Das Übereinkommen von Paris verpflichtet die beteiligten Länder ihre Treibhausgasemissionen zu rapportieren, um den weltweiten Fortschritt auf dem Weg zum Netto-Null-Ziel zu ermitteln. Derzeit basiert die Emissionsberichterstattung jedoch hauptsächlich auf Emissionsinventaren, die aus sozioökonomischen Statistiken zu Aktivitäten und Emissionsfaktoren berechnet werden. Zudem erweist sich das Erstellen der Daten als ressourcenintensiv, zeitaufwändig und ist mit vielen Unsicherheiten verbunden – und daher unzureichend, um politische Massnahmen zeitnah zu bewerten. Empa-Forscher Gerrit Kuhlmann erläutert deshalb in einer Fallstudie im neuen «White Paper» der SATW, wie Künstliche Intelligenz (KI) kombiniert mit neuen Erdbeobachtungsdaten und Erdsystemmodellen zur effizienten Überwachung von Treibhausgasemissionen genutzt werden könnte. Ziel der SATW-Studie war es aufzuzeigen, wie neue Technologien die negativen Auswirkungen des Klimawandels in der Schweiz reduzieren und Gesellschaft und Wirtschaft widerstandsfähiger machen können.

Ein globales System für die Messungen von Treibhausgasemissionen wird ein wichtiges Instrument zur Kontrolle des Fortschritts zu einer Netto-Null-Gesellschaft sein. Daher werden zurzeit Beobachtungssysteme entwickelt, die präzise, zuverlässige und weltweite Echtzeit-Informationen zu den anthropogenen Treibhausgasemissionen bereitstellen können. Diese Systeme nutzen luft-, satelliten- und bodengestützte Messungen. Modelle analysieren die Daten und berechnen die Emissionen von Länder, Kraftwerken und Industrieanlagen. «KI spielt für globale Systeme eine wichtige Rolle, da sie es ermöglicht, grosse Datenmengen zeitnah und präzise zu verarbeiten», so Empa-Forscher Kuhlmann. «KI-gestützte Algorithmen können verwendet werden, um globale Karten von CO₂- und Methanemissionen zu erstellen. Damit lassen sich beispielsweise Emissionshotspots identifizieren oder der CO₂-Fussabdruck von Produkten besser abschätzen.» Mit diesen Daten könnten künftig die grossen Verursacher rasch entdeckt und deren Treibhausgasemissionen bestimmt werden.

Die an der SATW-Studie beteiligten Experten setzen grosse Hoffnungen in die neuesten Entwicklungen rund um KI und satellitengestützte Erdbeobachtungen, um die klimatischen Herausforderungen zu meistern. Damit das Potenzial von KI umfassend genutzt werden kann, haben die Studienautoren auch Empfehlungen an Entscheidungsträger aus Politik und Verwaltung, Hochschulen und Förderinstitutionen sowie Unternehmen formuliert. Beispielsweise sollten die KI-Fähigkeiten und das Fachwissen nationaler Kompetenzzentren im Bereich Klima und Nachhaltigkeit gestärkt und der Zugang zu internationalen Forschungsprogrammen wie diejenigen der EU sichergestellt werden.

Die Entwicklung der Modelle für ein globales Überwachungssystem für Treibhausgase erfordert laut Kuhlmann Zugang zu globalen Erdbeobachtungsdaten. «Der Zugang zu den Diensten des europäischen Copernicus-Programms ist für die Schweiz von entscheidender Bedeutung, um weiterhin in diesem Bereich forschen zu können.» Denn das Erdbeobachtungsprogramm der EU ist führend bei Beobachtungssystemen für Treibhausgase – vor allem mit der kommenden Erweiterung der Erdbeobachtungssatelliten mit Satelliten zur CO2- und Methanmessung sowie dem europäischen CO₂-Überwachungs- und Verifizierungssystem. Diese Entwicklungen werden insbesondere im Rahmen von internationalen Forschungsprogrammen wie «Horizon Europe» vorangetrieben, weshalb eine möglichst vollständige Beteiligung für Schweizer Forschende von zentraler Bedeutung ist.

