Die Größenordnung ist enorm: 92.961 Grundschleppnetz-Proben aus vier Jahrzehnten bilden die Bewegungen von 607 Fischarten ab. Wie Inside Climate News berichtet, verlagerten 60 Prozent der untersuchten Bestände ihren Lebensraum nach unten. Pro Jahrzehnt sank ihre mittlere Aufenthaltstiefe um knapp 18 Meter.

Warum Fische immer tiefere Gewässer aufsuchen

Bei den Bewegungen nach Norden oder Süden entstand dagegen kein klarer Trend. 49 Prozent der Populationen wanderten polwärts, 51 Prozent in Richtung Äquator. Die im Fachjournal Nature Communications veröffentlichten Ergebnisse widersprechen damit der verbreiteten Vorstellung, Meerestiere würden bei Erwärmung vor allem in Richtung der Pole ausweichen.

Mehr als 60 Prozent der untersuchten Bestände vergrößerten zugleich ihr bisheriges Verbreitungsgebiet. Im Mittelmeer breiteten sich einige Arten sogar nach Süden aus. Dort fanden sie Meeresregionen mit größerer Wassertiefe und damit kühlere Rückzugsorte. Entscheidend war also nicht allein der Breitengrad, sondern auch die Beschaffenheit des Meeresbodens.

Der Meeresboden lenkt die Flucht nach unten

Die meisten Fische können ihre Körpertemperatur nicht selbst regeln. Sie sind auf Wasser angewiesen, dessen Temperatur zu ihrem Stoffwechsel passt. Tiefere Zonen bieten deshalb oft günstigere Bedingungen. Doch Temperatur ist nur ein Teil der Rechnung.

Auch der Sauerstoffgehalt, der Salzgehalt und die verfügbare Nahrung beeinflussen die Wanderung. Die Konzentration von Chlorophyll-a liefert Hinweise auf die Menge des Phytoplanktons und damit auf die Basis vieler mariner Nahrungsketten. Die Forscher beschreiben Europas Meere als ein kleinteiliges Mosaik sehr unterschiedlicher Lebensbedingungen. Für jede Art fällt die Suche nach einem geeigneten Rückzugsraum daher anders aus.

Große Raubfische tauchen besonders schnell ab

Vor allem langsam wachsende und langlebige Raubfische verlagerten ihren Lebensraum in größere Tiefen. Sie stehen weit oben in der Nahrungskette und können meist größere Strecken zurücklegen. Kleinere und schnell wachsende Arten reagierten weniger ausgeprägt.

Doch der Weg nach unten löst nicht jedes Problem. Beutetiere müssen denselben Kurs einschlagen, sonst verlieren Räuber ihre Nahrungsgrundlage. „Man kann tiefer gehen, aber wenn die Beute nicht folgt, was bleibt den Fischen dann zu fressen?“, sagt Mitautor Camille Pierre Albouy von der ETH Zürich.

In der Tiefe könnte das Futter fehlen

Neben der Erwärmung verändert die Fischerei die Verteilung der Bestände. Rund 40 Prozent der Populationen bewegten sich entgegen dem Haupttrend wieder in flachere Bereiche. Albouy vermutet, dass einige Arten frühere Lebensräume zurückerobern, weil der Fischereidruck in manchen europäischen Küstenzonen gesunken ist.

Bei vielen Arten nahm zwar die Zahl der Tiere zu. Das bedeutet jedoch nicht automatisch mehr Fischmasse. Die Meeresökologin Asta Audzijonyte verweist auf den Größenverlust zahlreicher Bestände. In der Ostsee erreichte ein großer Kabeljau früher Längen von mehr als 90 Zentimetern. Heute bleiben viele Tiere kaum größer als ein Essteller.

Fischerei lässt viele Bestände schrumpfen

Die industrielle Fischerei entnimmt häufig die größten und am schnellsten wachsenden Exemplare. Dadurch pflanzen sich häufiger kleinere und langsamer wachsende Tiere fort. „Wir züchten praktisch Zwerge, weil wir alle schnell wachsenden Fische herausnehmen und nur die langsam wachsenden zur Fortpflanzung übrig lassen“, erklärt Audzijonyte laut Inside Climate News.

Schutzmodelle bilden solche Veränderungen bislang oft nur auf einer flachen Karte ab. Die Wassertiefe fehlt in vielen Berechnungen. Studienleiter Arnaud Auber vom französischen Meeresforschungsinstitut Ifremer fordert deshalb, die Beschaffenheit des Meeresbodens stärker einzubeziehen. Künftige Fangquoten und Schutzgebiete müssten berücksichtigen, wohin sich Arten langfristig verlagern.

Schutzgebiete müssen auch die Tiefe erfassen

Weniger als ein Prozent der europäischen Meeresflächen steht laut Audzijonyte unter vollständigem oder strengem Schutz. Für wandernde Fischbestände reicht es daher kaum, einzelne Flächen an der Oberfläche auszuweisen. Schutzräume müssten verschiedene Tiefenzonen, Laichplätze und Nahrungsgebiete miteinander verbinden.

Tieferes Wasser und kleinere Körper können Fischen vorübergehend helfen, wärmeren Meeren und Fangnetzen auszuweichen. Beide Anpassungen stoßen jedoch an Grenzen. Audzijonyte hält eine Erholung dennoch für möglich: „Wenn wir unser Fischereimanagement in Ordnung bringen und die Bestände in Ruhe lassen, könnten sie sich innerhalb von fünf Jahren erholen.“

Kurz zusammengefasst:

• 60 Prozent der untersuchten Fischbestände verlagerten sich in tiefere Gewässer – im Schnitt um knapp 18 Meter pro Jahrzehnt.
• Nach Norden wanderten die Arten nicht geschlossen: 49 Prozent zogen polwärts, 51 Prozent in Richtung Äquator.
• Kühlere Tiefen bieten vorübergehend Schutz, doch Sauerstoff, Nahrung und geeigneter Lebensraum können dort knapp werden.

Übrigens: Nicht nur Meere geraten durch steigende Temperaturen unter Druck – weltweit verlieren fast 80 Prozent der untersuchten Flüsse Sauerstoff. Hitzewellen, Erwärmung und Staudämme verschärfen den Rückgang. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Hans-Petter Fjeld via Wikimedia unter CC BY-SA 2.5

Schlafstörungen sind in Deutschland weit verbreitet. Etwa jeder vierte Mensch leidet an Beschwerden, die behandelt werden sollten. Die Ursachen reichen von Stress bis zu Erkrankungen der Atemwege. Eine davon ist die obstruktive Schlafapnoe. Dabei erschlafft im Schlaf die Muskulatur im Rachen, die Atemwege verengen sich oder fallen zeitweise zusammen.

Schlafapnoe-Medikament stabilisiert den Rachen gezielt

Forscher aus den USA arbeiten nun an einer neuen Option: einem Schlafapnoe-Medikament, das abends als Tablette eingenommen wird. Die Pille AD109 soll die Muskulatur im Rachen stabilisieren und so nächtliche Atemaussetzer verringern. In einer großen Phase-3-Studie sank die Zahl der Atemstörungen deutlich. Für Patienten, die mit der CPAP-Maske nicht zurechtkommen, könnte das ein neuer Weg sein – allerdings mit einem klaren Haken bei den Nebenwirkungen.

AD109 wurde sechs Monate lang an 69 Standorten in den USA und Kanada geprüft. An der SynAIRgy-Studie nahmen 646 Erwachsene mit leichter bis schwerer obstruktiver Schlafapnoe teil. Alle hatten die CPAP-Therapie zuvor nicht vertragen oder lehnten sie ab. Die Ergebnisse wurden im American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine veröffentlicht; die University of Pittsburgh berichtete darüber.

Maske hilft vielen, wird aber oft abgelehnt

CPAP gilt bisher als Standardtherapie bei obstruktiver Schlafapnoe. Das Gerät erzeugt einen leichten Überdruck und hält so die Atemwege offen. Medizinisch kann das sehr wirksam sein. Im Alltag empfinden viele Betroffene die Maske aber als störend. Manche klagen über trockene Schleimhäute. Andere schlafen schlechter, fühlen sich eingeengt oder setzen das Gerät nach einiger Zeit wieder ab.

