Sonderthema Energie: Das Doppelinterview #47

Was treibt uns an?

Ein Doppelinterview

Sie ist immer da, sie ermöglicht Natur, Leben, Zivilisation: die Energie. Ihre Kraft aber entwickelt sie erst durch die Verwandlung. Das gilt für den Menschen, das gilt auch für Maschinen. Welches einheitliche Muster also steht hinter der Energie? Wie verhält sich Energie bei einem Menschen aus Fleisch und Blut, wie bei einer menschgemachten Maschine? Das wollte der COBURGER von einer Professorin und einem Professor völlig unterschiedlicher Fachgebiete wissen und konfrontierte sie mit neun völlig gleichen Fragen. Ein Doppelinterview mit Prof. Dr. Michaela Axt-Gadermann, Professorin für Gesundheitsförderung, und Prof. Dr. Markus Jakob, Forschungsprofessor für motorische Verbrennung, beide von der Hochschule Coburg, die sich für dieses journalistische Experiment zur Verfügung gestellt haben.

COBURGER: Ist Energie eher eine naturwissenschaftliche oder eine philosophische Kategorie?

Axt-Gadermann: Beim Menschen ist „Energie“ eng mit dem Stoffwechsel verbunden. Energie wird benötigt, um die Körpertemperatur aufrecht zu erhalten, Bewegung zu ermöglichen und Gewebe aufzubauen.

Der Anteil des Stoffwechsels eines Menschen oder Lebewesen, der zur Energiegewinnung dient, bezeichnet man als „Energiestoffwechsel“. Interessanterweise wird die dabei freigesetzte Energie bereits in ersten Projekten genutzt, um sie in Wärme oder Elektrizität umzuwandeln. Die menschliche Wärmeenergie, die die 250.000 Pendler täglich im Stockholmer Hauptbahnhof abgeben, wird verwendet, um umliegende Gebäude zu heizen.

Der Begriff Energie oder „energiegeladen“ wird daneben als Charaktermerkmal auch Menschen zugeschrieben, die z.B. umtriebig, quirlig, eloquent, sportlich oder kontaktfreudig sind. Es gibt demnach mehrere Bereiche, in denen sich diese „Energie“ zeigen kann.

Aber natürlich gibt es sicher auch eine philosophische Komponente. Da ich kein Philosoph bin, kann ich dazu wenig sagen.

Jakob: Wenn man sich energietechnischen Fragestellungen beschäftigt, kommen neben wissenschaftlichen oder philosophischen Inhalten auch schnell wirtschaftliche, soziale und umweltpolitische Aspekte dazu. Aus diesem Grund ist es aus meiner Sicht gar nicht möglich, für das Thema der Energietechnik eine klare Eingrenzung zu geben.

Vor dem Hintergrund des anstehenden Klimawandels und der damit dringend benötigten Energiewende können wir aber bereits heute schon erkennen, dass das Thema der nachhaltigen Energietechnik eine der größten technischen, wirtschaftlichen und politischen Herausforderungen für die nachfolgenden Generationen werden wird.

COBURGER: Wer verwertet zugeführte Energie besser? Menschen oder Motoren?

Axt-Gadermann: Energie produzieren wir Menschen durch die Verbrennung von Nahrung und Sauerstoff in winzigen Zellorganellen, den so genannten Mitochondrien. Pro Jahr produziert ein Mensch etwa 100 Kilowattstunden an Wärme- und Bewegungsenergie. Unser Organismus hält dadurch unsere Körpertemperatur ein Leben lang auf etwa 37 Grad Celsius konstant, ermöglicht (manchen von uns) einen Triathlon zu absolvieren oder den Mount Everest zu besteigen.

Der Stoffwechsel, also die Energiemenge, die ein Mensch in Ruhe oder bei Leistung benötigt, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Gleich große und gleich schwere Menschen verbrauchen deshalb für die gleiche Tätigkeit unterschiedliche Mengen an Energie = Kalorien. Deshalb gibt es Menschen, die die zur Verfügung stehende Energie besser ausnutzen und andere schlechter. Der Energieverbrauch (Stoffwechsel) wird beeinflusst vom Alter, Geschlecht, Muskelmasse, Schilddrüsenfunktion und anderen Faktoren.

Der Energieverbrauch des Menschen kann sich an seine Lebensbedingungen anpassen und bei dauerhafter Nahrungsknappheit (früher Hungersnöte, heutzutage Diäten) sinkt er. Das war früher eine gute Taktik, um bei Missernten zu überleben. Heute führt das bei manchen Menschen zu Gewichtsproblemen, denn Menschen können überschüssige, nicht verbrauchte Energie im Fettgewebe dauerhaft speichern. In einem Kilo Fett speichern wir 7000 Kilokalorien. Bei 50 Kilo Übergewicht entspricht das einer Energie von 350.000 kcal.

