In unserer Arbeit haben wir uns mit der Frage beschäftigt, wie man Algen am besten nutzen kann, um die Raumluftqualität nachhaltig zu verbessern.
Im oberen Bild sieht man unseren Versuchsaufbau (Foto des Projektes)
In diesem Bild erkennt man das wichtigste Messinstrument, welches wir benutzt haben. Ein aus der Schule ausgeliehenes Kohlenstoffdioxid Messgeräte.
Artikel und Projekt von Sarah Pöhlitz, Aleksandra Plocke und Raphael Wolff.
Abstract: ENG/GER
The progress we make in our job, school or university effectively determines our success. After hours of sitting and working our concentration lacks more and more, due to a lack of oxygen. Our project revolves around algae and how humans could be able to harness their potential most effectively for example to solve the aformentioned problem. We did intense research and conducted a lot of experiments on them. Our whole project concentrates on one essential question. How can humanity use algae to purify air, inside of buildings like schools, office complexes and any other kind of enclosed room/space to enhance the air quality and guarantee better concentration by reducing CO2 levels and increasing oxygen levels?
Den Fortschritt welchen wir auf der Arbeit, in der Schule oder in der Universität machen, ist direkt verantwortlich für unseren späteren Erfolg. Stundenlang zu sitzen und zu arbeiten sorgt dafür, dass unsere Konzentration immer schneller abnimmt, durch einen Mangel an Sauerstoff. Unser Projekt handelt über Algen und wie wir am effektivsten die Alge zum nutzen des Menschen einsetzen könnten, um als Beispiel das oben bereits genannte Problem zu lösen. Wir haben uns intensiv mit der Theorie auseinander gesetzt und konnten so eine Menge Experimente durchführen. Das ganze Projekt dreht sich um eine große Frage. Wie kann die Menschheit Algen benutzen um Luft zu reinigen, innerhalb von Gebäuden wie Schulen, Büros und jegliche andere Art an geschlossenem Raum. Um letztendlich die Luftqualität zu steigern, besseres lernen und arbeiten zu garantieren, in dem man die CO2 Werte senkt und O2 Werte steigen lässt?
Projektinhalt
Im folgendem, relativ langen aber fachlichen Text, werdet ihr euch über alles was unser Projekt ausmacht informieren können. Welche Theorie hinter allem steckt, wie wir die Versuche vorbereitet, ausgeführt und gedeutet haben und welche Schlüsse und Hypothesen wir ableiten konnten anhand unserer eigenen Daten
1.Das Ziel
Das Ziel des Projektes ist es, mit Hilfe von Algen CO2 Werte zu senken und bestenfalls Sauerstoffwerte ansteigen zu lassen. Hier liegt der Hauptfokus auf der Raumluftverbesserung und der Verringerung von Emissionen.
Zum aktuellen Zeitpunkt haben wir einen Versuch durchgeführt. Dieser Versuch involvierte herkömmliche Algen aus einem Aquaristikgeschäft.
Die Materialliste und der Versuchsaufbau lauten folgendermaßen:
Zwei 400 ml Bechergläser, elektrische Pumpe, Brausetabletten, Wasser, Algen, Tesafilm, Schläuche (für die Pumpe), Uhrgläser, CO2 Messgerät und ein Aquarium. Das Aquarium hat die Maße von 30 cm x 20 cm x 20 cm.
Die Algen gibt man in das mit Wasser gefüllte Becherglas. Danach werden die Kontakte der Pumpe mit einer 9 Volt Batterie verbunden. In das zweite Becherglas werden ungefähr 250 ml Wasser gegeben. Der Schlauch der Pumpe wird in das Becherglas mit den Algen geleitet und durch Uhrgläser beschwert. Nachdem alles vorbereitet wurde, wird die Pumpe angeschaltet und durch Tesafilm stabilisiert, damit diese nicht wegrutschen kann. Zum Schluss wird das CO2 Messgerät innerhalb des Aquariums befestigt und eine Brausetablette wird in das mit Wasser gefüllte Becherglas gegeben. Nun wird das Aquarium falsch herum über die Bechergläser und Pumpe gestellt. Dadurch kann kein CO2, welches durch die Reaktion von Wasser und Brausetabletten entsteht, entweichen.
Den Versuch haben wir genauso, wie oben beschrieben durchgeführt, mit der Ausnahme, dass wir zu dem Zeitpunkt noch kein Messgerät hatten. Nach ein paar Minuten wird der CO2 Gehalt gemessen und notiert. Zum Schluss wird das geschlossene System an ein Fenster gestellt, damit die Algen besser Photosynthese betreiben können. Nach 24 Stunden wird der CO2 Wert abgelesen und mit dem Wert des Vortages verglichen.