Der Klimawandel hat weltweit negative Auswirkungen – und die Schweiz ist besonders davon betroffen. Über 70 Fachleute und Forschende aus 30 renommierten Schweizer Hochschulen, Behörden und Industrieunternehmen wollten herauszufinden, wie neue Schlüsseltechniken und Methoden unsere Gesellschaft und Wirtschaft widerstandsfähiger machen können. Das Resultat ist eine umfangreiche Studie (White Paper) sowie eine Zusammenfassung (Factsheet). Empa-Forscher Gerrit Kuhlmann zeigt darin mit einer Fallstudie auf, wie KI kombiniert mit neuen Erdbeobachtungsdaten und Erdsystemmodellen zur effizienten Überwachung von Treibhausgasemissionen genutzt werden könnte. In Zusammenhang mit den Aktivitäten im Rahmen ihrer Fokusthemen Künstliche Intelligenz sowie Energie und Umwelt fördert die Schweizerische Akademie der Technischen Wissenschaften (SATW) KI-Projekte und identifiziert Technologien, die für die Klimaneutralität und die Versorgungssicherheit von Bedeutung sind.

Um die Klimaerwärmung zu bekämpfen, haben sich zahlreiche Staaten inklusive der Schweiz das Ziel gesetzt, ihre Treibhausgasemissionen bis 2050 auf Netto Null zu senken. Dies kann indes nur ein Zwischenziel sein – denn längerfristig braucht es einen gesamtheitlicheren Lösungsansatz, mit dem sich die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre aktiv senken lässt. Mit «Mining the Atmosphere» hat sich die Empa zum Ziel gesetzt, das vom Menschen verursachte überschüssige CO₂ der Atmosphäre wieder zu entziehen und es als Ausgangsmaterial für kohlenstoffhaltige Materialien zu nutzen. So soll ein neues globales Wirtschaftsmodell und die dazugehörigen Industriesektoren entstehen, die CO₂ als Rohstoff der Zukunft in wertschöpfende Materialien umwandelt, um herkömmliche Baustoffe und Petrochemikalien zu ersetzen.

Das eingefangene atmosphärische CO₂ kann mit Hilfe von Wasserstoff in Kohlenwasserstoffe umgewandelt werden und so fossile Rohstoffe, aber auch andere Werkstoffe ersetzen. Einfach ausgedrückt: Wir können das atmosphärische CO₂ «aufwerten», indem wir das Klimagas als Ausgangsmaterial für eine breite Palette kohlenstoffhaltiger Materialien nutzen – von Kerosin über Polymere und Arzneimittel bis hin zu Bitumen für den Asphalt in unseren Strassen.

Natürlich ist die Wirkung auf das Klima dann am grössten, wenn die kohlenstoffhaltigen Materialien und die daraus entstehenden Produkte gesamthaft Milliarden von Tonnen Kohlenstoff binden könnten – Materialien also, die in sehr grossen Mengen umgesetzt werden. Deshalb liegt der Fokus in einer ersten Phase von «Mining the Atmosphere» auf Baumaterialien, etwa Zuschlagstoffe auf Kohlenstoffbasis für Beton und Asphalt sowie Wärmedämmstoffe. So wird die neue NEST-Einheit «Beyond Zero» verschiedenste CO₂-negative Innovationen enthalten, um zu demonstrieren, ob und wie Gebäude als langfristige Kohlenstoffsenken wirken können.

Selbstverständlich ist der «Mining the Atmosphere»-Ansatz enorm energieintensiv; er verspricht daher nur dann nachhaltige Lösungen, wenn uns die Energiewende hin zu Erneuerbaren vollumfänglich gelingt. Sprich: Er ist der zweite Schritt auf dem Weg in eine wahrlich nachhaltige Zukunft. Doch die Umwandlung von CO₂ zu kurz- und längerkettigen Kohlenwasserstoffen ist nicht nur energetisch, sondern auch chemisch beziehungsweise katalytisch äusserst anspruchsvoll. Forschende der Empa entwickeln daher unter anderem neue katalytische Prozesse und Katalysatormaterialien, die für die verschiedenen chemischen Umwandlungsreaktionen benötigt werden, sowie innovative Energietechnologien und neuartige kohlenstoffhaltige Baumaterialien.

Die Video- und Livestream-Serie präsentiert die hellen Köpfe, die an der Empa faszinierende Innovationen entstehen lassen – mit dem Ziel, das Leben und die Welt von morgen nachhaltiger zu machen.

Erfahren Sie am 25. April 2024 in einer «Special Edition» von «Bright Minds» mehr über dieses faszinierende Konzept, die Projekte und die Köpfe dahinter. Nehmen Sie an der Diskussion teil und senden Sie Ihre Fragen im Voraus an . Wir freuen uns darauf, Sie online zu «sehen»!

Energiemangel, Klimakrise, Abfallberge einer- – schwindende Ressourcen andererseits, alternde Gesellschaft: komplexe Herausforderungen, die vor uns liegen. Die Forschung kann (und muss!) ihren Teil dazu beitragen und neue technologische Ansätze erarbeiten, etwa für eine nachhaltige, sichere Energieversorgung oder eine kreislauffähige Wirtschaft.