Damit bleibt ein Teil der diagnostizierten Patienten unbehandelt oder nur unzureichend behandelt. Studienautor Patrick John Strollo von der University of Pittsburgh beschreibt dieses Problem mit einem Vergleich: „Bei vielen anderen chronischen Erkrankungen, etwa Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Asthma oder Typ-2-Diabetes, wäre es undenkbar, dass die Mehrheit der diagnostizierten Patienten unbehandelt oder unzureichend behandelt bleibt. Bei obstruktiver Schlafapnoe ist genau das jedoch weiterhin Realität.“

AD109 setzt bei Muskeln und Nerven an

AD109 kombiniert zwei Wirkstoffe: Aroxybutynin und Atomoxetin. Gemeinsam sollen sie die Nerven- und Muskelsteuerung in den oberen Atemwegen beeinflussen. Vereinfacht gesagt soll der Rachen im Schlaf weniger leicht erschlaffen. Der Luftweg bleibt dadurch stabiler, die Atmung wird seltener unterbrochen.

Strollo sieht darin den entscheidenden Unterschied zu vielen bisherigen Ansätzen. „Eine Tablette, die die zugrunde liegenden neuromuskulären Treiber des Atemwegskollapses während des Schlafs behandelt, könnte helfen, diese Lücke zu schließen und das Spektrum wirksamer Optionen für Patienten zu erweitern, die heute unbehandelt bleiben“, so der Mediziner. AD109 ist allerdings noch kein zugelassenes Medikament. Es handelt sich um ein Prüfpräparat.

Atemaussetzer gingen deutlich zurück

Der wichtigste Messwert in der Studie war der Apnoe-Hypopnoe-Index, kurz AHI. Er gibt an, wie viele Atemaussetzer oder Phasen stark verringerter Atmung pro Stunde Schlaf auftreten. Zu Beginn lag der mittlere Wert der Teilnehmer im Bereich einer moderaten Schlafapnoe.

Nach 26 Wochen sank der AHI in der AD109-Gruppe rechnerisch um 44,1 Prozent. In der Placebogruppe lag der Rückgang bei 17,6 Prozent. Auch die absoluten Zahlen sind wichtig: Unter AD109 verringerte sich der AHI im Mittel um 3,3 Ereignisse pro Stunde. In der Placebogruppe stieg er leicht um 0,7 Ereignisse pro Stunde. Daraus ergab sich ein Unterschied von 4,0 Ereignissen pro Stunde zugunsten von AD109.

Sauerstoffwerte verbesserten sich zusätzlich

Die Pille wirkte sich nicht nur auf die Zahl der Atemstörungen aus. Auch Messwerte zur Sauerstoffversorgung verbesserten sich. Der Sauerstoffabfall-Index sank unter AD109 stärker als unter Placebo. Dieser Wert beschreibt, wie oft der Sauerstoffgehalt im Blut während der Nacht abfällt. Auch die sogenannte hypoxische Belastung nahm ab. Gemeint ist die Gesamtlast durch Sauerstoffmangel während des Schlafs.

Bei 41,8 Prozent der Teilnehmer unter AD109 verbesserte sich die Einstufung der Schlafapnoe-Schwere. 17,6 Prozent erreichten nach 26 Wochen einen AHI unter 5. Nach dem verwendeten Messschema entspricht das einer vollständigen Kontrolle der Erkrankung. In der Placebogruppe lag dieser Anteil bei 9,3 Prozent. Erste Effekte traten bereits nach vier Wochen auf.

Müdigkeit besserte sich nicht eindeutig

Bei der Müdigkeit fiel das Ergebnis weniger klar aus. Beide Gruppen berichteten nach sechs Monaten über bessere Werte. Der Unterschied zwischen AD109 und Placebo erreichte beim Fatigue-Wert jedoch keine statistische Signifikanz. Die Tablette verbesserte also objektive Messwerte der nächtlichen Atmung. Ein sicherer Zusatznutzen bei Müdigkeit ließ sich in der gesamten Studiengruppe nicht belegen.

Für die Einordnung ist das wichtig. Schlafapnoe kann tagsüber müde machen, aber nicht jeder Betroffene spürt die Erkrankung gleich stark. Manche Patienten haben deutliche Beschwerden. Andere merken kaum etwas, obwohl ihre Sauerstoffwerte nachts wiederholt fallen. Die Studie fand Hinweise, dass stärker betroffene Teilnehmer beim Müdigkeitsgefühl eher profitieren könnten. Für die Gesamtgruppe blieb dieser Punkt aber offen.

Nebenwirkungen stoppten viele Teilnehmer früh

Die Verträglichkeit ist der größte Vorbehalt. 70,8 Prozent der Teilnehmer unter AD109 berichteten über Nebenwirkungen. In der Placebogruppe waren es 46,7 Prozent. Am häufigsten traten Mundtrockenheit, Schlaflosigkeit, Übelkeit und Probleme beim Wasserlassen auf. Die meisten Beschwerden wurden als mild eingestuft.

Trotzdem beendeten 21,2 Prozent der Teilnehmer unter AD109 die Behandlung wegen Nebenwirkungen. In der Placebogruppe waren es 3,1 Prozent. Viele Abbrüche passierten früh nach Beginn der Einnahme. Schwere therapiebedingte Nebenwirkungen meldete die Studie nicht. Auch Todesfälle traten nicht auf. Dennoch zeigt die Abbruchquote, dass eine Tablette nicht automatisch für jeden die einfachere Lösung ist.

Zulassung könnte 2027 näher rücken

Der Hersteller Apnimed hat für AD109 bei der US-Arzneimittelbehörde FDA den Fast-Track-Status erhalten. Außerdem wurde ein Zulassungsantrag eingereicht. Nach Angaben aus der Mitteilung könnte ein möglicher FDA-Zieltermin im ersten Quartal 2027 liegen, sofern die Behörde den Antrag zur Prüfung annimmt.

Bis dahin bleibt CPAP die etablierte Standardtherapie. AD109 könnte sie nicht einfach ersetzen. Die Studiendaten sprechen eher für eine zusätzliche Option für Menschen, die mit der Maske nicht zurechtkommen oder sie ablehnen. Vor einer breiten Anwendung müssen Zulassung, Langzeitdaten und die Verträglichkeit im Alltag geklärt werden.

Kurz zusammengefasst:

• AD109 ist ein neues Schlafapnoe-Medikament, das abends als Tablette eingenommen wird und die Muskulatur im Rachen stabilisieren soll.
• In der SynAIRgy-Studie mit 646 Erwachsenen sanken die nächtlichen Atemaussetzer unter AD109 deutlich stärker als unter Placebo; auch die Sauerstoffwerte verbesserten sich.
• Die Pille könnte Patienten helfen, die CPAP-Masken nicht vertragen oder ablehnen – allerdings brach rund jeder fünfte Teilnehmer die Behandlung wegen Nebenwirkungen ab.

Übrigens: Während AD109 die nächtlichen Atemaussetzer direkt verringern soll, zeigen kanadische Langzeitdaten, wie stark Schlafapnoe auch die Psyche belasten kann. Wer ein hohes Risiko für Schlafapnoe hat, entwickelt häufiger Depressionen – mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Pexels

Kakerlaken atmen nicht wie Fische im Wasser, sondern über kleine Öffnungen am Körper. Werden diese Atemöffnungen blockiert, endet ihr Vorteil in engen Räumen schnell. Ein weicher Mini-Tauchanzug soll das verhindern: Er hält Wasser fern, erzeugt Sauerstoff und leitet ihn direkt zu den Atemöffnungen des Tiers.

So wird aus einer lebenden Madagaskar-Fauchschabe eine Cyborg-Kakerlake, die in Laborversuchen bis zu drei Stunden unter Wasser aktiv blieb. Entwickelt wurde der Anzug von Wissenschaftlern der NTU Singapore und der Waseda University.

Cyborg-Kakerlake bleibt unter Wasser beweglich

Cyborg-Insekten tragen kleine elektronische Bauteile, mit denen sich ihre Bewegungen steuern lassen. Anders als Mini-Roboter brauchen sie keinen Motor für jeden Schritt. Sie nutzen ihre eigenen Muskeln. Das spart Energie und macht sie für enge, unübersichtliche Umgebungen interessant.

Die bisherige Grenze lag unter Wasser. Ohne zusätzliche Sauerstoffversorgung verlieren landlebende Insekten dort schnell ihre Bewegungsfähigkeit. In den Versuchen liefen Kakerlaken ohne Anzug nur kurze Zeit weiter. Mit dem neuen System blieben sie dagegen deutlich länger aktiv und reagierten weiter auf Steuerimpulse.