Dieser Versuch wurde durchgeführt um festzustellen, wie unser Versuchsaufbau funktioniert, und was in Zukunft verbessert werden könnte. Unser erster richtiger Versuch, bei dem wir Messdaten erhalten haben, wurde am Montag den 09.11.2020 durchgeführt, und zwar nach dem oben genannten Schema. Wir werden möglichst viele Versuche durchführen. Durch die aktuelle Situation, (Coronavirus) erhalten wir leider weniger Messdaten, als wir ursprünglich vorgesehen haben. Aus diesem Grund konnten wir den Vergleich zwischen Algen mit Tageslicht Bestrahlung und Algen ohne Tageslicht Bestrahlung nicht durchführen, da wir durch die aktuelle Lage behindert wurden in unseren Experimenten.
2. Theoretischer Teil
Hier kauen wir die wichtigsten Begriffe durch und werden sie für euch erläutern, damit jeder verstehen kann worüber wir genau sprechen.
Was sind Algen und was machen sie?
Algen sind eukaryotische Lebewesen, bedeutet ihre DNA ist in einem Zellkern eingeschlossen, und bewegt sich nicht frei im Zytoplasma wie bei Prokaryoten. Algen leben im Wasser und ernähren sich eigenständig durch einen Prozess, welcher Photosynthese genannt wird. Bei diesem Vorgang wird aus Kohlenstoffdioxid und Wasser Glucose hergestellt. Damit diese Reaktion überhaupt stattfinden kann, benötigt die Pflanze Energie. Diese Energie nimmt sie durch Sonnenstrahlung auf, um genauer zu sein, die sehr energiereiche UV-Strahlung. Zu viel Bestrahlung kann aber auch zu Mutationen oder dem Tod der Pflanze führen. Die hergestellte Glucose kann nun von der Alge benutzt werden um Energie herzustellen. Algen werden deswegen als autotrophe Lebewesen bezeichnet, dies bedeutet sie können sich selbst ernähren, in dem sie anorganische Stoffe (Kohlenstoffdioxid) und Wasser aufnehmen. Menschen sind heterotroph. Wir müssen Nahrung aufnehmen, welche unter anderem kohlenhydrathaltig ist, um Glucose abzubauen und Energie zu erhalten, oder gegebenenfalls zu speichern, falls ein Überschuss besteht.
Die Formel für die Photosynthese lautet folgendermaßen:
Algen und Cyanobakterien haben die für uns giftige Atmosphäre der Urerde, mit Hilfe von Photosynthese, in eine sauerstoffhaltige und für uns ungiftige Atmosphäre verwandelt. Durch diesen Verdienst der Algen existieren wir und alle anderen mehrzelligen Lebewesen, die Sauerstoff zum Leben benötigen. èDurch die Photosynthese der Alge existieren Organismen, welche Sauerstoff benötigen.
3. Nutzen für den Menschen?
Unser Ziel ist es das Raumklima nachhaltig zu verbessern, deshalb werden wir in diesem Unterpunkt erläutern auf welche Art und Weise Algen uns helfen können nicht nur in Räumen sondern auch bei anderen Problemen/Krisen.
Algen könnten uns bei vielen Problemen der heutigen Zeit helfen.
Das größte Problem, welches die Menschheit aktuell betrifft, ist der rapide Klimawandel. Die folgende Grafik zeigt den Anstieg an CO2 in eine Million Tonnen vom Jahr 1970 bis 2018. Viele Länder haben im Vergleich zu 1970 ihre CO2 Emissionen verdoppelt. Somit bleiben nicht mehr viele Jahre um zu handeln, bevor eine Klimakrise unausweichlich wird. Algen könnten hier eine Lösung sein.
Diese produzieren ungefähr die Hälfte des Sauerstoffes auf der Erde. Die schiere Größe des Meeres gibt einen gewaltigen Raum, in welcher sie Photosynthese betreiben können und so Sauerstoff herstellen. Unser erstes Ziel ist die Untersuchung von CO2 Werten innerhalb eines geschlossenen Systems.
Deswegen erwarten wir bei unseren nächsten Versuchen eine deutliche Senkung der CO2 Werte, innerhalb des Systems, aufgrund der Algen.
Eine weitere Anwendung für Algen wären spezielle Luftfilter, welche in Räumen das CO2 aus der Luft filtern, und für bessere Konzentrationsfähigkeit sorgen könnten.