Jakob: Ob biologische oder technische Prozesse die Energie besser nutzen, kann ich leider nicht genau beantworten. Wenn man diese Prozesse aber miteinander vergleicht, kann man festhalten, dass biologische Prozesse wie zum Beispiel unser Stoffwechsel Energie für sehr unterschiedliche Handlungen wie Bewegung, Kommunikation oder allgemeine Arbeit zur Verfügung stellt.

Wenn man dahingegen technische Prozesse betrachtet, liefern diese Prozesse in erster Linie zunächst nur mechanische Arbeit und Wärme. Bei den technischen Prozessen können dafür aber sehr hohe Leistungsdichten und Speicherkapazitäten darstellt werden, die es uns überhaupt erst ermöglicht haben, in den letzten 100 Jahren unseren industriellen Lebensstandard zu entwickeln.

COBURGER: Warum benötigen wir Energie? Wäre ohne Energie alles nichts?

Axt-Gadermann: Wir können zwar, je nach Fettreserven, einige Wochen ohne Energie, also ohne Nahrung auskommen. Auf Dauer würde der Mensch aber verhungern.

Leistungssportler nutzen individuelle Ernährungskonzepte und Pläne für Training und Regeration, um ihre Leistungsfähigkeit und ihre Energie zu optimieren.

Jakob: Wenn man das vorherige Beispiel vom Mensch-Maschine Vergleich weiternutzt, kann man die Frage zum Energiebedarf beim Beispiel Mensch direkt auf unsere Nahrung anwenden. Ohne die Energie, die wir durch unsere Nahrung aufnehmen, würden wir körpereigene Prozesse nicht mehr antreiben können und würden schlichtweg verhungern.

Und ein ähnliches Bild gilt auch bei der Beurteilung des Energiebedarfs unserer technologisierten Gesellschaft. Wir haben in unserer Gesellschaft viele Prozesse wie zum Beispiel unsere Kommunikationssysteme wie etwa die Smartphones, die Energie benötigen. Und wenn wir für diese Prozesse keine Energie mehr zur Verfügung stellen könnten, würden wir diese Systeme schlichtweg nicht mehr genutzt können.

COBURGER: Was raubt Energie, was bremst und blockiert?

Axt-Gadermann: Wenn wir die Energie nicht als physikalische Größe bzw. Stoffwechsel betrachten, sondern die psychologische Seite betrachten, dann sind die „Energieräuber“ sicher individuell unterschiedlich. Dauerstress ist für viele so ein Energieräuber, der zunächst den Organismus zu Höchstleistungen anspornt, bis er irgendwann völlig ausgebrannt ist. Für manche Menschen ist aber auch dauerhafte Langeweile oder Eintönigkeit im Beruf ein Energieräuber. Analog zum „Burnout“ spricht man dann vom „Boreout“. Dann führt ein Mangel an Stimulation zu einem Mangel an Energie. Auch Krankheiten wie Depressionen sind Energieräuber, denn die Betroffenen fühlen sich antriebslos und haben oft nicht genügend Energie, den Alltag zu bewältigen.

Jakob: Bei technischen Prozessen geht es neben der Reduzierung vermeidbarer Verluste häufig auch darum, in Zielkonflikten eine gute Kompromisslösung zu erarbeiten. Als einfaches Beispiel sei hierbei der Zielkonflikt zwischen niedrigen Emissionen und hohem Wirkungsgrad genannt. Wenn eine Maschine bei maximalem Wirkungsgrad betrieben wird, kann es sein, dass dabei auch hohe Emissionen auftreten. Und daher kann es notwendig sein, dass man zwischenzeitig Wirkungsgradverluste in Kauf nehmen muss, um dauerhaft niedrige Emissionen darstellen zu können.

COBURGER: „Kräfte schonen“, „Sprit sparen“: Wie geht das ohne weniger Antrieb?

Axt-Gadermann: Wenn ich wenig Antrieb habe, wenn ich nichts tue, dann schone ich zunächst meine Kräfte. Das kann in kurzen Phasen, z.B. bei einer Krankheit, sinnvoll für die Regeneration sein. Körpereigene Botenstoffe, so genannte Zytokine, sorgen dann dafür, dass wir uns zum Beispiel bei einem Virusinfekt sehr schlapp, müde und antriebslos fühlen, damit wir uns nicht überanstrengen und Energie für die Heilungsprozesse einsparen. In diesem Fall ist „Kräfte schonen“ durchaus ein sinnvoller Prozess. Aber beim Menschen führt ein dauerhaftes „Kräfte schonen“ nicht zu einem Kraftzuwachs, sondern zu einem Kraft- und Energieverlust. In diesem Fall bauen sich Muskeln und Knochen ab, die Zahl der Mitochondrien, der „Kraftwerke der Zellen“ geht zurück. Wenn wir unser Gehirn nicht regelmäßig fordern, dann lässt auch die geistige Kapazität nach. In gewissen Grenzen könnte man beim Menschen sagen, dass ein Energieverbrauch (z.B. durch Sport oder geistige Aktivitäten) dazu beiträgt, Energie zu erhalten bzw. Energie aufzubauen und das Energielevel zu erhöhen. Zu wenig „Energieverbrauch“ (aber auch zu viel) führt auf Dauer zu einem Mangel an zur Verfügung stehender Energie.

