Die Kohleindustrie neu gestalten durch Kohlenstoffdots

Im Dez. 2023 haben 198 unterzeichnende Länder auf der Konferenz der Vertragsparteien (COP) gemeinsam beschlossen, dass die Welt von fossilen Brennstoffen wie Kohle in einer „gerechten, geordneten und gerechten Weise“ „übergang“ muss, um die Treibhausgasemissionen bis 2050 fast auf null zu reduzieren. Es gibt jedoch noch keine Zeitpläne, sodass fossile Brennstoffe in den kommenden Jahren weiterhin das Rückgrat der Volkswirtschaften bilden werden.

Kohle ist die weltweit dominierendste und kohlenstoffintensivste Energiequelle. Vier Haupttypen von Kohle umfassen:

(i) Anthrazit
(ii) Bituminös
(iii) Subbituminös
(iv) Braunkohle

Dieser fossile Brennstoff macht mehr als 37 % der weltweiten Stromversorgung aus und spielt eine grundlegende Rolle bei der Stromversorgung von Haushalten und Industrien sowie bei der Linderung der weltweiten Energiearmut. Noch heute leben etwa 860 Millionen Menschen weltweit ohne Zugang zu Strom. Moderne Lebensweisen sind daher schlichtweg undenkbar ohne Kohle.

Der globale Kohleverbrauch erreichte 2023 tatsächlich ein Rekordhoch, da die Nachfrage nach dem fossilen Brennstoff im Jahresverlauf um 1,4 % stieg und erstmals 8,5 Milliarden metrische Tonnen überschritt, meldete die Internationale Energieagentur (IEA). Der weltweite Verbrauch wird voraussichtlich bis 2026 weiterhin deutlich über 8 Milliarden Tonnen liegen.

Kohle ist ein unverzichtbarer Rohstoff, um die Herausforderung des rasch steigenden Energieverbrauchs zu bewältigen, da sie deutlich günstiger und leichter zugänglich ist als andere fossile Brennstoffe. Im Gegensatz zu Öl und Gas ist sie weltweit in großer Menge vorhanden.

Der Vorteil von Kohle liegt darin, dass sie keine Hochdruckpipelines, teure Aufbereitung oder aufwändige Schutzmaßnahmen beim Transport erfordert, was Lagerung und Transport im Vergleich zu anderen stark entflammbaren fossilen Brennstoffen erleichtert. Außerdem muss Kohle vor der Nutzung lediglich abgebaut werden, während andere fossile Brennstoffe einen langwierigen und kostspieligen Raffinationsprozess benötigen. 

Nicht zu vergessen ist, dass Kohlevorräte auf dem Planeten viel gleichmäßiger verteilt sind. Stand Jan. 2020 verfügt die USA über die größten Kohlevorräte der Welt, die fast 90 % aller fossilen Brennstoffvorräte ausmachen und auf geschätzte 250 Milliarden Tonnen kommen.

Neben ihrer Preisgünstigkeit und Zugänglichkeit ist Kohle zudem äußerst vielseitig einsetzbar. Sie wird weltweit hauptsächlich zur Stromerzeugung genutzt und stellt tatsächlich eine erschwingliche Energieform dar, da Strom aus Kohle günstiger ist als Strom aus anderen Quellen. 

Auch in den USA wird Kohle zur Stromerzeugung in Kraftwerken verbrannt. Die dabei entstehende Wärme wird genutzt, um Wasser in Hochdruckdampf zu verwandeln, der eine Turbine antreibt, die wiederum Strom erzeugt. 2019 wurden etwa 23 % des gesamten US‑Stroms von kohlebefeuerten Kraftwerken erzeugt, laut der US Energy (BSIN ) Information Administration.

Dieser fossile Brennstoff wird zudem zur Herstellung von Stahl und Beton verwendet und ist ein Kernbestandteil der Eisenherstellung sowie anderer Metalle wie Aluminium und Kupfer. Kohle und ihre Nebenprodukte finden zudem Anwendung in Wasserfiltern und Luftreinigungssystemen, im Bau von Flugzeugen und Automobilen, in Medikamenten und in chemischen Prozessen zur Gewinnung seltener Erden.