Mini-Anzug erzeugt gezielt Sauerstoff

Der Tauchanzug besteht aus einem kleinen Sauerstofftank, einer flexiblen wasserdichten Hülle und vier dünnen Silikonschläuchen. Der Tank stammt aus dem 3D-Drucker. In seinem Inneren sitzt ein Schwamm mit Mangandioxid. Gibt man verdünntes Wasserstoffperoxid hinzu, entsteht Sauerstoff.

Das Gas gelangt anschließend durch die Hülle und die Schläuche zu den Atemöffnungen der Kakerlake. Die Flüssigkeit bleibt im Tank eingeschlossen. Studienleiter Hirotaka Sato von der NTU Singapore vergleicht den Anzug mit einer Taucherflasche: „Unser neuer Insekten-Tauchanzug funktioniert wie der Sauerstofftank, den menschliche Taucher benutzen.“

Warum die Madagaskar-Fauchschabe passt

Für die Tests nutzte das Team die Madagaskar-Fauchschabe. Sie ist groß, robust und flügellos. Dadurch kann sie kleine technische Bauteile besser tragen als viele andere Insekten. Außerdem kommt ihr flacher Körper durch enge Zwischenräume.

Die Schläuche lassen sich nach Angaben der Universität nach den Versuchen wieder entfernen. Tiere seien dabei nicht verletzt worden. Auch die Nachbeobachtung spricht dafür: Mehrere Kakerlaken lebten nach den Tests weiter und verhielten sich laut Studie normal.

Tunneltest wird bewusst gefährlich

In einem Versuch mussten die Cyborg-Kakerlaken durch eine 1,7 Meter lange transparente Röhre laufen. Ein Abschnitt enthielt Kohlendioxid, ein anderer stand unter Wasser. So simulierte das Team zwei Gefahren, die in verschütteten oder überfluteten Räumen auftreten können: Sauerstoffmangel und vollständiges Untertauchen.

Ohne Anzug verlor die Kakerlake im Kohlendioxid rasch die Orientierung. Im Wasser kam ein Tier nach kurzer Zeit zum Stillstand. Mit Tauchanzug liefen die Cyborg-Kakerlaken durch beide Zonen. Drei von drei getesteten Tieren schafften den Tunnel.

Kleine Körper erreichen enge Orte

Die Technik soll vor allem dort helfen, wo größere Geräte nicht weiterkommen. Nach Erdbeben, Überschwemmungen oder Starkregen können Trümmer, Abflüsse und Rohre teilweise unter Wasser stehen. Ein Insekt mit Sensoren könnte solche Bereiche erkunden, ohne dass Menschen sich selbst in Gefahr bringen.

Sato nennt genau solche Orte als Ziel: „Das ist wichtig, weil echte Katastrophenorte nach starkem Regen oder Überschwemmungen schwierig sein können.“ Versperrte Wege in Trümmern, Abflüssen und engen Spalten erschweren Rettungsarbeiten.

Sensoren sollen künftig mehr liefern

Noch ist der Mini-Tauchanzug kein fertiges Rettungswerkzeug. Die Forscher arbeiten an robusteren Versionen und an Tests in nachgebauten Katastrophenumgebungen. Auch Sensoren und Navigationssysteme sollen hinzukommen.

„Die zentrale ingenieurtechnische Herausforderung bestand darin, ein System zu bauen, das klein, leicht und flexibel genug ist, damit das Insekt es tragen kann, und zugleich genug Sauerstoff für längere Unterwasserbewegungen erzeugt“, erklärt Professor Shinjiro Umezu von der Waseda University.

Neben der Suche in Trümmern kommen auch überflutete Rohre, Abflüsse und enge Tunnel infrage. Dort könnten Cyborg-Insekten eines Tages prüfen, ob Leitungen beschädigt, verstopft oder mit gefährlichen Gasen belastet sind. Später ließe sich der Mini-Tauchanzug möglicherweise auch für andere Kakerlakenarten, Heuschrecken oder Käfer anpassen.

Kurz zusammengefasst:

• Cyborg-Kakerlaken sind lebende Kakerlaken mit elektronischer Steuerung, die ihre eigenen Muskeln nutzen und deshalb weniger Energie brauchen als kleine Roboter.
• Ein Mini-Tauchanzug hält Wasser fern, erzeugt Sauerstoff und leitet ihn zu den Atemöffnungen der Kakerlake, sodass sie in Laborversuchen bis zu drei Stunden unter Wasser aktiv blieb.
• Künftig könnten solche Cyborg-Insekten enge Trümmer, überflutete Rohre, Abflüsse oder Tunnel erkunden, die für Menschen und größere Roboter schwer erreichbar sind.

Übrigens: Während Cyborg-Kakerlaken eines Tages durch überflutete Trümmer kriechen könnten, soll ein vierbeiniger Roboter schon vorher dort hinein, wo für Feuerwehrleute Giftstoffe zur tödlichen Gefahr werden. Wie der Spürroboter Messwerte und Live-Bilder aus der Gefahrenzone liefert, mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © NTU Singapore

Eine neue globale Analyse der Chinese Academy of Sciences (CAS) liefert ihn nun: Für 21.439 Flussabschnitte rekonstruierte ein Forschungsteam die Entwicklung seit 1985. Das Ergebnis ist deutlich: Viele Flüsse verlieren dauerhaft Sauerstoff, vor allem weil ihr Wasser wärmer wird.

Warum Sauerstoff in Flüssen so wichtig ist

Gelöster Sauerstoff entscheidet darüber, wie lebendig ein Fluss bleibt. Fische, Wasserpflanzen und Mikroorganismen brauchen ihn, Stoffkreisläufe hängen daran, auch die Wasserqualität verändert sich, wenn der Sauerstoffgehalt sinkt. Studienautorin Kun Shi vom Nanjing Institute of Geography and Limnology beschreibt ihn deshalb als „lebenswichtigen Stoff, der aquatische Ökosysteme erhält“.

Für die Analyse werteten die Wissenschaftler 3,4 Millionen Satellitenbilder aus den Jahren 1985 bis 2023 aus, ergänzt durch Klimadaten und Messwerte aus Wasserqualitätsdatenbanken. In 78,8 Prozent der untersuchten Flussabschnitte sank der Sauerstoffgehalt im Untersuchungszeitraum.

Im Schnitt verloren die Flüsse 0,045 Milligramm Sauerstoff pro Liter und Jahrzehnt. Bei etwa einem Drittel war der Rückgang statistisch klar nachweisbar. Einen deutlichen Anstieg fanden die Forscher nur in 2,2 Prozent der Abschnitte.

Warmes Wasser verschärft den Sauerstoffverlust

Der wichtigste Mechanismus ist physikalisch einfach – und ökologisch folgenschwer. Warmes Wasser kann weniger Sauerstoff binden als kaltes. Je stärker sich ein Fluss erwärmt, desto weniger Sauerstoff bleibt im Wasser gelöst.

Für den weltweiten Rückgang ist das der zentrale Faktor. Laut Studie erklärt die sinkende Sauerstofflöslichkeit durch höhere Temperaturen 62,7 Prozent des beobachteten Verlusts. Auch der Stoffwechsel im Fluss spielt hinein: Temperatur, Licht und Wasserfluss erklären weitere 12 Prozent.

In gemäßigten Regionen zeigt sich der Zusammenhang mit der Erwärmung besonders klar. Dort gehen mehr als 84 Prozent des Sauerstoffverlusts auf Temperatur und Sauerstofflöslichkeit zurück.

Tropische Flüsse verlieren besonders schnell Sauerstoff

Naheliegend wäre ein anderer Verdacht: Am stärksten müssten jene Flüsse betroffen sein, die sich in kalten Regionen besonders rasch erwärmen. Die Analyse zeigt jedoch ein anderes Muster. Besonders gefährdet sind tropische und subtropische Gewässer.

In Indien fanden die Forscher einige der stärksten Rückgänge weltweit. Auch im Amazonasbecken und in großen Teilen Südamerikas sanken die Sauerstoffwerte deutlich. Zwischen 20 Grad südlicher und 20 Grad nördlicher Breite lag der Anteil der Flüsse mit starkem Sauerstoffverlust zeitweise bei mehr als 90 Prozent.