In Klassenräumen, Büros und Wohnungen von großen Metropolen ist oftmals ein Sauerstoffmangel in Räumen bemerkbar. Dies äußert sich hauptsächlich durch Abgeschlagenheit, Müdigkeit, Schwindel, Kopfschmerzen und Konzentrationsmängel, während der Arbeit, oder zu Hause. Der Sauerstoffmangel entsteht durch die mangelnde Zufuhr an Sauerstoff in stickigen Räumen. Es scheint bereits Konzepte zu geben, in denen ein Algenreaktor benutzt wird, um die Atemluft mit mehr Sauerstoff anzureichern um das generelle Raumklima zu verbessern. Leider scheinen diese Projekte aktuell mehr Wunschdenken zu sein, als wirkliche Realität.
Der Wille, um eine effektive Luftfilteranlage auf Algenbasis zu entwickeln, besteht. Niemand konnte bisher einen Durchbruch erlangen, da die meisten Systeme ineffizient sind, oder an Mangel biologischen Wissens scheitern. Mit unseren Erkenntnissen wollen wir uns an der Forschung beteiligen. In kleinem Rahmen probieren wir aus, wie sich die Algen auf unsere CO2 Werte in unserem System auswirken. Alternativ könnte man unser umgedrehtes Aquarium als ein Klassenzimmer oder Büro ansehen, welches unter starker CO2 Belastung steht.
Falls ein System entwickelt werden würde, welches zuverlässig und erfolgreich Algen nutzt um Sauerstoff herzustellen, könnte dieser Apparat auf einen großen Rahmen umfunktioniert werden. Um in Millionenstädten wie Delhi, Beijing oder Hongkong die Feinstaubbelastung sinken zu lassen, müssten diese rechtzeitig gegen die steigenden Werte ankämpfen. Die Filteranlagen könnten nicht nur zur Sauerstoffanreicherung genutzt werden, sondern auch als Luftbefeuchter. Außerdem würde eine ganz neue Dimension im Bereich Bauwesen eröffnet werden. Man könnte speziell erbaute „Umwelthäuser“ errichten, welche nicht nur grüne Gebäude sind, also selbst ihre Energie erzeugen und auch saubere Luft produzieren. Ein Schwerpunkt ist die Reinigung der Luft innerhalb von Gebäuden. Durch die Anwendung von Filtern im großen Stil könnte man Städte „reinigen“, und gegen die konstante Verschmutzung ankämpfen. Nach mehreren Jahren könnte hierdurch eine negative Bilanz an CO2 erreicht werden. Selbstverständlich müssen diese Projekte staatlich bezuschusst werden. Leider ist nicht jedes Land auf die Bekämpfung des Klimawandels fokussiert, Europa ist hier Vorreiter, ein Negativbeispiel wäre Brasilien.
Nach dem Abschluss unserer Versuchsreihe stellen wir eine begründete These auf, welche vielleicht dem ganzen einen Schritt näherkommt. Wir wollen zur Erforschung und zur Entwicklung eines Luftfilters auf Algenbasis beitragen und die Umsetzung von CO2 besser verstehen.
Algen könnten nicht nur als Luftfilter eine Anwendung in unserem Alltag finden und so Emissionen senken. Aus Algen-Biomasse kann Öl gewonnen werden, welches in Biodiesel umgewandelt werden kann. Da Algen einen hohen (abhängig vom Wachstum) Kohlenhydrat-, Protein- und Lipidgehalt besitzen, werden bei der Herstellung von Biodiesel Fettsäuren aus den Lipiden extrahiert, und diese werden später in einem weiteren Prozess in den Biodiesel umgewandelt. Der neuentstandene Kraftstoff ist umweltfreundlicher, da die Algen aus der Atmosphäre CO2 entziehen. Dieses CO2 wird anschließend, beispielsweise durch Fahrzeuge oder andere Maschinen mit Motoren, freigesetzt. Diese Methode ist weniger umweltschädlich als der herkömmliche Diesel, da es nur jene CO2 Mengen an die Umgebung abgibt, die zuvor bei der Photosynthese gebunden wurden. Obwohl es in den vergangenen Jahren zahlreiche Fortschritte in der Algenzucht gab, ist die wirtschaftliche Bedeutung der Mikroalgen in Deutschland noch sehr gering. Bisher benötigt die Algenzucht und deren Verarbeitung mehr Energie als aus der Algenbiomasse an Algen-Biodiesel oder Biogas gewonnen werden kann.