Weiterhin gibt es Gasifizierungs‑ und Verflüssigungsanwendungen von Kohle, wobei die Mehrheit der Kohle‑zu‑Gas‑Projekte in den USA und China liegt, mit einigen in Australien, Kanada, Indien, Südafrika und Indonesien. Neben der Produktion chemischer Grundstoffe wie Ammoniak, Methanol und Harnstoff wird Kohle auch in der Papier-, Textil‑ und Glasindustrie eingesetzt. Zusammen mit der Herstellung von Kohlefaser liefert sie Zutaten wie Siliziummetalle, die zur Produktion von Komponenten für den Bereich Körperpflege und Haushalt verwendet werden.

Trotz der Fülle, Erschwinglichkeit und Zuverlässigkeit von Kohle steht die Branche vor Herausforderungen bei der Entwicklung von Technologien und Wegen zu null Emissionen, die als Faktor für den Klimawandel identifiziert werden.

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Neubewertung der wirtschaftlichen Rolle von Kohle

Während Länder weltweit versprechen, auf andere Energieformen umzusteigen, weil sie zum Klimawandel beitragen, untersuchen Forscher und Wissenschaftler alternative Nutzungsmöglichkeiten für Kohle. 

Um die wirtschaftliche Rolle des fossilen Brennstoffs neu zu bewerten, haben das Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSM ) Company, das National Energy Technology Laboratory, die University of Illinois Urbana‑Champaign und das Oak Ridge National Laboratory eine gemeinsame Forschungsinitiative gestartet, um die kritische Rolle von Kohle in nächsten‑Generation‑Elektronikgeräten zu demonstrieren.

In den letzten Jahren wurde im Bereich der 2‑D‑Materialien intensiv geforscht, weil sie über bemerkenswerte elektrische, optische und mechanische Eigenschaften verfügen. Die Synthese einer Reihe atomar dünner 2‑D‑Materialien eröffnet eine neue Plattform für schichtweise Materialien, die die Erforschung unbekannter Eigenschaften ermöglichen und eine Reihe neuer Technologien versprechen. 

2‑D‑geschichtete Halbleiter besitzen Merkmale wie hohe Mobilität, stromsparendes Schalten, relativ große Bandlücken und die Verfügbarkeit großflächiger Wachstumsmethoden, was sie zu vielversprechenden Kandidaten für die nächste Generation von Elektronik macht. Jetzt wird Kohle für den Einsatz in solcher Elektronik experimentell untersucht. 

„Kohle wird normalerweise als sperrig und schmutzig angesehen, aber die von uns entwickelten Verarbeitungstechniken können sie in hochreine Materialien von nur wenigen Atomen Dicke verwandeln.“ 

– sagte Qing Cao, Professor für Materialwissenschaft & Ingenieurwesen an der U. of I., der die Initiative mitleitete. 

Er bemerkte außerdem:

„Ihre einzigartigen atomaren Strukturen und Eigenschaften eignen sich ideal, um einige der kleinsten möglichen Elektronikbauteile mit einer Leistung zu fertigen, die der des Stands der Technik überlegen ist.“

Im Rahmen dieser Zusammenarbeit entwickelten die Forscher ein Verfahren, das Kohle‑Char in extrem kleine Kohlenstoffscheiben umwandelt, die „Carbon Dots“ genannt werden. 

Wie die Forschungsgruppe zeigte, können diese nanoskaligen Kohlenstoffscheiben zu atomar dünnen Membranen verbunden werden. Diese Membranen können für Anwendungen in Technologien wie zweidimensionalen (2‑D‑) Transistoren und Memristoren genutzt werden. Laut den Forschern werden diese Technologien entscheidend für den Bau effizienterer Elektronik sein. 