Dort wiegt der Rückgang schwer. Tropische Flüsse starten oft mit niedrigeren Sauerstoffwerten. Wenn dann weiterer Sauerstoff verloren geht, geraten sie schneller in einen Bereich, der für Fische und andere Wasserlebewesen kritisch wird.

Wenn Flüsse kaum noch atmen können

Wird der Sauerstoffgehalt zu niedrig, sprechen Fachleute von Hypoxie. Die Studie setzt diese Grenze bei weniger als zwei Milligramm pro Liter an. Dann geraten viele Fischarten und andere Wasserlebewesen massiv unter Druck.

Fällt der Wert sogar unter 0,5 Milligramm pro Liter, entstehen sogenannte tote Zonen. Dort können kaum noch Tiere überleben. Die Folgen reichen von Fischsterben bis zu deutlich schlechterer Wasserqualität. Besonders problematisch ist das für Regionen, in denen Flüsse direkt für Trinkwasser, Fischerei oder Landwirtschaft wichtig sind. Sauerstoffarme Gewässer verlieren nicht nur Artenvielfalt, sondern oft auch wirtschaftlichen Wert.

Das passiert bei zu wenig Sauerstoff im Wasser:

• Fischbestände gehen zurück
• empfindliche Arten verschwinden zuerst
• Algen und Mikroorganismen verändern das Gleichgewicht
• Wasserqualität verschlechtert sich deutlich
• Trinkwasseraufbereitung wird schwieriger

Hitzewellen und Staudämme verschärfen den Effekt

Die Forscher untersuchten auch kurzfristige Hitzeextreme. Hitzewellen erklären demnach 22,7 Prozent des globalen Sauerstoffverlusts in Flüssen. Sie erhöhen die Geschwindigkeit des Rückgangs zusätzlich um 0,01 Milligramm pro Liter pro Jahrzehnt. Ohne diese Extremphasen läge der Sauerstoffgehalt weltweit messbar höher.

Auch Staudämme verändern den Sauerstoffhaushalt. Analysiert wurden 457 Dämme, die zwischen 1995 und 2015 gebaut wurden. Nach dem Aufstauen stieg der Anteil der Flüsse mit deutlich sinkendem Sauerstoff um 18,3 Prozent.

Entscheidend ist dabei die Tiefe des Reservoirs. Flache Stauseen verschärfen den Verlust oft stärker. Tiefe Anlagen können den Effekt teilweise abmildern. Die kritische Grenze liegt laut Studie bei rund 30 Metern Wassertiefe.

Interessant ist auch der Einfluss des Wasserflusses. Sowohl sehr niedrige als auch hohe Abflussmengen konnten den Sauerstoffverlust teilweise bremsen. Bei niedrigem Wasserfluss fiel die Deoxygenierung um 18,6 Prozent geringer aus als unter normalen Bedingungen, bei hohem Wasserfluss um 7 Prozent.

Die Entwicklung dürfte sich fortsetzen. Selbst in einem günstigeren Klimaszenario rechnen die Forscher mit weiter sinkenden Sauerstoffwerten. Bei starker Erwärmung könnte der globale Rückgang bis zum Ende des Jahrhunderts fast fünf Prozent betragen. Besonders stark betroffen wären Indien, der Südosten der USA und das Paraná-Plateau in Südamerika. Dort könnten die Werte um mehr als zwölf Prozent sinken.

Kurz zusammengefasst:

• Fast 80 Prozent der untersuchten Flüsse weltweit verlieren Sauerstoff, weil wärmeres Wasser durch den Klimawandel weniger Sauerstoff speichern kann.
• Besonders gefährdet sind tropische Flüsse, etwa in Indien und Südamerika, weil dort niedrige Ausgangswerte und starke weitere Verluste das Risiko für Fischsterben und schlechte Wasserqualität erhöhen.
• Hitzewellen und flache Staudämme verschärfen das Problem zusätzlich, sodass bis 2100 in vielen Regionen noch deutlich weniger Sauerstoff in Flüssen erwartet wird.

Übrigens: Sauerstoffmangel verändert nicht nur Flüsse, sondern auch das Meer bis in seine kleinsten Lebensformen hinein. Selbst Taurin, vielen nur aus Energydrinks bekannt, wird dort für Bakterien zur Energiequelle und beeinflusst wichtige Stoffkreisläufe. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Zhangzj cet via Wikimedia unter CC BY-SA 4.0

Eine neue Entwicklung der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg bringt nun eine neue Variante ins Spiel. Ein Forschungsteam hat einen Wasserstoffmotor getestet, der mit einem geschlossenen Kreislauf arbeitet und einen Wirkungsgrad von mehr als 60 Prozent erreichen soll.

Der Wirkungsgrad beschreibt, wie viel der eingesetzten Energie tatsächlich als nutzbare Antriebsleistung herauskommt. Je höher der Wert, desto weniger Energie geht als Wärme oder Abgas verloren. Für einen Verbrennungsmotor sind mehr als 60 Prozent daher ein außergewöhnlich hoher Wert.

Warum ein Wasserstoffmotor für schwere Fahrzeuge interessant ist

In Magdeburg verfolgen die Forscher einen anderen Ansatz als die Brennstoffzelle: einen Wasserstoffmotor, der wie ein Verbrenner arbeitet, aber deutlich effizienter sein soll. Er richtet sich vor allem an Anwendungen, bei denen Maschinen lange unter hoher Last laufen müssen – etwa in der Schifffahrt, im Fernverkehr oder in der Landwirtschaft.

„Der Kreislaufmotor kombiniert hohe Leistung ganz hervorragend mit einem emissionsfreien Betrieb“, erklärt Prof. Hermann Rottengruber von der Fakultät für Maschinenbau.

Das Gas bleibt im Motor und wird immer wieder genutzt

Der große Unterschied liegt im Aufbau des Motors. Ein normaler Verbrennungsmotor saugt ständig Luft an und stößt Abgase wieder aus. Beim sogenannten Kreislaufmotor bleibt der größte Teil des Gasgemischs im System.

Nach jedem Arbeitstakt wird das Gas abgekühlt, aufbereitet und erneut verwendet. Es zirkuliert also immer wieder durch den Motor. Der entstehende Wasserdampf wird entfernt und verflüssigt. Dadurch gehen deutlich weniger Energie und Stoffe verloren.

Das Prinzip erinnert eher an einen geschlossenen technischen Kreislauf als an einen klassischen Motor mit ständigem Verbrauch. Diese Bauweise verbessert den Wirkungsgrad und spart auf lange Sicht Betriebskosten.

Wasserstoff, Sauerstoff und Argon übernehmen verschiedene Aufgaben

Im Inneren arbeiten drei Stoffe zusammen:

• Wasserstoff liefert die Energie
• Sauerstoff ermöglicht die Reaktion
• Argon stabilisiert den Prozess als Trägergas

Argon ist ein Edelgas. Es ist farb- und geruchlos und reagiert unter diesen Bedingungen nicht mit Sauerstoff. Es verbrennt also nicht selbst, sondern sorgt dafür, dass die Verbrennung kontrollierter und thermisch günstiger abläuft.

Die Fachleute nennen das Konzept deshalb Argon-Power-Cycle-Motor. Im Rahmen eines vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Projekts testete das Team mehrere Varianten gemeinsam mit der WTZ Roßlau gGmbH auf dem Motorprüfstand der Universität. Zusätzlich liefen Computersimulationen, um Leistung und Verhalten des Motors besser zu bewerten.

Mehr als 60 Prozent Wirkungsgrad überraschen selbst Fachleute

Der erreichte Wirkungsgrad von mehr als 60 Prozent ist für einen Verbrennungsmotor ein sehr hoher Wert. Viele klassische Dieselmotoren liegen darunter – besonders gute Lkw-Motoren erreichen laut Bosch Mobility etwa 46 Prozent.

Das macht den Ansatz wirtschaftlich interessant. Wer große Maschinen betreibt, achtet nicht nur auf den Kaufpreis, sondern vor allem auf Verbrauch, Wartung und Laufzeit. Wenn ein Motor über Jahre weniger Energie braucht, verändert das die Rechnung deutlich.

Rottengruber hält das auch finanziell für vielversprechend. „Nach unserer Einschätzung kann das geschlossene System über realistische Betriebszeiten günstiger sein als ein offener Wasserstoff-Verbrennungsmotor“, sagt er.

Ein Grund dafür ist der Verzicht auf aufwendige Abgassysteme. Auch die hohe Effizienz trägt dazu bei, dass sich der größere technische Aufwand später rechnen kann.