Trotz der zahlreichen Froschritte in der Algenzucht in den vergangenen Jahren und obwohl bereits einige Unternehmen kommerzielle Algenzucht betreiben, ist die wirtschaftliche Bedeutung der Mikroalgen in Deutschland noch sehr gering.
4. Die Experimente und ihre erbrachten Daten
Im folgendem werdet ihr eine kurze Auswertung und Beschreibung der Daten vor euch liegen haben.
Nach der oben genannten Vorgehensweise wurde das Experiment durchgeführt hier sind die Resultate:
In einer Zeitspanne von vier Stunden konnten wir einen Unterschied von 6253 ppm an CO2 messen. Der Anfangswert an CO2 Sättigung war über der Skala, der Wert sank nach einer halben Stunde auf 9614 ppm ab, und nach den bereits genannten vier Stunden auf 3361 ppm. Der Grund für diesen relativ kleinen Zeitrahmen ist das Messgerät. Dies kann nur knapp vier Stunden lang am Stück Werte aufnehmen. Jedoch kann man mit diesen Werten eine Hochrechnung betreiben. Die Algen konnten pro Stunde gerundet 1563ppm CO2 aufnehmen.
5. Die Auswertung der Daten und ihre Bedeutung
Durch dieses Experiment wissen wir, dass 1563 Teilchen Kohlenstoffdioxid pro Millionen Teilchen innerhalb einer Stunde von den Algen absorbiert wurden. Durch die Assimilationsreaktion von Pflanzen haben wir Kenntniss, dass sechs Kohlenstoffdioxid benötigt werden, um ein Glucosemolekül herzustellen. Dies bedeutet, pro Millionen Teilchen absorbierten Kohlenstoffdioxid, konnten die Algen insgesamt 260,5 Glucosemoleküle innerhalb einer Stunde herstellen. Zudem konnten 1563 Teilchen Sauerstoff durch die Photosynthese entstehen. Die Algen haben also einen relativ großen Effekt. Da es nur eine geringe Menge war, wäre sicherlich bei zukünftigen Experimenten noch vieles mehr zu erwarten. Unser Hauptziel ist es zu erforschen, ob die Luftqualität durch die Benutzung von Algen sich verbessert.
6. Hypothesen aufstellen und Fazit
Hier haben wir versucht logische Schlüsse zu ziehen, wo genau die Forschung im Bereich Algen und Raumklima gehen könnte in den nächsten Jahren.
Wir konnten feststellen, dass auf einen relativ kleinen Raum viel Kohlenstoffdioxid absorbiert wurde, hierdurch auch eine beachtliche Menge Sauerstoff entstanden ist. Wir haben in unserem Projekt das Ziel das Luftklima zu verbessern, nachfolgend wird die Vorgehensweise erläutert.
Die einfachste Methode einen Luftaustausch zu vollziehen ist das Lüften. Eine teure Alternative für Büros etc. wäre noch eine Lüftungsanlage. Einziger Nachteil wäre, dass das entstandene Kohlenstoffdioxid nur ausgetauscht wird mit Sauerstoff und nicht umgewandelt wird in Sauerstoff. Unser Denkansatz wäre jetzt folgender: Mit Algen kann man, wie unsere Experimente beweisen, sehr gut CO2 aus der Luft filtern und zugleich Sauerstoff herstellen. Es gibt bereits Ansätze für eine Filteranlage auf Algenbasis. Niemand konnte bisher einen Durchbruch erzielen. Das logische Vorgehen wäre jetzt sich die folgenden Fragen zu stellen.
Wie sollte die Maschinerie aussehen?
Aufbau der Maschine?
Welche Algen verwende ich?
Wie findet der Luftaustausch statt?
Lohnt sich die Maschine in Bezug auf die CO2 Bilanz und Wasserbedarf?
Inwiefern lohnt sich die Maschine in Bezug auf ihre Größe und spätere Wartung?
Die Frage, wie die Maschine aussehen sollte, ist natürlich ausschlaggebend. Basiert mein System auf vielen Rohren, aus einem großen Block oder ist sie über den kompletten Gebäudekomplex verteilt? Das Wichtigste ist natürlich, dass die Algen genug Wasser und Licht haben. Man müsste einen Aufbau designen, welcher dicht ist. Hier bietet sich ein Rohrsystem für einfachen Wasseraustausch durch Rohre, in welchen dann die Algen Leben, implantiert werden oder vielleicht mit dem Wasser selbst zirkulieren. Eine Maschine in welcher die Algen kein Tageslicht erreicht oder nicht von zusätzlichen Lampen bestrahlt werden, macht keinen Sinn.