Während kohlenstoffbasierte Materialien, sei es traditioneller industrieller Kohlenstoff wie Ruß oder neuer industrieller Kohlenstoff wie Graphit und Kohlenstofffasern, eine bedeutende Rolle in der Materialwissenschaft spielen, kann makroskopischer Kohlenstoff nicht effektiv als fluoreszierendes Material eingesetzt werden, weil ihm die passende Bandlücke fehlt. Hier kommen Carbon Dots (CDs) als vielversprechende Lösung ins Spiel.

Carbon Dots oder CDs sind eine neue Art von kohlenstoffbasierten Nanomaterialien, die aufgrund ihrer vielfältigen physikochemischen Eigenschaften viel Aufmerksamkeit und Forschungsinteresse erhalten haben. Carbon Dots werden sorgfältig formuliert und sind in der Regel kleiner als 10 nm. Dieses kohlenstoffbasierte Nanomaterial weist Merkmale wie geringe Größe, Umweltfreundlichkeit, niedrige Kosten, geringe Toxizität, hohe Stabilität, gute Biokompatibilität, Elektronenmobilität, hohe Quantenausbeute, zahlreiche funktionelle Gruppen und einzigartige optische Eigenschaften, einschließlich starker Absorption, Photolumineszenz und Phosphoreszenz, auf.

All diese Eigenschaften machen dieses neue Material in der Kohlenstofffamilie so populär und ermöglichen zahlreiche Anwendungen. Dazu gehören:

• Sensoren
• Informationsverschlüsselung
• Photokatalyse
• Leuchtdioden
• Chemische Sensorik
• Solarzellen
• Superkondensatoren
• Wiederaufladbare Batterien
• Bioimaging
• Phototherapie
• Genabgabe
• Drudge delivery
• Explosionsdetektion
• Nanomedizin
• Lebensmittelsicherheit
• Fälschungssicherheit

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Kohle wird eine zentrale Rolle in der nächsten Generation von Elektronik spielen 

Forscher und Wissenschaftler weltweit arbeiten daran, kleinere, schnellere und fortschrittlichere Elektronik zu entwickeln. Das bedeutet, dass Geräte, die aus Materialien bestehen, die nur ein oder zwei Atome dick sind, viel schneller arbeiten und deutlich weniger Energie verbrauchen. 

Für diese Geräte wurden zahlreiche Studien zu ultradünnen Halbleitern durchgeführt, doch nun muss umfangreich geforscht werden, um atomar dünne Isolatoren zu entwickeln, die funktionierende elektronische Bauteile wie Transistoren und Memristoren ermöglichen.

Bei Materialien wird zwischen Leitern, Halbleitern und Isolatoren unterschieden, basierend auf ihrer Fähigkeit, elektrischen Strom zu leiten. Materialien wie Kupfer, Messing, Stahl, Gold und Aluminium, die aufgrund ihrer geringen elektrischen Resistivität leicht Strom leiten, werden Leiter genannt. 

Isolatoren sind Materialien wie Glas, Luft, Holz, Kunststoff und Gummi, die nicht leicht Strom leiten. Materialien wie Silizium (Si), Germanium (Ge) und Selen (Se) sowie Verbindungen wie Galliumarsenid (GaAs) und Indiumantimonid (InSb) besitzen einen elektrischen Leitwert, der zwischen dem eines Leiters und eines Isolators liegt.

Der Widerstand eines Halbleiters sinkt, wenn seine Temperatur steigt, während die Leitfähigkeit eines Halbleiters mit steigender Temperatur zunimmt.

Isolatoren finden vielfältige Anwendungen, darunter Wandisolierung zur Regulierung des Wärmeflusses, Ofenisolation für thermische und dielektrische Barrieren, Schalldämmung zur Vermeidung von Störungen sowie elektrische Isolation in Haushaltsverkabelungen und Kondensatoren in kommerziellen und Verbraucherprodukten. Halbleiter sind ebenfalls allgegenwärtig, etwa in winzigen Transistoren, die in fast jedem Gerät zu finden sind, das wir benutzen, und in Solarzellen, die in Solarmodulen Sonnenlicht in Strom umwandeln.