Ob diese auf breite gesellschaftliche Akzeptanz stossen, steht freilich auf einem anderen Blatt. Dabei geht es im Kern um die Frage: Welche Nachteile sind wir bereit zu akzeptieren, um uns bestimmte Vorteile zu "erkaufen"? Und seien dies auch "nur" Verhaltensänderungen oder hohe Kosten, wie sie zugegebenermassen etwa beim Reinigen der Atmosphäre vom menschengemachten CO₂ gemäss der neuen Empa-Initiative "Mining the Atmosphere" anfallen. Denn Letztere sind nichts Anderes als unsere nicht bezahlten "Recyclinggebühren", wenn wir das CO₂ beim Verbrennen fossiler Energieträger in die Luft blasen.

Dieser Diskurs muss alle gesellschaftlichen Akteure einschliessen, also transdiziplinär sein, und darf keinesfalls nur innerhalb der naturwissenschaftlich-technologischen Blase verlaufen. Das hat uns die Pandemie deutlich vor Augen geführt.

Dafür ist ein vertrauensvoller und offener Dialog notwendig. Eine Gelegenheit dazu bietet unser Tag der offenen Tür Mitte September auf dem neuen Forschungscampus "co-operate". Die aktuelle Quarterly-Ausgabe gibt einen ersten Vorgeschmack. An der Schnittstelle zwischen Wissenschaft und Öffentlichkeit engagieren wir uns derzeit auch mit unseren Partnerinstitutionen im ETH-Bereich im Rahmen des Projekts "Energy Science for Tomorrow" am Verkehrshaus in Luzern.

Es würde mich freuen, den Einen oder die Andere persönlich zu treffen und mit Ihnen zu diskutieren.

Michael Hagmann
Leiter Empa-Kommunikation

Teslaspulen faszinieren. Diese elektrischen Transformatoren erzeugen eine Hochspannung – samt Blitzen und Ozongeruch. Aufgrund der geringen Leistung bleibt die Lichtshow aber meist ungefährlich, was Teslaspulen zu Publikumsmagneten in naturwissenschaftlichen Museen und Shows macht.

Diese Faszination spürten auch Yanis Strüby und Silvio Müller, Physiklaboranten-Lernende an der Empa im dritten Lehrjahr. Sie beschlossen, für den Lehrlingswettbewerb Züri-Oberland (LWZO) eine Teslaspule zu bauen. Blitze allein genügten den Empa-Lernenden allerdings nicht; ihre Spule sollte auch noch Musik abspielen. Damit überzeugten sie vergangenen November am LWZO in Wetzikon nicht nur die Expertinnen und Experten, sondern auch die anderen Lernenden – und gewannen sowohl den Jury- als auch den Teilnehmerpreis.

Der Weg dorthin war alles andere als einfach. Das Projekt musste recherchiert, geplant, berechnet, hergestellt und getestet werden. Die eigentliche Spule wickelten die Lernenden von Hand: fast 2000 Windungen, insgesamt rund 350 Meter Kupferdraht. «Wir mussten sehr vorsichtig sein, denn der Draht war sehr dünn, und er durfte nicht reissen», erinnert sich Müller. «Das war unser erstes grosses eigenes Projekt und sicher auch eine Geduldprobe», ergänzt Strüby. «Aber wir haben es geschafft – und wir haben gelernt, dass wir auch unter Druck sehr gut zusammenarbeiten.»

Ihr Berufsbildner Dominik Bachmann, Forschungsingenieur im Empa-Labor «Transport at Nanoscale Interfaces», ermutigte die Lernenden, beim LWZO mitzumachen – die Idee mit der singenden Teslaspule, so betont Bachmann, kam aber von ihnen selbst. «Zeitweise musste ich mich selbst zuerst einlesen, um ihre Fragen beantworten zu können», schmunzelt er.

Auch die Oberstifte waren eine Inspiration: Sofie Gnannt und Nick Cáceres gewannen im Vorjahr ebenfalls am LWZO und an weiteren Wettbewerben. «Für die Lernenden sind diese Wettbewerbe eine coole Erfahrung – und eine gute Vorbereitung für die individuelle praktische Arbeit zum Lehrabschluss», sagt Bachmann. Strüby und Müller genossen auch den Austausch mit Lernenden aus unterschiedlichen Berufen. Ihren Unterstiften haben sie die Teilnahme am Wettbewerb bereits wärmstens empfohlen.

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