Ein deutlich erkennbarer Nachteil der Algenzucht ist deren Bedarf für Wasser. Um Algen die O2 Produktion zu ermöglichen ist eine Wässrige Umgebung nötig. Um einen Unterschied an der Luftqualität in einem Gebäude oder in einem Raum zu merken, muss man eine große Menge an Algen verwenden, die ständig Photosynthese betreiben werden. Dadurch wird für das System viel Wasser benötigt, welches später ständig ausgetauscht werden müsste. Dieses Problem müsste ebenfalls bei dem Design einer solchen Maschine berücksichtigt werden.
Man könnte sich ebenfalls eine Frage stellen, wie groß eine solche Maschine sein müsste, um effektiv zu arbeiten? Im Bezug auf die nötige Algenmenge und die Fläche, die für das Wasser benötigt wird, kann man in diesem Fall von einer ziemlich großen Maschine ausgehen. Da die Wartung eines solchen Systems ziemlich komplex ist, müsste man Zugang zu allen Komponenten der Maschine ermöglichen.
Dann bleibt uns natürlich die Frage, inwiefern lohnt es sich so ein System in einem Raum oder Gebäude einzubauen. Dies ist durch die mangelhafte Forschung leider noch unklar. Da zu wenig an dem Thema gearbeitet wird, muss erstmal überhaupt ein funktionsfähiges System entwickelt werden, welches in der Lage wird efizient zu arbeiten. Erst dann kann man sich Gedanken darüber machen, wie man die Maschine verbessern könnte. Das ist letztendlich ein Problem für die letzte Etappe der Entwicklung.
Die Frage welche Algen verwendet werden, ist auch ziemlich schwierig. Man könnte auf die aktuell am besten CO2 umsetzende Algenart setzen. Eine große Firma, welche sich zur Aufgabe gemacht hat, einen Deal mit einem Bio/Chemie Konzern zu schließen, welcher Gentechnik betreibt. Auf diese Art könnte man sicherlich viel robustere, länger lebende und schneller kohlenstoffdioxidumsetzende Algen erschaffen, welche man dann in sein gut durchdachtes System/Maschine einsetzen könnte.
Der Luftaustausch ist letztendlich das wichtigste, deshalb sollte dieser einfach zu regeln und umzusetzen sein.
Falls ein Raum, einer hohen CO2 Belastung unterliegt, könnte man mit einem Messgerät bestimmen wie hoch der Wert liegt, und diesen Wert an die Maschine weitergeben. Das Einfachste wäre nach dem Prinzip der Osmose vorzugehen. Man hätte einen Punkt, an welchem sauerstoffreiche Luft herauskommt, und einen an dem sauerstoffarme Luft hereingeht. Am besten sind diese beiden Punkte weit voneinander entfernt. Das wichtigste hier ist jetzt das man, am besten in der Mitte vom Raum, das Messgerät befestigt, welches die jeweiligen Sättigungen erfasst. Dieses gibt ein Signal, welches sagt, schneller oder langsamer Sauerstoff hindurchlassen oder schneller oder langsamer CO2 abpumpen. Man könnte einen Raum auf einen selbst eingestellten Wert tarieren, in dem man mit Sensoren den CO2 Abfluss und O2 Zufluss steuert.
Die letzte wichtige Frage ist dann die Klimaneutralität. Wie sehr schadet man der Umwelt, wenn in meinem Gebäudekomplex sauerstoffreiche Luft vorhanden ist? Dies ist aktuell leider noch nicht zu beantworten, da wir nicht wissen, wieviel eine solche Maschine erzeugen würde. Von hohen Werten kann man hier aber ausgehen. Das optimale Ziel wäre hier dann eine qualitativhochwertige und langanhaltende Maschine zu bauen und zu entwickeln, welche den Fokus hat und die Fähigkeit besitzt, durch das lange Leben eine negative Bilanz für ihre Herstellung zu schaffen.
Zum Schluss kann man nur sagen, dass es hoffentlich in nicht allzu ferner Zukunft Systeme, wie das von uns Beschriebene geben wird, um unser Luftklima in Gebäuden aller Art zu verbessern, und so die Konzentration und Produktivität gesteigert werden kann.
7. Auszeichnungen
Mit unserem Projekt nahmen wir erfolgreich am vergangenen Jugend forscht Wettbewerb in Rhein-Main Ost 2021 teil. Wir gewannen den Sonderpreis für Nachwachsende Rohstoffe, welcher vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft und der Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe e. V. gestiftet wurde.
Von Aleksandra Plocke, Sarah Pöhlitz und Raphael Wolff
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