsordnungen herangezogen. Bislang gibt es kein allgemeines Modell zur Erklärung dieser Erscheinungen.
            Die Autoren schlagen ein Modell der menschlichen Populationsdynamik vor und modellieren damit verschiedene Szenarien. Das Modell berücksichtigt die ökonomische Ungleichheit zwischen verschiedenen Bevölkerungsgruppen. Zur Vereinfachung wird zwischen „Commoners“ (gemeines Volk, Bürgerliche) und Eliten unterschieden. Die Bevölkerungsgruppen werden mit einem Raubtier-Beute-Modell kombiniert. Dabei werden die Menschen in vereinfachter Form als „Raubtier“ angesehen, die die Schätze der Natur ausbeuten („Beute“). Das Modell beruht auf einem Satz von vier Gleichungen, die voneinander abhängig sind. In der Mathematik wird das als lineares Gleichungssystem bezeichnet. Die HANDY-Gleichungen sind folgende:

            für die gemeine Bevölkerung („Commoners“):         xC = βCxC – αCxC

            für die Elite:   xE = βExE – αExE

            für die Natur:  y = γy(λ-y) – δxcy

            für den Wohlstand: w = δxCy – Cc – CE

            Dabei ist „γy(λ-y)“ der Regenerations-Term und „δxcy“ der Abbau-Term. Der Regenerationsterm ist als logistische Funktion formuliert mit einem Regenerationsfaktor γ und einer Sättigung, wenn sich y an λ annähert. Dabei ist λ die maximale Kapazität der Natur. CC und CE sind die Konsumraten der Bevölkerung und der Eliten.
            Das in dem Artikel vorgeschlagene Modell weist zahlreiche Vereinfachungen und Schwächen auf. Darauf weisen die Autoren auch hin und kündigen Weiterentwicklungen an. So werden z.B. die natürlichen Ressourcen grob vereinfachend in eine einzige Gleichung gepresst. In diese Gleichung gehen ein:
            • nichterneuerbare Ressourcen wie fossile Brennstoffe und Minerallagerstätten,
            • erneuerbare Ressourcen (Wälder, Böden, Tierherden, Fischbestände, Wildbestände, Grundwasser),
            • erneuerbare Ströme (Wind, Sonnenstrahlung, Niederschläge, Flüsse)
            Zukünftige Versionen des Modellierungsprogramms sollen diese Formen der Ressourcen unterscheiden. Technologischer Fortschritt und sich ändernde Effizienz bei der Ressourcenausbeutung werden bisher nicht berücksichtigt. Der Unterschied im Einkommen zwischen Elite und Bevölkerung wird durch einen Faktor beschrieben. Dieser wird im bisherigen Modell konstant gehalten.

            Die vier oben genannten Gleichungen reichen aus, um verschiedene gesellschaftliche Entwicklungsszenarien aufzuzeigen. Ökonomische Schichtenbildung oder übermäßige ökologische Beanspruchung können unabhängig voneinander zum Kollaps der Gesellschaft führen. Im Weiteren wird der Maßstab „Belastungsfähigkeit“ (Carrying Capacity) entwickelt. Dieser ist ein geeignetes Maß, um das Nahen eines Kollapses frühzeitig zu erkennen. Das Modell ist auch zur Beschreibung historischer Zusammenbrüche geeignet. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Modells kann ein Kollaps der Gesellschaft vermieden werden. Dazu muss sich die Bevölkerungszahl auf ein stabiles Maß einpegeln, bei dem die maximale Belastungsfähigkeit der Natur nicht überschritten wird.



            Links:
            • Zur Rezeption des "HANDY"-Modells in der Öffentlichkeit: "When a theoretical article is misinterpreted" Before a paper on the HANDY model was published, findings were taken out of context in some press accounts; here, the authors explain their research