Ein Blick auf die Energiewende in Deutschland zeigt, dass diese sich aktuell stark verändert, es nichts desto trotz aber noch immer viele Optimierungsmöglichkeiten gibt. Letztendlich bedeutet sie nicht weniger als die komplette Neuordnung der Energieversorgung und berücksichtigt dabei sowohl Strom als auch Wärme und Verkehr. Dass es sich bei diesem Vorhaben um ein Generationsprojekt handelt, steht außer Frage und tatsächlich findet die Energiewende generell eine sehr hohe Zustimmung in der Bevölkerung und bei allen politischen Kräften. Trotzdem stehen unterschiedlichste Bereiche der Energiewendepolitik auch immer wieder in der Kritik, wobei diese meist auf das neue Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) bezogen ist. Darüber gehen die Herausforderungen der Energiewende jedoch weit hinaus, denn auch international wird die Energiewende in Deutschland kritisch betrachtet – immerhin wird ihr Erfolg oder Misserfolg zeigen, ob es einem hochindustrialisierten Land, welches über Wirtschaftlichkeit, Versorgungssicherheit, Umwelt- und Sozialverträglichkeit verfügt, gelingt, eine umfassende Nachhaltigkeit der Versorgung in einem überschaubaren Zeitraum zu realisieren. Derzeit befinden sich die Bemühungen rund um den Systemumbau zwar noch weit am Anfang, trotzdem ist die Energiewende eine lohnenswerte Investition für ein zukunftsträchtiges Energieversorgungssystem. Die Mehrkosten von heute sollen und können auf diesem Weg die Kosten und Risiken für morgen senken.
Quelle: http://www.et-energie-online.de/Zukunftsfragen/tabid/63/NewsId/914/Die-Zukunft-der-Energiewende-in-Deutschland.aspx
 

a. „Energiewende-Index Deutschland“ ist ernüchternd

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Wenngleich die Ziele der Energiewende und der bisher geleistete Aufwand für sich sprechen, so zeigt der Energiewende-Index ein deutlich realistischeres Bild. Dieser betrachtet die Entwicklung der Energiewende bereits seit 2012 und informiert alle sechs Monate über den aktuellen Stand. Dabei kommen drei Dimensionen zum Tragen: der Klima- sowie Umweltschutz, die Versorgungssicherheit und die Wirtschaftlichkeit. Diese wiederum halten jeweils fünf relevante Indikatoren bereit, die analysiert und bewertet werden. Demnach befindet sich die Zielerreichung für 2020 derzeit weit unter Plan und ist voraussichtlich nicht zu verwirklichen. Trotzdem kann und sollte an dieser Stelle angemerkt werden, dass der aktuelle Index 2014 erstmals eine positive Entwicklung verzeichnet:

Von den 15 untersuchten Indikatoren haben sich in der zweiten Jahreshälfte elf besser entwickelt als in den Vormonaten.
Für sieben Indikatoren kann derzeit kein Erreichen der Energiewendeziele erwartet werden (im Vorjahr waren es noch neun).
Realistisch ist die Zielerreichung 2020 für die Indikatoren Solar-PV-Ausbau, Ausbau Transportnetze, Ausfall der Stromversorgung, erneuerbare Energien, Anzahl der Arbeitsplätze, stromintensive Industrie und gesicherte Reservemarge.
Quelle: http://www.mckinsey.de/sites/mck_files/files/mckinsey_energiewende-index_et_september_2014.pdf
 
2. Der Mythos der Öl-Quellen – wie lange reicht es wirklich?
Der Ölverbrauch steigt weltweit kontinuierlich an, Produzenten begünstigen dies noch durch die derzeit niedrigen Preise. Diese fielen von Ende 2014 bis Anfang 2015 um knapp 50 Prozent, da einerseits mehr Öl auf den Markt kam und andererseits die Nachfrage nachgelassen hatte. Allgemein heißt es immer wieder, das Öl würde noch für 40 Jahre reichen und tatsächlich scheint es, als wären die Ressourcen noch lange nicht erschöpft. Hinter dieser Annahme steckt allerdings lediglich eine „statistische Reichweite“. So kommt es, dass der Ölkonzern BP zwar in regelmäßigen Abständen ein statistisches Jahrbuch zu den weltweiten Ölreserven herausgibt, diese jedoch bereits seit den 1980ern zu demselben Ergebnis kommen: Die Ölvorkommen betragen in etwa das Vierzigfache der Jahresproduktion. Demnach dauert das Erdölzeitalter noch 40 Jahre – und das schon seit einigen Jahrzehnten. Und tatsächlich könnte diese Feststellung sogar weiterhin gelten, nämlich dann, wenn die Ölnutzung weiterhin abnimmt, beispielsweise durch die vermehrte Nutzung von Autos mit elektrischem Antrieb. Dieser Wendepunkt soll in Deutschland sogar bereits überschritten sein, sodass hierzulande mittlerweile tatsächlich beträchtlich weniger Öl verbraucht wird.

