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Hanf-Batterien könnten die Art und Weise verändern, wie wir Energie speichern

1. Juni 2019 | Autarkie | Freies Leben | Wirtschaft | Finanzen | Wissenschaft | Forschung | connectiv.events

Während Hanf nach einem jahrzehntelangen Anbauverbot in den USA ein Comeback erlebt, berichten Wissenschaftler, dass Fasern aus der Pflanze genauso viel Energie und Leistung speichern können wie Graphen, das seit langem als Modellmaterial für Superkondensatoren bekannt ist. Auf der 248. National Meeting & Exposition der American Chemical Society (ACS), der größten Wissenschaftsgesellschaft der Welt, wurde die Forschung auf dem Gebiet präsentiert, an der ein kanadisches Start-up-Unternehmen arbeitet.

Obwohl Hanf (Cannabis Sativa) und Marihuana (Cannabis Sativa Var. Indica) von einer ähnlichen Pflanzenart stammen, unterschieden sie sich wesentlich voneinander. Durch absichtliche Fehlinformationen konnte Verwirrung gestiftet werden, die weitreichende Auswirkungen auf die Sozioökonomie sowie auf Umweltaspekte verursacht.

Hanf ist die universellste Pflanze, die uns in all ihren Aspekten zur Verfügung steht. Die Geschichte der Verwendung von Hanf durch die Menschheit lässt sich bis in die Zeit zwischen etwa 5000 – 7000 v. Chr. zurückverfolgen.

Industriehanf und Hanfsamen könnten die Wirtschaft der Weltstaaten positiv und vorteilhaft verändern und sollten daher in vollem Umfang genutzt werden, insbesondere in Bezug auf die Energiespeicherung.

Dr. David Mitlin erklärt, dass Superkondensatoren Energiespeicher sind, die ein enormes Potenzial haben, die Art und Weise, wie zukünftige Elektronik betrieben wird, zu verändern. Im Gegensatz zu den heutigen wieder aufladbaren Batterien, die über mehrere Stunden hinweg Energie verbrauchen, können Superkondensatoren innerhalb von Sekunden auf- und entladen werden. Aber normalerweise können sie nicht annähernd so viel Energie speichern wie Batterien, eine wichtige Eigenschaft, die als Energiedichte bekannt ist. Ein Ansatz, den Forscher verfolgen, um die Energiedichte von Superkondensatoren zu erhöhen, ist die Entwicklung besserer Elektroden. Mitlins Team hat herausgefunden, wie man sie aus bestimmten Hanffasern herstellt – und sie können so viel Energie speichern wie der aktuelle Spitzenkandidat: Graphen.

„Die elektrochemische Leistung unserer Geräte ist auf demselben Niveau oder besser als bei graphenbasierten Geräten“, sagt Mitlin. „Der entscheidende Vorteil ist, dass unsere Elektroden mit einem einfachen Verfahren aus Bioabfall hergestellt werden und daher viel billiger sind als Graphen.“

Der Wettlauf um den idealen Superkondensator hat sich vor allem auf Graphen konzentriert – ein starkes, leichtes Material aus atomdicken Kohlenstoffschichten, das im Stapel zu Elektroden verarbeitet werden kann. Wissenschaftler untersuchen, wie sie die einzigartigen Eigenschaften von Graphen nutzen können, um bessere Solarzellen, Wasserfiltersysteme, Touchscreen-Technologie sowie Batterien und Superkondensatoren herzustellen. Das Problem ist, es ist teuer.

Mitlins Gruppe entschied sich zu erforschen, ob sie graphenartige Kohlenstoffe aus Hanfbastfasern herstellen konnten. Die Fasern stammen aus der inneren Rinde der Pflanze und werden oft von Kanadas schnell wachsender Industrie entsorgt, die Hanf für Kleidung, Baumaterialien und andere Produkte verwenden. Die USA könnten bald ein weiterer Lieferant von Bast werden. Es erlaubt nun eine begrenzte Kultivierung von Hanf, der im Gegensatz zu seinem engen Vetter keine High-Zustände mit sich bringt.

 

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Seit den 1950er Jahren wird in den Vereinigten Staaten von Amerika, Hanf in dieselbe Kategorie wie Marihuana eingeteilt, was dazu führte, dass diese extrem vielseitige Kulturpflanze in den Vereinigten Staaten auch industriell, schnell und effektiv verbannt wurde. Hanf stammt technisch gesehen von der gleichen Pflanzenart ab, aus der auch psychoaktives Marihuana stammt. Es handelt sich jedoch um eine andere Sorte oder Unterart, die viele wichtige Unterschiede enthält.