Diese Bereiche könnten zuerst vom neuen Wasserstoffmotor profitieren

Die Technik ist besonders dort gefragt, wo Batterieantriebe bislang Schwächen haben. Dazu gehören:

• Fernverkehrs-Lkw
• Schiffsantriebe
• Stromaggregate
• Traktoren und Erntemaschinen
• große Bau- und Nutzfahrzeuge

Gerade in der Schifffahrt wächst der Druck stark. Reedereien müssen klimafreundlicher werden, und viele Hersteller suchen nach Lösungen, die bis 2050 praxistauglich sind. Laut der Universität Magdeburg haben führende Hersteller von Schiffsantrieben bereits Interesse an dem Konzept signalisiert.

Auch in der Landwirtschaft oder auf Baustellen zählt vor allem Verlässlichkeit. Dort geht es weniger um Reichweitenangst als um die Frage, ob eine Maschine täglich ohne Ausfall läuft.

Noch bremsen zwei technische Probleme den breiten Einsatz

Trotz der guten Werte ist der Motor noch nicht marktreif. Die Leistungsdichte ist bislang begrenzt. Während der Einspritzung kann nur eine bestimmte Menge Wasserstoff eingebracht werden.

Hinzu kommt ein zweites Problem: Im geschlossenen Kreislauf kann sich Kohlendioxid anreichern. Das passiert etwa dann, wenn Schmieröl mitverbrennt. Dieses CO₂ verschlechtert den Wirkungsgrad und senkt die Motorleistung.

Beide Punkte müssen gelöst werden, bevor ein breiter Einsatz möglich wird. Trotzdem verändert die Magdeburger Studie den Blick auf den Wasserstoffmotor. Lange galt er als Übergangstechnik ohne große Zukunft. Nun könnte er ausgerechnet dort wichtig werden, wo Diesel bislang kaum zu verdrängen war.

Kurz zusammengefasst:

• Ein neuer Wasserstoffmotor arbeitet in einem geschlossenen Kreislauf, bei dem das Gasgemisch nach jedem Arbeitstakt wieder aufbereitet und erneut genutzt wird, statt als Abgas verloren zu gehen.
• Dadurch erreicht der Wasserstoffmotor einen Wirkungsgrad von über 60 Prozent und könnte vor allem bei Fernverkehrs-Lkw, Schiffen, Traktoren und großen Maschinen eine klimafreundliche Alternative zum Diesel werden.
• Noch begrenzen die Leistungsdichte und die mögliche Anreicherung von Kohlendioxid im System den breiten Einsatz, doch das Interesse aus Industrie und Schifffahrt ist bereits groß.

Übrigens: Während neue Wasserstoffmotoren für Lkw und Traktoren getestet werden, lief in Augsburg erstmals ein großer Schiffsmotor komplett mit 100 Prozent Wasserstoff – ohne einen Tropfen Diesel und mit höherer Leistung auf gleichem Raum. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Jana Dünnhaupt/Uni Magdeburg

Die Daten stammen aus einer Untersuchung unter Leitung der University of Bristol, veröffentlicht im Fachjournal PNAS. Das Team analysierte mehr als 900 fossile Korallenproben aus Tiefen zwischen 190 und 950 Metern. Mithilfe spezieller Datierungen entstand ein Zeitbild über rund 117.000 Jahre.

Ein Pazifikzyklus verändert die Bedingungen in der Tiefe

Tiefsee-Korallen sind weniger erforscht als tropische Riffe. Dabei bilden sie wichtige Lebensräume für viele Arten. Fische, Krebstiere und andere Organismen nutzen diese Strukturen als Schutz und Nahrungsquelle.

Zwischen etwa 5.000 und 3.500 Jahren vor heute fehlen in der untersuchten Galápagos-Region fast alle Nachweise von Tiefsee-Korallen. In diesem Zeitraum fanden die Forscher nur ein einziges Exemplar. „Wir finden vor rund 5.000 Jahren eine Lücke im Vorkommen der Korallen im Maßstab eines Jahrtausends“, erklärt Studienleiter Dr. Joseph Stewart von der University of Bristol.

Die Ursache liegt in einem bekannten Muster im Pazifik. El Niño und La Niña beeinflussen Strömungen, Temperaturen und Niederschläge weltweit. In der untersuchten Phase dominierte eine langanhaltende La-Niña-ähnliche Situation. „Das Verschwinden der Korallen fiel mit einer langen La-Niña-Phase zusammen. Stärkere Meeresströmungen brachten nährstoffreiches Wasser an die Oberfläche. Dadurch sank der Sauerstoffgehalt in der Tiefe, was das Überleben der Korallen erschwerte“, erklärt Stewart.

Sauerstoffmangel bringt das Gleichgewicht ins Wanken

Nicht die Temperatur wurde zum Hauptproblem. Entscheidend war der Sauerstoff im Wasser. In Tiefen zwischen 200 und 1.000 Metern bildete sich eine ausgeprägte Zone mit wenig Sauerstoff. Mehr organisches Material sank nach unten und wurde dort abgebaut. Dieser Prozess verbrauchte zusätzlichen Sauerstoff. Die Bedingungen verschlechterten sich Schritt für Schritt.

„Damit bleibt Sauerstoffmangel jenseits der Toleranzgrenzen der Korallen in Tiefen zwischen 200 und 1.000 Metern die plausibelste Erklärung“, heißt es in der Studie. Zur Einordnung:

• In der Region sinkt der Sauerstoff teils unter 20 Mikromol pro Kilogramm Wasser
• Schon kleine Veränderungen können das Gleichgewicht stören
• Kaltwasserkorallen wachsen langsam und reagieren empfindlich

Tiefsee-Korallen reagieren anders als flache Riffe

Die Entwicklung verlief nicht überall gleichzeitig. Korallen in großer Tiefe verschwanden früher als ihre Verwandten in flacheren Bereichen. Diese reagierten erst später. Der Grund liegt in unterschiedlichen Bedingungen:

• In der Tiefe entscheidet vor allem der Sauerstoff
• In flacheren Regionen spielen Temperatur und Licht eine größere Rolle

Beide Bereiche hängen zusammen, reagieren aber unterschiedlich schnell.

Erholung dauert sehr lange

Nach rund 1.500 Jahren kehrten die Korallen zurück. Die Bedingungen im Pazifik hatten sich verändert. Damit stabilisierte sich auch das Ökosystem. „Der Korallenbestand setzte wieder ein, als die ENSO-Zyklen wieder stärker wurden und sich die Bedingungen dem heutigen Zustand annäherten“, schreiben die Forscher.

Die Rückkehr verlief langsam. Viele Arten wachsen über Jahrzehnte. Neue Kolonien entstehen selten. Ein gestörter Lebensraum braucht daher sehr lange, um sich zu erholen.

Auch die Tiefsee bleibt nicht stabil

Die Ergebnisse verändern den Blick auf die Ozeane. Tiefsee-Ökosysteme gelten oft als stabil. Sie liegen weit entfernt von direkten Einflüssen wie Hitze oder Stürmen. Doch auch hier wirken Veränderungen.

Dr. Stewart sagt: „Unsere Ergebnisse stellen bisherige Annahmen infrage. Nicht nur El Niño mit starker Erwärmung belastet Korallen. Auch langanhaltende La-Niña-Phasen können Schäden verursachen – besonders in der Tiefsee.“ Er warnt daher:

Selbst geringe Veränderungen können ganze Ökosysteme tief unter der Oberfläche kollabieren lassen.

Kurz zusammengefasst:

• Tiefsee-Korallen verschwanden vor rund 5.000 Jahren in der Galápagos-Region für etwa 1.500 Jahre, obwohl sie zuvor über 100.000 Jahre selbst starke Klimaschwankungen überstanden hatten.
• Eine lang anhaltende La-Niña-Phase senkte den Sauerstoff in Tiefen zwischen 200 und 1.000 Metern und zerstörte so die Lebensbedingungen der Korallen.
• Tiefsee-Korallen reagieren auf den Klimawandel empfindlich, weil schon kleine Verschiebungen im Ozeansystem den Sauerstoffhaushalt verändern und ganze Lebensräume kippen lassen können.