Bei Isolatoren ist die Energielücke zwischen Valenz‑ und Leitungsband sehr groß (etwa 15 eV), während sie bei einem Halbleiter sehr klein ist (etwa 1 eV). 

Laut einer aktuellen Studie können atomar dünne Kohlenstoffschichten mit ungeordneten atomaren Strukturen als hervorragende Isolatoren für den Bau von 2‑D‑Geräten fungieren, die das Team aus Kohle‑Char‑abgeleiteten Carbon Dots hergestellt hat.

Um das Potenzial der kohle‑abgeleiteten Kohlenstoffschichten zu demonstrieren, nutzten die Forscher sie als Gate‑Dielektrikum in 2‑D‑Transistoren. Auf Basis des Halbleiters Molybdändisulfid schufen sie ein Gerät, das mit über dem Doppelten der Geschwindigkeit arbeitet und dabei weniger Energie verbraucht. 

Diese kohle‑abgeleiteten Kohlenstoffschichten besitzen keine „hängenden Bindungen“, die auf herkömmlichen 3‑D‑Isolatorenoberflächen häufig vorkommen. Indem sie effektiv als „Fallen“ fungieren, verändern sie die elektrischen Eigenschaften von 3‑D‑Isolatoren, verlangsamen den Transport mobiler Ladungen und beeinflussen damit die Schaltgeschwindigkeit des Transistors. 

Allerdings sind die neuen kohle‑abgeleiteten Kohlenstoffschichten, im Gegensatz zu anderen atomar dünnen Materialien, amorph und unerwünschte elektrische Ströme können durch den Isolator fließen, was zu einem erheblichen zusätzlichen Stromverbrauch während des Gerätebetriebs führt. Herr Qing Cao sagte:

„Es ist wirklich spannend, denn dies ist das erste Mal, dass Kohle, etwas, das wir normalerweise als Low‑Tech ansehen, direkt mit der Spitzenforschung der Mikroelektronik verbunden wird.“ 

Eine weitere von den Forschern demonstrierte Anwendung sind Memristoren, elektronische Bauteile, die Daten speichern und verarbeiten können und damit die Implementierung von Künstlicher Intelligenz (KI) erheblich verbessern. Diese Geräte speichern und repräsentieren Daten, indem sie einen leitfähigen Filament modulieren.

Durch den Einsatz ultradünner Kohlenstoffschichten als Isolator konnten die Forscher die schnelle Bildung eines solchen Filaments bei geringem Energieverbrauch ermöglichen, sodass das Gerät mit hoher Geschwindigkeit und niedrigem Stromverbrauch arbeitet. Zusätzlich fangen atomare Ringstrukturen in diesen kohle‑abgeleiteten Kohlenstoffschichten das Filament ein, um die reproduzierbare Gerätefunktion für höhere Datenspeicherzuverlässigkeit zu verbessern.

Diese neuen Geräte zeigen, dass aus Kohle‑Char gewonnene Kohlenstoffschichten in 2‑D‑Geräten eingesetzt werden können. Im nächsten Schritt wird die Zusammenarbeit darauf abzielen, einen „Fertigungsprozess für kohlenstoffbasierte Isolatoren aus Kohle“ zu entwickeln, der in großem Maßstab anwendbar ist.

Nutzung des neuen Ansatzes 

Während die Welt von Kohlenstoff wegtransitioniert, weil der Fokus zunehmend darauf liegt, Treibhausgasemissionen zu senken, kann die laufende Forschung in der Branche, die Kohlenstoff neu bewertet, verschiedene Industrien – etwa Halbleiterhersteller – dazu befähigen, seine neuen Formen künftig zu nutzen. Werfen wir also einen Blick auf einige Unternehmen, die solche Ansätze übernehmen könnten. 