Industriehanf hat einen sehr niedrigen Tetrahydrocannabinolspiegel (THC), das ist der eigentliche wichtigste psychoaktive Bestandteil. Im Vergleich zu Marihuana, das speziell für den persönlichen psychoaktiven Gebrauch angebaut wird, ist es fast unmöglich, mit Hanf „high“ zu werden. Räucherbares Marihuana enthält in der Regel zwischen 5-10% THC, Industriehanf etwa ein Zehntel davon. Um eine psychoaktive Wirkung zu erzielen, müsste man mehr als ein Dutzend Joints über einen sehr kurzen Zeitraum rauchen, um eine kleine psychoaktive Wirkung zu erzielen.

Der Grund für den niedrigen THC-Gehalt im Hanf ist, dass das meiste THC in Harzdrüsen an den Knospen und Blüten der weiblichen Cannabispflanze gebildet wird. Industriehanf wird nicht angebaut, um Knospen zu produzieren, und so fehlt daher die primäre Komponente, die das Marihuana bildet. Darüber hinaus weist Industriehanf höhere Konzentrationen einer Chemikalie namens Cannabidiol (CBD) auf, die sich negativ auf THC auswirkt und seine psychoaktive Wirkung beim Rauchen mindert.

Wissenschaftler hatten schon lange Zeit vermutet, dass der Hanf mehr zu bieten hat – es galt nur, den richtigen Weg zur Verarbeitung des Materials zu finden.

„Wir haben das Geheimnis herausgefunden“, sagt Mitlin, der jetzt an der Clarkson University in New York tätig ist. „Der Trick ist, die Struktur eines Startermaterials wirklich zu verstehen und herauszufinden, wie es verarbeitet werden soll, um das zu erreichen, was zu Recht als eine erstaunliche Eigenschaft bezeichnet werden kann.“

Sein Team fand heraus, dass, wenn sie die Fasern 24 Stunden lang bei etwas über 350 Grad Fahrenheit erwärmten und dann das resultierende Material mit intensiverer Hitze bestrahlten, das Material zu Kohlenstoff-Nanoblättern exfoliert.

Mitlins Team baute seine Superkondensatoren mit den aus Hanf gewonnenen Kohlenstoffen als Elektroden und einer ionischen Flüssigkeit als Elektrolyt. Vollständig montiert, schnitten die Geräte sowohl in der Energiedichte als auch im Temperaturbereich, über den sie arbeiten können, weitaus besser ab als herkömmliche Superkondensatoren. Die auf Hanf basierenden Geräte lieferten Energiedichten von bis zu 12 Wattstunden pro Kilogramm, zwei- bis dreimal höher als kommerzielle Geräte. Sie arbeiten auch über einen beeindruckenden Temperaturbereich, von Frost bis zu mehr als 200 Grad Celsius.

„Wir sind über den Proof-of-Principle für den voll funktionsfähigen Superkondensator hinaus“, sagt er. „Jetzt rüsten wir uns für die Kleinserienfertigung.“

Regierungen haben mit mächtigen Unternehmenslobbyisten zusammengearbeitet, um sicherzustellen, dass Hanf in die gleiche Kategorie wie Marihuana eingeordnet wird. Der Hauptgrund ist, dass Hanf zu viele reiche Ressourcen für Treibstoff, Wohnen, Nahrung und Medizin hat, die Unternehmen nicht nutzen können. Denken Sie daran, wie viele umweltschädliche Konglomerate ihre Vormachtstellung verlieren würden, wenn Hanf als Ressource zugelassen würde. Die Öl-, Pharma-, Ergänzungs- und Bauindustrie müsste ihr Geschäftsmodell radikal ändern, um zu überleben.

Mitlin, der die Forschung während seines Aufenthalts an der University of Alberta durchführte, würdigt die Finanzierung durch Alberta Innovates Technology Futures, das National Institute for Nanotechnology (Kanada) und die Alberta Livestock and Meat Agency.

 