Jakob: Wenn wir davon ausgehen, dass wir in Zukunft vollkommen zurecht noch mehr Wert auf Umweltschutz legen wollen, müssen wir einen größeren Anteil unserer verfügbaren Energie für Umweltschutzaspekte einplanen. Wenn wir gleichzeitig aber auch davon ausgehen wollen, dass wir in Zukunft auch noch mehr Nutzenergie zur Verfügung haben wollen, müssen wir in Zukunft noch mehr Primärenergie verwenden. Und da wir an dieser Stelle auch noch von den bekannten fossilen Energieträgern zu regenerativen Energiesystemen wechseln möchten, wird klar, wie wichtig das Thema Energietechnik in Zukunft werden wird.

COBURGER: Sind Muskeln menschliche Motoren?

Axt-Gadermann: Ja, das würde ich schon so sagen. Muskeln benötigen Treibstoff, in diesem Fall sind das Glukose (Zucker) oder Fettsäuren. Und sie bringen uns vorwärts, sorgen also für Bewegungsenergie. Im Gegensatz zu einem Motor wird aber die Leistungsfähigkeit der Muskeln durch regelmäßigen Gebrauch verbessert, ein Motor hingegen verschleißt nach einer gewissen Zeit.

Jakob: Wenn man biologische und technische Energiewandlungsprozesse vergleicht, findet man einige Gemeinsamkeiten. Bei biologischen Prozessen ist zu erkennen, dass die Natur Energie häufig in chemischer Form speichert und diese Energie durch Reaktionen mit Sauerstoff wieder freigesetzt werden.

Genau dieser Ansatz oxidativer Energiefreisetzung wird auch bei thermischen Energiewandlungsmaschinen wie zum Beispiel Verbrennungsmotoren oder Flugzeugturbinen verwendet. Aus dieser Gemeinsamkeit wird aber auch klar, dass neben Batterien auch chemische Energiespeicher wie zum Beispiel Kraftstoffe eine gute Alternative für die Zwischenspeicherung regenerativer Energien sein können.

COBURGER: Ist Doping dasselbe wie Tuning?

Axt-Gadermann: Ich kenne mich mit Tuning nicht besonders gut aus, denke aber, man kann Doping und Tuning tatsächlich vergleichen. Es gibt viele Arten von Doping. Manche verbessern die Energiebereitstellung, wie zum Beispiel Blutdoping oder Doping mit Erythropoietin. Dadurch stehen dem Sportler mehr rote Blutkörperchen als Sauerstoffträger zur Verfügung, wodurch er mehr Energie = Leistungsfähigkeit im Ausdauerbereich bekommt. Anabolika hingegen fördern das Muskelwachstum, sorgen also im Prinzip für eine bessere „Motorisierung“ des Sportlers, wobei das nur für den Kraft- und Sprintbereich gilt. Im Ausdauerbereich sind große Muskeln eher hinderlich, da sie zu viel Energie verbrauchen

Es gibt im Doping aber auch die psychischen Komponenten durch stimulierende Substanzen wie Kokain, die die psychische Energie, also die Leistungsbereitschaft erhöhen, oder durch beruhigende Medikamente, die gegen Wettkampfnervosität helfen oder für eine „ruhige Hand“ sorgen, z.B. der Einsatz von Betablockern im Schießsport.

Jakob: Bei dem Thema Tuning müsste man zwischen einen Applikationstuning und dem Ersatz von Bauteilen unterscheiden. Bei einem Applikationstuning wird zumeist die Programmierung der Steuergeräte verändert, so dass Leistungsreserven der Maschine genutzt werden, die von den Herstellern eigentlich für Haltbarkeit oder den Betrieb bei niedrigem Umgebungsluftdruck vorgehalten werden. Da man mit diesem Tuning damit aber auch schnell kritische Grenzen überschreiten kann, ist dieses Tuning nicht ganz ungefährlich und vermutlich gut mit Beispiel des Dopings zu vergleichen.

Im Gegensatz dazu werden beim Bauteiltuning aber einige Komponenten der Serienmaschine durch verbesserte Komponenten ersetzt, so dass kritische Grenzen etwas besser vermieden werden können. Im Vergleich zum Doping würde das aber bedeuten, dass z.B. einzelne Körpergruppen ersetzt werden, so dass an dieser Stelle der Vergleich nicht ganz so gut funktioniert.