#1. Taiwan Semiconductor Manufacturing 

Dies ist der weltweit größte Chiphersteller, der die fortschrittlichsten Prozesstechnologien der Branche nutzt. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. ist dafür bekannt, die Bedürfnisse vieler hochkarätiger Kunden zu bedienen, darunter NVIDIA (NVDA ), AMD, Intel (INTC ) und Apple. Das Produktportfolio des Unternehmens deckt die breite Elektroindustrie ab, und es expandiert langsam weltweit mit Fabriken auf drei Kontinenten.

Mit einer Marktkapitalisierung von 530,26 Milliarden $, werden TSM‑Aktien derzeit bei 101,40 $ gehandelt, ein Rückgang von 1,69 % im Jahresverlauf (YTD). Das Unternehmen erzielte einen Umsatz der letzten zwölf Monate (TTM) von 69,84 Milliarden $, ein EPS (TTM) von 5,36, ein KGV (TTM) von 19,08 und eine Eigenkapitalrendite (ROE) (TTM) von 29,43 %. Taiwan Semiconductor Manufacturing zahlt zudem eine Dividendenrendite von 1,88 %.

#2. NVIDIA Corporation 

Dieses Unternehmen entwickelt Hardware und Software für Gaming, Laptops, Rechenzentren und Apps und ist insbesondere dafür bekannt, Grafikprozessoren (GPUs) für verschiedene Anwendungen zu schaffen, darunter Spiele, Krypto‑Mining und KI. 

Kürzlich stellte Nvidia seinen neuen Desktop‑Grafikprozessor, die GeForce RTX 40 SUPER‑Serie, für Videospielenthusiasten sowie für lokale KI‑Anwendungen vor. Nvidia erweitert zudem seine Präsenz im chinesischen EV‑Sektor, da vier chinesische EV‑Marken seine Technologie für automatisierte Fahrsysteme einsetzen werden.

Mit einer Marktkapitalisierung von 1,29 Billionen $, werden NVDA‑Aktien derzeit bei 522,58 $ gehandelt, ein Anstieg von 5,5 % im Jahresverlauf (YTD). Das Unternehmen erzielte einen Umsatz der letzten zwölf Monate (TTM) von 44,87 Milliarden $, ein EPS (TTM) von 7,57, ein KGV (TTM) von 68,99 und eine Eigenkapitalrendite (ROE) (TTM) von 69,17 %. Nvidia zahlt zudem eine Dividendenrendite von 0,03 %.

#3. Advanced Micro Devices, Inc. 

Dieser CPU‑ und GPU‑Designer ist eines der größten Chipunternehmen, das kürzlich die Ryzen 8000G‑Serie ankündigte, angeführt vom Ryzen 7 8700G, den AMD als den schnellsten integrierten Grafikbeschleuniger bezeichnet. Gleichzeitig richtet sich die neueste GPU von Advanced Micro Devices (AMD ), die Radeon‑Serie, an das untere und mittlere Segment des Gamer‑Marktes.

Mit einer Marktkapitalisierung von 236,154 Milliarden $, werden AMD‑Aktien derzeit bei 145,21 $ gehandelt, ein Rückgang von 0,83 % im Jahresverlauf (YTD). Das Unternehmen erzielte einen Umsatz der letzten zwölf Monate (TTM) von 22,11 Milliarden $, ein EPS (TTM) von 0,13, ein KGV (TTM) von 1 152,84 und eine Eigenkapitalrendite (ROE) (TTM) von 0,38 %.

Fazit

Wie wir sehen können, wird die Kohleindustrie durch Wissenschaftler und Forscher, die ihren Wert und die Rolle, die sie durch die Schaffung von Carbon Dots mit einzigartigen Eigenschaften spielt, aufdecken, grundlegend transformiert. Diese können in der nächsten Generation von Elektronikgeräten wirklich nützlich sein. Auf diese Weise kann die Kohleindustrie die Zukunft elektronischer Technologien nachhaltig mitgestalten.