Chemie-Nobelpreis für Lithiumionen-Batterien
Sie stecken in Handys, Kameras und Tablets, aber auch in Elektroautos oder Flugzeugen: Die Rede ist von Lithiumionen-Akkus. Eine Welt ohne diese Batterien ist heute kaum noch vorstellbar. Sie bilden die Grundlage fast aller mobilen Stromspeicher der modernen Technikwelt, weil sie überaus praktische Eigenschaften besitzen. Lithiumionen-Akkus sind leicht, haben aber trotzdem eine relativ hohe Energiedichte - und sie können unzählige Male auf- und wieder entladen werden.
Drei Wissenschaftler, denen wir diese allgegenwärtigen Stromspeicher zu verdanken haben, erhalten nun den Nobelpreis für Chemie 2019: die beiden US-Amerikaner Stanley Whittingham und John Goodenough sowie der Japaner Akira Yoshino. Wittingham entwickelte bereits in den 1970er Jahren die allererste Lithium-Batterie. Sein US-Kollege John Goodenough nutzte später sein Wissen über Feststoffe, um Whittinghams Batterie weiter zu verbessern. Er tauschte die ursprüngliche Tantadisulfid-Kathode gegen eine Elektrode aus Lithium-Kobaltoxid aus. Denn er hatte erkannt, dass Metalloxide eine höhere Energiedichte besitzen als die Sulfide.
Akira Yoshino ersetzte schließlich das metallische Lithium der Anode durch kohlenstoffhaltigen Petrolkoks mit Lithiumionen - und verhalf der Batterie damit zum entscheidenden Durchbruch. Denn zuvor hatte es Sicherheitsprobleme mit den Akkus gegeben: Das metallische Lithium ihrer Elektrode neigte dazu, sich im Laufe der Zeit zu verändern und das konnte gefährliche Kurzschlüsse hervorrufen. Yoshinos neuer Akku erzeugte eine Spannung von vier Volt und wies eine Energiedichte von 80 Wattstunden pro Kilogramm auf – mehr als jeder andere Akku dieser Zeit.
Durch ihre Arbeiten haben die diesjährigen Preisträger die Grundlagen für eine mobile, kabellose Gesellschaft geschaffen. Zudem ebneten sie den Weg für die Abkehr von fossilen Brennstoffen, denn Lithiumionen-Batterien können große Mengen an Energie von Sonne und Wind speichern, wie es in der Begründung des Nobel-Komitees heißt. Allerdings: Auch die heutigen Lithiumionen-Batterien haben ihre Grenzen. Forscher suchen daher bereits nach noch leistungsfähigeren Akkutechnologien.
Physik-Nobelpreis für eine neue Sicht auf den Kosmos
Alles begann vor rund 13,8 Milliarden Jahren: Gängiger Theorie nach entstanden alle Materie und Strahlung erst mit dem Urknall. Aus der anfangs chaotischen kosmischen Ursuppe entwickelte sich dann nach und nach das Universum mit seinen Sternen und Galaxien – eine faszinierende Welt, die Forschern bis heute Rätsel aufgibt.
In diesem Jahr erhalten drei Wissenschaftler den Nobelpreis für Physik, die unsere Sicht auf den Kosmos maßgeblich verändert haben: Die eine Hälfte des Preises geht an den kanadischen Kosmologen James Peebles. Der Forscher prägte mit seinen Arbeiten die Vorstellung von der Entstehung und Evolution des Universums. So erkannte Peebles beispielsweise, dass sich in der kosmischen Hintergrundstrahlung wertvolle Informationen über die Zusammensetzung des Kosmos verbergen und entwickelte mit dem Modell der kalten, Dunklen Materie die Basis des heutigen kosmologischen Weltbilds.
Die zweite Hälfte des Nobelpreises teilen sich die Astronomen Michel Mayor und Didier Queloz. Sie entdeckten den ersten Planeten, der einen sonnenähnlichen Stern außerhalb unseres Sonnensystems umkreist: den Exoplaneten 51 Pegasi b. Die beiden Schweizer wiesen den jupiterähnlichen Planeten 1995 mithilfe eines hochauflösenden Spektrographen nach und läuteten damit eine neue Ära in der Astronomie ein. Seit der Entdeckung von 51 Pegasi b haben Forscher mehr als 4.000 weitere solcher Exoplaneten aufgespürt – und fast täglich werden es mehr.
Mit ihren Entdeckungen haben die diesjährigen Preisträger wichtige Beiträge zur Beantwortung von Fragen geleistet, die den Kern unserer Existenz berühren und wohl fast alle Menschen umtreiben: Wie entstand unser Universum? Gibt es Planeten, die unserer Erde ähnlich sind? Und könnte irgendwo da draußen sogar Leben existieren oder einmal existiert haben?
Medizin-Nobelpreis für zellulären Sauerstoffsensor
Sauerstoff ist für alles tierische Leben essenziell. Dieses Molekül liefert den Zellen den Brennstoff für ihre Energiegewinnung - doch es ist nicht immer in gleicher Menge verfügbar. Ob bei körperlicher Anstrengung, in großer Höhe oder bei einem medizinischen Notfall wie dem Herzinfarkt: Die Sauerstoffzufuhr kann mitunter stark schwanken und manchmal sehr niedrig sein. Wie reagieren unsere Zellen darauf?
Genau dies haben die drei Forscher entschlüsselt, die in diesem Jahr mit dem Nobelpreis für Medizin geehrt werden - der höchsten und prestigeträchtigsten Auszeichnung für Wissenschaftler. Die zwei US-Amerikaner William Kaelin und Gregg Semenza sowie der Brite Sir Peter Ratcliffe fanden heraus, wie Zellen unterschiedliche Sauerstoffgehalte spüren und sich daran anpassen. Diese Fähigkeit ist für die Zellen essenziell. Denn nur wenn sie sich an das vorhandene Niveau dieses Gases anpassen können, überleben sie.
Bei ihren Forschungsarbeiten stellten die diesjährigen Preisträger fest: Eine wesentliche Rolle für die Sauerstoff-Wahrnehmung der Zellen spielt ein Proteinkomplex namens Hypoxia Inducible Faktor Alpha (HIF-α), der als eine Art Sauerstoffsensor fungiert. HIF-α reagiert auf einen Sauerstoffmangel und bindet an das Erbmolekül DNA. Dies löst eine Kaskade von Genreaktionen aus, die zu einer besseren Anpassung an den aktuellen Sauerstoffgehalt führen. Ist wieder genug Sauerstoff in der Zelle vorhanden, wird der Proteinkomplex abgebaut.
Mit ihren Ergebnissen haben die Forscher einen komplizierten fundamentalen Mechanismus entschlüsselt, der in all unseren Zellen vorkommt. Erst er ermöglicht es uns zum Beispiel, unsere Muskeln auch bei großer Anstrengung weiter zu bewegen und mit "dünner Luft" in den Bergen klarzukommen.