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Umweltvorteile von Hanf

  • Hanf ergibt ein Kraftstoff-Zufuhr-Verhältnis von 95,5%, wenn er zur Pyrolyse des thermochemischen Prozesses verwendet wird, der organische Substanz in Kraftstoff umwandelt.
  • Biomasse hat einen Heizwert von bis zu 8.000 BTU/lb und enthält praktisch keinen Restschwefel oder Asche bei der Verbrennung.
  • Hanf ist der weltweit führende Produzent von Biomasse pro Hektar. Die Biomasse-Energieexpertin Lynn Osburn schätzt, dass 1 1/2 bis 3 1/2 Millionen Hektar Hanf den gesamten Bedarf an fossilen Brennstoffen in Kanada decken würden.
  • 75% bis 90% aller Papiere wurden bis zum späten 18 Jhd. mit Hanffasern hergestellt.
  • Ein Hektar Hanf wird über einen Zeitraum von 20 Jahren so viel Zellstoff für Papier produzieren wie 4,1 Hektar Bäume.
  • Die Hanfpapierherstellung erfordert keine dioxinproduzierende Chlorbleiche und verbraucht 75% bis 85% weniger schwefelhaltige Säure.
  • Hanfpapier eignet sich für den Recyclinggebrauch 7-8 mal, im Vergleich 3 mal für Holzschliffpapier.
  • Hanf produziert die stärkste, haltbarste natürliche Weichfaser der Welt. Bis zum 1820 wurden bis zu 80% aller Textilien und Gewebe für Kleidung, Leinwand, Bettwäsche und Tauwerk hauptsächlich aus Hanf hergestellt.
  • Hanfgewebe ist stärker, haltbarer, wärmer und saugfähiger als Baumwolle.
  • Ein Hektar Land wird 2-3 mal so viel Faser produzieren wie Baumwolle, etwa 1.000 Pfund Faser pro Hektar.
  • Hanf, der in den meisten Teilen Kanadas angebaut wird, benötigt keine Herbizid-, Fungizid- oder Insektizidanwendungen. Bis zu 25% aller in Nordamerika eingesetzten landwirtschaftlichen Pestizide werden auf die Baumwollpflanze aufgebracht.
  • Natürliche, organische Hanffasern atmen und sind recycelbar, im Gegensatz zu synthetischen Fasern auf Erdölbasis.
  • Eine voll reife Hanfpflanze kann 1/2 ihres Trockengewichts in Samen enthalten.
  • Nach der Extraktion von Hanfsamenöl ist der verbleibende Samenkuchen nach Sojabohne der zweitgrößte für den Proteingehalt und eine ausgezeichnete Nahrungsquelle für Nutztiere oder Menschen.

 

Landwirtschaftliche Vorteile von Hanf

  • England, Frankreich und Spanien haben alle Hanfsorten mit niedrigem THC-Gehalt für eine Nutzpflanze legalisiert. England pflanzte 1.500 Hektar Hanf als Ernte im ersten Jahr. Berichte aus England zeigen, dass Landwirte mehr als 3.000 $ pro Hektar für ihre Hanfernte erhalten.
  • Niedriger THC-Hanf ist nicht als psychoaktive Droge geeignet.
  • Ein kanadischer Bericht aus dem späten 18. Jhd. zeigte, dass Hanf im Wechselanbau mit Bohnen- und Maiskulturen sehr gut funktioniert.
  • 1991 erhalten die Landwirte in Ontario 290$ und 240$ pro Hektar für Körnermais bzw. Sojabohnen.
  • Hanf wurde in Kanada seit über 100 Jahren erfolgreich angebaut. Kanada produzierte im 18 Jhd. das meiste von allen für den englischen Hanfbedarf. England war damals der größte Hanfverbraucher der Welt.
  • In den 1930ger Jahren berichtete eine Zeitung aus dem Südwesten von Ontario, dass kanadischer Hanf zu den besten der Welt gehört und dem tropischen Hanf weit überlegen ist.
  • In Kanada kann Hanf erfolgreich von unseren südlichen Grenzen bis etwa 60° nördlicher Breite angebaut werden, der Parallele, die die North West Territories von den Provinzen trennt. Diese bemerkenswerte Reichweite ist durch die kurze Wachstumszeit des Hanfs möglich, die in der Regel 90 bis 110 Tage beträgt.
  • Die Hanfpflanze erreicht eine Höhe von bis zu 5 Metern und eine Hauptpfahlwurzel in 30 cm Tiefe versenken. Diese Pfahlwurzel zieht Nährstoffe aus der Tiefe des Bodens und macht sie für nachfolgende Kulturen verfügbar, wenn die Hanfblätter auf den Boden fallen. Dieses umfangreiche Wurzelsystem trägt auch dazu bei, das Problem der Bodenverdichtung zu lindern.
  • Hanf ist sehr bodenschonend und liefert bis zu 60% der Nährstoffe, die er beim Trocknen auf dem Feld dem Boden abgibt.
  • Ein Bericht aus Kentucky besagt, dass Hanf 14 aufeinanderfolgende Jahre lang auf demselben Land angebaut wurde, ohne dass der Boden erschöpft oder der Ertrag verringert wurde.
  • Hanf ist eine sehr wirtschaftliche Kulturpflanze, da er praktisch ohne Pestizideinsatz auskommt.
  • Hanf ist auch relativ dürreresistent und wurde mehrmals während einer durch Dürre verursachten Hungersnot wegen seines proteinreichen Saatguts verwendet.
  • Hanf ist sehr beständig gegen erhöhte UV-Strahlung und sollte im Gegensatz zu Sojabohnen und Mais keine Ertragseinbußen erleiden.

 

Über den Autor

Marco Torres ist ein Forschungsspezialist, Schriftsteller und Verbraucheranwalt für einen gesunden Lebensstil. Er hat einen Abschluss in Public Health und Environmental Science und ist professioneller Referent zu Themen wie Krankheitsprävention, Umweltgifte und Gesundheitspolitik.

 

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