Übrigens: Nicht nur in der Tiefsee geraten Korallen unter Druck – auch flache Riffe verschwinden teils schneller, als Schutzgesetze greifen können. Neue Daten zeigen, wie strukturelle Lücken im Artenschutz ganze Lebensräume gefährden. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © WHOI/NSF

In einer Studie im Fachjournal Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) machen die Forscher erstmals sichtbar, was im Inneren eines Materials passiert, während es Licht in chemische Energie umwandelt. Entscheidend ist nicht nur, dass Wasser gespalten wird. Von großer Bedeutung ist, wie und wo das im Detail geschieht.

Was im Material bei der Wasserstoff-Erzeugung wirklich passiert

Bisher ließ sich messen, ob ein Material Wasserstoff erzeugt. Der Ablauf im Inneren blieb oft unklar. Die neue Methode zeigt in Echtzeit, wie sich elektrische Ladungen im Material bewegen und wo die eigentlichen Reaktionen stattfinden.

Der Leiter der Studie, der Yale-Forscher Shu Hu, beschreibt den Fortschritt so: „Wir sind begeistert, weil diese Methode es uns ermöglicht, einen Photokatalysator ‚in Aktion‘ zu sehen.“ Damit wird ein Prozess sichtbar, der bisher nur indirekt zugänglich war.

Wasserstoff aus Sonnenlicht entsteht nicht gleichmäßig

Die Messungen zeigen: Die Reaktionen laufen nicht überall gleich ab. Stattdessen bilden sich winzige Bereiche mit unterschiedlichen Aufgaben. An manchen Stellen entstehen Elektronenüberschüsse, an anderen fehlen sie. Diese Trennung treibt die chemischen Prozesse an.

Im untersuchten System liegen diese Bereiche etwa 150 Nanometer auseinander. Das entspricht einem winzigen Bruchteil eines Millimeters. Dennoch entscheidet diese Distanz darüber, ob Energie erhalten bleibt oder verloren geht.

Die wichtigsten Erkenntnisse im Überblick:

• Die Auflösung der Messung liegt bei rund 10 Nanometern
• Reaktionsbereiche sind etwa 150 Nanometer voneinander getrennt
• Lokale Spannungen reichen von −0,53 Volt bis +0,58 Volt
• Der Energieunterschied beträgt etwa 1,5 Elektronenvolt
• Untersucht wurde ein System aus Platin und Titandioxid

Elektronen folgen klaren Wegen statt Zufall

Im Inneren des Materials bewegen sich Elektronen nicht zufällig. Sie folgen bestimmten Pfaden. Erst diese Bewegung entscheidet darüber, ob Wasserstoff effizient entsteht.

Ein Teil des Materials zieht Elektronen an, ein anderer gibt sie ab. Dadurch entstehen getrennte Zonen für die beiden entscheidenden Reaktionen: Reduktion und Oxidation. Diese Trennung ist notwendig, damit sich Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten kann.

Besonders interessant ist die Rolle von Platin. Es liegt in zwei Formen vor:

• Metallisches Platin unterstützt eine der beiden Reaktionen
• Oxidiertes Platin treibt die jeweils andere an

Beide Formen arbeiten zusammen, aber räumlich getrennt. Erst dieses Zusammenspiel sorgt für einen stabilen Ablauf.

Warum viele Materialien bislang enttäuschen

Viele Materialien liefern im Labor gute Ergebnisse. In der Praxis sinkt die Leistung oft deutlich. Die neuen Messungen liefern eine mögliche Erklärung dafür: Wenn sich Elektronen und sogenannte Löcher zu schnell wieder treffen, geht Energie verloren. Eben das passiert häufig. Die Reaktion läuft zwar ab, aber weniger effizient. Der Unterschied liegt im Detail: in der räumlichen Anordnung der Reaktionsorte.

Die neue Methode zeigt erstmals, wo diese Verluste entstehen. Sie macht sichtbar, welche Strukturen gut funktionieren und welche nicht.

Neue Technik hilft bei gezielter Entwicklung

Die Forscher kombinierten zwei Messverfahren in einem einzigen Aufbau. So konnten sie gleichzeitig Stromfluss und elektrische Spannung erfassen. Das gelang mit einer extrem feinen Nanospitze, die die Oberfläche berührt, ohne sie zu beschädigen.

Diese Technik liefert nicht nur ein Bild, sondern konkrete Daten. Sie zeigt, wie schnell Reaktionen ablaufen und wo sie stattfinden. Damit wird es möglich, Materialien gezielt zu verbessern.

Der Nutzen liegt vor allem in der Entwicklung neuer Systeme. Wer versteht, wie sich Ladungen im Material bewegen, kann gezielt eingreifen. Ziel ist es, mehr Energie zu erhalten und Verluste zu vermeiden.

Saubere Energie rückt technisch näher

Wasserstoff gilt als vielseitiger Energieträger. Er lässt sich speichern, transportieren und in verschiedenen Bereichen einsetzen. Doch seine Herstellung ist bislang oft energieintensiv. Sonnenlicht könnte das ändern – wenn die Umwandlung effizient gelingt.

Die neue Methode liefert dafür einen wichtigen Baustein. Sie macht sichtbar, was bisher verborgen blieb. Damit entsteht ein deutlich schärferes Verständnis dafür, wie Materialien arbeiten und wo sie verbessert werden können.

Der Blick auf wenige Nanometer entscheidet dabei über den großen Maßstab. Denn an dieser Stelle fällt die Entscheidung, ob aus Licht tatsächlich nutzbare Energie entsteht.

Kurz zusammengefasst:

• Yale-Forscher konnten erstmals live sehen, wie ein Material unter Licht Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt.
• Auf winzigster Skala entscheiden getrennte Reaktionsorte darüber, ob Energie erhalten bleibt oder verloren geht.
• Wer diese Abläufe besser versteht, kann Materialien gezielter verbessern, mit denen Wasserstoff mithilfe von Sonnenlicht gewonnen werden kann.

Übrigens: Während Forscher gerade erst live sichtbar machen, wie Sonnenlicht Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet, geht ein neues Material schon den nächsten Schritt: Es speichert Solarenergie über Tage und setzt daraus später auf Knopfdruck Wasserstoff frei – sogar ohne Licht. Für die Energiewende wäre das ein möglicher Weg, saubere Energie nicht nur zu erzeugen, sondern endlich verlässlich bereitzuhalten – mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Yale Engineering

Untersucht wurde das Moor Maglemosen, rund 20 Kilometer nördlich von Kopenhagen. Das seit mehr als 100 Jahren weitgehend ungestörte Gebiet gilt als repräsentativ für nordeuropäische Torfmoore. Dort erfasste ein Forschungsteam über Jahre hinweg kontinuierlich Methan- und CO₂-Flüsse. Ergänzend wurden Wasserstand, Vegetation sowie Boden- und Lufttemperaturen gemessen. Auf dieser Basis modellierten die Forschenden die Emissionsentwicklung für unterschiedliche Wasserstände im Zeitraum von 2007 bis 2023.

Moore zu vernässen hilft beim Klimaschutz nicht automatisch

Moore bedecken nur einen kleinen Teil der Landfläche, speichern aber enorme Mengen organischen Kohlenstoffs. Werden sie entwässert, gelangt dieser Kohlenstoff als Kohlendioxid in die Atmosphäre. Deshalb gelten trockengelegte Moore als bedeutende Emissionsquelle, vor allem in landwirtschaftlich genutzten Regionen.

Die politische Antwort lautet vielerorts: wiedervernässen und fluten. Doch genau hier liegt das Problem. Wird ein Moor dauerhaft überflutet, verändern sich die Bedingungen im Boden grundlegend. Sauerstoff verschwindet aus den oberen Schichten, während Mikroorganismen aktiv werden, die Methan produzieren. Dieses Gas wirkt über 100 Jahre gerechnet rund 30-mal stärker als Kohlendioxid.

Mikroorganismen entscheiden über die Klimawirkung

Im Moorboden arbeiten Milliarden Mikroorganismen. Einige erzeugen Methan tief im sehr nassen Torf. Andere bauen dieses Methan wieder ab, bevor es in die Atmosphäre entweicht. Dieser Abbau funktioniert jedoch nur, wenn Sauerstoff vorhanden ist.

Liegt der Wasserstand knapp unter der Oberfläche, bleibt der obere Bodenbereich belüftet. Dort können methanabbauende Bakterien einen Teil des Gases in Kohlendioxid umwandeln. Das senkt die Klimawirkung deutlich. Wird die Oberfläche hingegen überflutet, bricht dieser natürliche Filter weg.