COBURGER: Ist genug Energie für alle und alles da? Oder müssen wir uns einschränken?

Axt-Gadermann: In Anbetracht des Klimawandels und der wachsenden Weltbevölkerung ist langfristig ein Umdenken in Bezug auf die Nahrungsenergie sicher notwendig. Wenn wir eine Energieeinheit, also eine Kalorie aus Hühnerfleisch zu uns nehmen, musste das Huhn laut Weltagrarbericht zuvor zwei Kalorien aus pflanzlichem Futter erhalten. Bei einer Kalorie aus Milch, Eiern oder Schweinefleisch sind drei Pflanzenkalorien notwendig, bei Rindfleisch sind es sogar sieben. Den Anteil an Gemüse und Obst in der Nahrung zu erhöhen, würde demnach nicht nur die Gesundheit vieler Menschen fördern, sondern würde auch Nahrungsenergie sparen.

Jakob: Wenn wir uns bei dieser Frage auf die regenerativen Energietechniken fokussieren, können wir bereits heute angeben, dass wir den globalen Primärenergiebedarf mit regenerativen Energietechnik mehrfach decken könnten. Wenn man an dieser Stelle aber fragt, weshalb wir diese verfügbaren regenerativen Energietechniken noch nicht nutzen, kommt man aktuell leider noch zu dem Resultat, dass die fossilen Energietechniken aktuell noch viel wirtschaftlicher sind als die regenerativen Energien. Aus diesem Grund wird in Zukunft dringend notwendig sein, dass wir in System kommen, in dem fossile und regenerative Energiesysteme ähnlich teuer werden.

Was ist der Kraftstoff bzw. die Nahrung der Zukunft?

Axt-Gadermann: In Zukunft wird ein Teil der Nahrung sicher aus Quellen kommen, die im Moment noch nicht so gängig sind, wie zum Beispiel die Nutzung von Insekten als Proteinquelle oder im Labor kultiviertes „in-vitro-Fleisch“. 2020 wurde dieses Laborfleisch erstmals in Singapur zugelassen. Dazu werden einzelne Zellen, die als kleine Biopsie einem lebenden Tier entnommen werden, in einer pflanzlichen Nährlösung zu größeren Fleischmengen herangezüchtet.

Jakob: Wenn es um das Thema der zukünftigen Energieversorgung geht, hoffe ich sehr, dass die Politik auch in Zukunft eine technologieoffene Konkurrenz unterschiedlicher Energiewandlungssysteme erlaubt. Diese Technologieoffenheit wird es ermöglichen, dass unterschiedliche Systeme in wirtschaftliche Konkurrenz treten. Und diese wirtschaftliche Konkurrenz wird für die Verbraucher den Vorteil haben, dass man im Rahmen der Energiewende mit weniger drastischen Preissteigerungen im Bereich der Energietechnik rechnen könnte.

Die Fragen stellte Wolfram Hegen.

PROF. DR. MICHAELA AXT-GADERMANN

• seit 2007: Professorin für Gesundheitsförderung an der Hochschule für angewandte Wissenschaften Coburg
• 2007: Erwerb der Zusatzbezeichnung „Sportmedizin“
• 2007: Erwerb der Zusatzbezeichnung „Reisemedizin“
• 2006: Kommissarische Chefärztin und ärztliche Direktorin der Tomesa-Klinik Bad Salzschlirf
• 2004-2005: wissenschaftliche Beratung Vima Marketing Fulda – Beratung von Firmen und Institutionen zur Positionierung in den Bereichen Gesundheit und Wellness
• 1993 – 2005: Tätigkeit als Ärztin in verschiedenen sportmedizinischen und dermatologischen Kliniken und Praxen
• 1999: Facharztprüfung Dermatologie
• seit 1995: regelmäßige Tätigkeit als freie Medizin- / Gesundheitsjournalistin
• 1994: Promotion Humanmedizin
• 1986-1993: Studium der Humanmedizin Julius-Maximilians-Universität Würzburg

PROF. DR. MARKUS JAKOB

• seit 2019: Forschungsprofessor für motorische Verbrennung in der Fakultät Maschinenbau und Automobiltechnik an der Hochschule Coburg
• 2017-2019: Projektleiter für ottomotorische Großprojekte bei der FEV Europe GmbH in Aachen
• 2013-2017: Projektleiter für ottomotorische Thermodynamik bei der FEV GmbH in Aachen
• 2008-2013: Wissenschaftlicher Angestellter am Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (VKA) der RWTH Aachen
• 2006-2007: Erasmus-Austauschstudent am Imperial College London
• 2002-2008: Maschinenbaustudent an der RWTH Aachen