Der günstigste Wasserstand liegt unter der Oberfläche

Das Ergebnis fällt überraschend eindeutig aus. Der klimafreundlichste Zustand lag im Mittel bei einem Wasserstand von etwa zehn Zentimetern unter der Bodenoberfläche. In diesem Bereich hielten sich Methan- und Kohlendioxid-Emissionen insgesamt am niedrigsten.

„Auf Basis unserer Daten sehen wir, dass ein stabiler Wasserstand knapp unter der Oberfläche die beste Gesamtbilanz liefert“, sagt Studienleiter Bo Elberling. Je nach Moor könne dieser Wert variieren, meist zwischen fünf und 20 Zentimetern. Entscheidend bleibe jedoch die Stabilität.

Technik wird zum Schlüssel für den Klimanutzen

Diese Erkenntnis verändert den Blick auf die Wiedervernässung grundlegend. Ein Moor einmal zu fluten und sich selbst zu überlassen, reicht nicht aus. Trockenperioden oder Starkregen lassen den Wasserstand stark schwanken. Genau das treibt Methan- und Lachgasemissionen nach oben.

Für einen echten Klimanutzen braucht es aktive Steuerung:

• gezielte Zu- und Abfuhr von Wasser
• dauerhafte Kontrolle des Wasserstands
• technische Infrastruktur wie Wehre und Pumpen

Elberling verweist auf die Niederlande, wo stabile Wasserstände seit Jahrzehnten technisch gesichert werden.

Pflanzen beeinflussen den Gasausstoß

Neben dem Wasserstand spielt auch die Vegetation eine wichtige Rolle. In Maglemosen dominiert Rohrglanzgras. Diese Pflanze transportiert Gase aus dem Boden über ihre Halme direkt in die Luft. Rund 80 Prozent des Methans entweicht dort über die Pflanzen.

Solche Arten könnten in neu angelegten Feuchtgebieten häufiger werden. Das erhöht den Methanausstoß, wenn der Wasserstand zu hoch liegt. Zusätzlich rückt ein weiteres Treibhausgas in den Fokus: Lachgas. Es entsteht vor allem dann, wenn Böden abwechselnd nass und sauerstoffreich sind. Solche Bedingungen treten bei stark schwankenden Wasserständen auf. Lachgas wirkt über 100 Jahre rund 300-mal stärker als Kohlendioxid und kann den Klimanutzen wiedervernässter Moore deutlich mindern.

Kurz zusammengefasst:

• Moore sind für den Klimaschutz nur dann hilfreich, wenn der Wasserstand stabil knapp unter der Oberfläche bleibt, denn vollständiges Fluten fördert die Freisetzung von Methan und Lachgas, die deutlich klimaschädlicher sind als CO₂.
• Entscheidend sind Mikroorganismen im Boden, die Methan nur abbauen können, wenn Sauerstoff vorhanden ist – das gelingt bei leicht abgesenktem, nicht bei überflutetem Wasserstand.
• Langzeitdaten aus einem dänischen Moor zeigen, dass gezielte Steuerung des Wasserstands technisch notwendig ist, damit Wiedervernässung tatsächlich Klimaschutz bringt und nicht ins Gegenteil umschlägt.

Übrigens: Entwässerte Moore verursachen deutlich höhere CO₂-Emissionen als bisher berechnet. Neue Analysen zeigen überraschend große Hotspots in Europa, viele davon in Deutschland. Weshalb diese Emissionsquellen lange unterschätzt wurden und welche Folgen das für die Klimaziele hat, mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Bo Elberling/University of Copenhagen

Diese sogenannte Lithium-Luft-Batterie steht noch am Anfang, doch ihr Potenzial ist enorm. Die Forscher berichten, dass ihre neue Kohlenstoff-Membran gleich drei entscheidende Schwächen bisheriger Systeme behebt – sie steigert Leistung, Lebensdauer und Stabilität. Für Hersteller von Elektroautos und Energiespeichern wäre das ein entscheidender Fortschritt.

Neue Materialstruktur bringt die Technologie voran

In ihrer Studie erklären die Wissenschaftler, wie sie die Reaktionen im Inneren der Batterie besser kontrollieren konnten. In früheren Tests kam es nach wenigen Ladezyklen zu Ablagerungen, die die Leistung beeinträchtigten. „Die Porenstruktur entscheidet darüber, wie effizient Sauerstoff reagieren kann“, sagt Shoichi Matsuda, Leiter des Forschungsteams am NIMS. Gemeinsam mit seinem Team entwickelte er eine Membran aus Kohlenstoff, die winzige Kanäle in verschiedenen Größen enthält:

• Mikroporen kleiner als zwei Nanometer
• Mesoporen zwischen zwei und fünfzig Nanometern
• Makroporen größer als fünfzig Nanometer

Zum Vergleich: Eine DNA-Doppelhelix misst etwa zwei Nanometer, ein Hepatitis-C-Virus rund fünfzig. In dieser Größenordnung finden die chemischen Reaktionen statt, die die Batterie antreiben.

Wie die neue Struktur Energieverluste senkt

Die neue Anordnung der winzigen Kanäle sorgt dafür, dass Sauerstoff gleichmäßig durch das Material strömt. Dadurch laufen die chemischen Reaktionen ruhiger ab, die Batterie arbeitet stabiler und verliert weniger Flüssigkeit, die für den Energieaustausch nötig ist. So steigt die Energiedichte – also die Menge an Energie, die pro Kilogramm gespeichert werden kann.

Der Kohlenstoff wurde anschließend stark erhitzt – auf rund 2100 Grad Celsius. Durch diese Hitzebehandlung ordneten sich die Atome neu und bildeten eine festere, gleichmäßigere Struktur. Das macht die Elektrode widerstandsfähiger und langlebiger. Laut Arghya Dutta, einer der Hauptautoren der Studie, war „die Wärmebehandlung entscheidend, um die Lebensdauer deutlich zu verlängern“. Diese Stabilität sei ein zentraler Fortschritt der neuen Batterie.

19 Zyklen ohne Einbruch: Diese Laborwerte machen Hoffnung

Im Labor hielt die neue Batterie erstaunlich gut durch. Sechs kleine Elektroden, jeweils vier mal vier Zentimeter groß, konnten 19 Mal aufgeladen und entladen werden, ohne dass die Leistung spürbar nachließ. Erst beim 20. Durchlauf fiel die Spannung deutlich ab.

„Unsere Testzelle zeigte eine bemerkenswerte Stabilität für diese frühe Entwicklungsphase“, sagt Matsuda. Die Batterie erreichte dabei in einer Test-Pouchzelle eine Energiedichte von 130 Wattstunden pro Kilogramm – etwa doppelt so viel wie gängige Lithium-Ionen-Akkus.

In Zukunft könnten laut Berechnungen des Instituts sogar über 700 Wattstunden pro Kilogramm sein. Theoretisch liegt das Maximum bei 11.000 Wattstunden, was der Energiedichte von Benzin entspricht.

Herstellung im größeren Maßstab gelungen

Neben der verbesserten Leistung gelang dem Team noch etwas, das bisher kaum möglich war: die Herstellung größerer Elektroden. Der neue Prozess erlaubt es, Membranen mit einer Fläche von 10 mal 10 Zentimetern zu produzieren – ein wichtiger Schritt hin zur industriellen Fertigung.

„Wir wollten zeigen, dass die Technologie nicht nur im Labor, sondern auch in größerem Maßstab funktioniert“, so das Forschungsteam. Diese Skalierung sei entscheidend, um die Batterie später in größerer Stückzahl herstellen zu können. Die gleichbleibende Qualität der Materialien selbst bei größeren Zellgrößen ist einer der größten Erfolge des Projekts.

Warum die Lithium-Luft-Batterie so besonders ist

Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Akkus nutzt die Lithium-Sauerstoff-Technologie Sauerstoff als Reaktionspartner. In den Experimenten kam der Sauerstoff jedoch nicht aus normaler Umgebungsluft, sondern wurde kontrolliert zugeführt.

Weil der Reaktionspartner prinzipiell „von außen“ kommen kann, gilt die Technik als Kandidat für sehr hohe Energiedichten – interessant vor allem für Anwendungen, bei denen jedes Kilo zählt, etwa in Elektroautos, Flugzeugen und tragbarer Elektronik.

Ein zusätzlicher Vorteil: Die Batterie enthält keine seltenen Metalle wie Kobalt oder Nickel. Das senkt die Kosten, reduziert die Umweltbelastung und verringert Abhängigkeiten von politisch sensiblen Rohstoffmärkten.

Was der Super-Akku für die Zukunft bedeutet

Wenn sich die Ergebnisse bestätigen, könnte diese Technologie neue Maßstäbe setzen:

• Elektroautos mit Reichweiten von über 1000 Kilometern
• Energiespeicher für Solar- und Windstrom mit deutlich höherer Kapazität
• Tragbare Geräte mit längerer Laufzeit und geringerem Gewicht

„Wir stehen erst am Anfang, aber diese Technologie hat das Potenzial, die Art, wie wir Energie speichern, grundlegend zu verändern“, fasst Matsuda zusammen.

Der Weg zur Marktreife dauert noch

Trotz des Fortschritts bleibt der Weg zur Serienfertigung lang. Sauerstoff ist ein reaktives Element, das ungewollte Nebenreaktionen auslösen kann. „Wir müssen Stabilität und Sicherheit weiter verbessern, bevor wir an den Markt denken können“, so Matsuda.

Die Lithium-Luft-Batterie bleibt vorerst ein Projekt im Labor – aber eines, das zeigt, dass der Traum vom „Super-Akku“ realistischer wird als je zuvor. Das Team konzentriert sich nun darauf, die chemischen Prozesse noch besser zu kontrollieren und die Zahl der Ladezyklen zu erhöhen.

Kurz zusammengefasst:

• Die Lithium-Luft-Batterie nutzt Sauerstoff aus der Luft, um Energie zu speichern – sie könnte dadurch deutlich leichter und leistungsstärker werden als heutige Lithium-Ionen-Akkus.
• Forscher entwickelten eine neue Kohlenstoff-Membran, die chemische Reaktionen stabilisiert, die Lebensdauer verlängert und erstmals eine größere Zellproduktion ermöglicht.
• Im Labor erreichte die Batterie eine Energiedichte von 130 Wattstunden pro Kilogramm; theoretisch sind Werte bis 11.000 Wattstunden denkbar – ein Schritt, der Elektroautos, Energiespeicher und mobile Geräte in Zukunft grundlegend verändern könnte.

Übrigens: Alte E-Auto-Batterien könnten bald doppelt nützlich werden – nicht nur als Energiespeicher, sondern auch als Rohstoff für Dünger. Wie ein Ingenieur aus Wisconsin das Recycling neu denkt und Batterieabfälle in Pflanzennahrung verwandelt, steht in unserem Artikel.

Bild: © Pexels

Das liegt an einer winzigen, unsichtbaren Gemeinschaft von Mikroben, die in einem ständigen Wettlauf miteinander stehen: Einige produzieren das gefährliche Gas, andere neutralisieren es sofort wieder. Diese natürliche Balance verhindert, dass größere Mengen in die Atmosphäre gelangen. Doch sie könnte ins Wanken geraten, wenn der Sauerstoffgehalt der Meere weiter abnimmt.

Mikroben arbeiten im Verborgenen – und bewahren das Klima

Die Studie stammt vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen. Sie zeigt, wie sensibel das Schwarze Meer auf kleinste chemische Veränderungen reagiert. Die Wissenschaftler reisten mit dem Forschungsschiff „Poseidon“ in das westliche Becken des Meeres, um Wasserproben aus verschiedenen Tiefen zu nehmen – besonders aus einer Schicht, in der kaum Sauerstoff vorhanden ist.

Diese sogenannte suboxische Zone liegt zwischen 80 und 150 Metern Tiefe. Oberhalb gibt es noch Sauerstoff, darunter beginnt eine schwefelhaltige, anoxische Schicht. In dieser Übergangszone geschieht Entscheidendes: Mikroorganismen produzieren und verbrauchen dort Lachgas gleichzeitig.

Mit stabilen Isotopen konnten die Forscher messen, wie schnell diese Prozesse ablaufen. Die Ergebnisse sind erstaunlich: In manchen Tiefen bildeten die Mikroben täglich bis zu 20 Nanomol Lachgas pro Liter Wasser – das entspricht nur rund einem Millionstel Gramm, also winzigen Mengen. Doch selbst diese Spur genügt, um das Klima zu beeinflussen – und zugleich wurde noch mehr davon wieder abgebaut.

Wer das Gas produziert – und wer es beseitigt

Jan von Arx, Erstautor der Studie, erklärt: „Entweder wird nur wenig N₂O produziert, oder das produzierte N₂O wird entfernt, bevor es die Oberfläche erreicht.“ Die Untersuchungen zeigen, dass beide Prozesse eng miteinander verbunden sind.

• Erzeuger: Vor allem sogenannte Nitrososphaerales, eine Gruppe von Archaeen, setzen Lachgas frei, wenn sie Ammoniak oxidieren.
• Abbauer: Andere Mikroben, etwa bestimmte Gammaproteobakterien und Marinisomatia, nutzen das Gas als Energiequelle und verwandeln es in harmlosen Stickstoff (N₂).

Diese Mikroorganismen bilden einen biologischen Filter. Sie sitzen an der Grenze zwischen Sauerstoff und Schwefelwasserstoff und halten das empfindliche Gleichgewicht. In dieser Tiefe kann der Unterschied zwischen einem Überschuss oder einer vollständigen Neutralisierung von Lachgas innerhalb weniger Meter entstehen.

Forscher beobachten ein empfindliches Gleichgewicht

Die Wissenschaftler sprechen von einer engen „Kopplung“ zwischen Produktion und Verbrauch. Solange diese Balance besteht, bleibt das Schwarze Meer ein kaum messbarer Emittent. Die gemessenen Reduktionsraten – also die Umwandlung von Lachgas in Stickstoff – lagen teils höher als die Produktionsraten. Das bedeutet: Mehr Gas wird beseitigt, als entsteht.

Doch das System reagiert sensibel. In Schichten, in denen der Sauerstoff fast vollständig verschwindet, steigt die Lachgasbildung sprunghaft an. „Verschiedene Mikroorganismen produzierten durch unterschiedliche Prozesse große Mengen an Lachgas. Diese Produktion wurde aber noch übertroffen durch den Verbrauch von Lachgas“, sagt von Arx.

Im oberen Wasserbereich, wo mehr Sauerstoff vorhanden ist, können die Mikroben, die das Gas abbauen, allerdings nicht mehr mithalten. Hier bleibt ein Rest Lachgas übrig, das nach oben entweicht. Damit wird das Meer trotz seiner starken Filterwirkung zu einer leichten, aber dauerhaften Quelle für Treibhausgase.

Ein unsichtbarer Klimaschützer – unter Druck

Lachgas bleibt nach seiner Freisetzung rund 120 Jahre in der Atmosphäre und trägt sowohl zur Erderwärmung als auch zum Ozonabbau bei. Heute liegt seine Konzentration bei etwa 339 Teilchen pro Milliarde Luftmoleküle – und steigt jedes Jahr leicht an. Vor der Industrialisierung waren es etwa 270. Ein Drittel dieser Emissionen stammt aus den Weltmeeren.

„Global gesehen wissen wir leider nur sehr wenig über die Raten, mit denen N₂O in den Weltmeeren abgebaut wird“, erklärt von Arx. Die neuen Ergebnisse aus dem Schwarzen Meer helfen, diese Lücke zu schließen. Sie zeigen, dass die Natur selbst über fein abgestimmte Kontrollmechanismen verfügt – und dass diese Mechanismen vom Klimawandel bedroht sind.

Kurz zusammengefasst:

• Im Schwarzen Meer entsteht viel Lachgas, doch Mikroben wandeln es fast vollständig in harmlosen Stickstoff um – sie wirken wie ein biologischer Filter.
• Diese Balance funktioniert nur, weil sich Produktion und Abbau des Gases in sauerstoffarmen Schichten eng überlappen.
• Sinkt der Sauerstoffgehalt der Ozeane weiter, droht dieser natürliche Klimaschutz zu versagen – und mehr Lachgas gelangt in die Atmosphäre.

Übrigens: Nicht nur im Schwarzen Meer kämpfen Mikroben gegen das klimaschädliche Lachgas – auch im Pazifik produzieren und verbrauchen sie es zugleich. Wie winzige Organismen dort das Gleichgewicht des Klimas beeinflussen, mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © NASA Goddard Space Flight Center via Wikimedia unter CC BY 2.0