 

a. Auch in Zukunft unverzichtbar

Trotzdem ist und bleibt Öl zukünftig ein unverzichtbarer Rohstoff, zumal die Umstellung nicht überall gleichzeitig stattfinden kann und ein sofortiger Umstieg nicht möglich wäre. Stattdessen muss dieser schrittweise erfolgen und der Bevölkerung verständlich und nachvollziehbar nähergebracht werden. Öl wird daher auch in Zukunft noch eine wichtige Rolle spielen und so schnell nicht vom Markt verdrängt werden.
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b. Künftige Trends lassen sich bereits heute absehen

Insgesamt betrachtet wird sich die Öl- und Gasförderung in den kommenden Jahren voraussichtlich immer schwieriger gestalten, denn das kostengünstige und einfach zu fördernde Öl ist vielerorts bereits ausgeschöpft. Die derzeit noch großen Ölquellen befinden sich nicht mehr nah an der Oberfläche, sondern lagern in großer Tiefe, unter dem Meeresboden oder eingeschlossen in Ölsanden. Für die Produktions-Ingenieure heißt dies, dass die Öl- und Gasförderung künftig sehr viel schwieriger wird und die Produktionsmethoden dementsprechend verbessert werden müssen. Schon heute lassen sich einige der kommenden Trends ablesen:

Fracking wird weltweit an Bedeutung gewinnen.
Bestehende Ölfelder können länger produzieren, indem ihr Druck durch das Einbringen von Wasser oder Gas wie CO2 erhöht wird.
Neue Produktionsmethoden sollen umweltfreundlicher und gleichzeitig weniger energieintensiv werden.
Flüssiggas wird zukünftig eine größere Rolle auf dem Weltmarkt spielen.
Eine interessante Innovation sind die sogenannten automatischen Ölfelder: sie befinden sich am Meeresgrund unter der Wasseroberfläche und bieten den Vorteil, ohne Wartungen jahrzehntelang zu arbeiten.

 

Trotzdem sind die Alternativen zu Öl und Gas zweifellos auf dem Vormarsch und werden für den Verbraucher immer lohnenswerter. Elektrische Fahrzeuge könnten sich schon bald auf dem Markt durchsetzen, aber auch erneuerbare Energien wie Wind- und Wasserkraft stellen eine ernsthafte Alternative zu fossilen Brennstoffen dar und werden fortwährend wirtschaftlicher und produktiver.

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b.i. Das Öl der Zukunft – teuer, gefährlich und umweltschädlich

Der World Energy Council schätzt, dass sich der weltweite Energiebedarf bis 2050 nahezu verdoppeln wird und in den kommenden 25 Jahren bis zu drei Viertel der leicht zu erschließenden Ölfelder ausgebeutet sein werden. Um auch im 21. Jahrhundert an genügend Öl zu gelangen, müssen daher neue Quellen erschlossen werden. Teure, aber vor allem umweltgefährdende Technologien werden nötig, um künftig nach dem tiefer liegenden Öl zu bohren. Ölproduzenten haben zu diesem Zweck bereits schützenswerte Regionen wie das Arctic National Wildlife Refuge in Alaska im Blick, aber auch die Arktis, Belize oder die peruanischen Amazonasgebiete haben sich diesbezüglich als lohnenswert offenbart. Auch im pazifischen Korallendreieck, welches das wohl artenreichste Meeresreservat weltweit darstellt, soll künftig gebohrt werden. Insgesamt sind derzeit bis zu 42 Nationalparks in den USA von einer Ölförderung bedroht – einige von ihnen wie der Jasuni Nationalpark in Ecuador wurden bereits freigegeben. Immerhin 920 Millionen Barrel sollen so zutage gefördert werden, was gerade einmal dem Weltbedarf von zwei Wochen entspricht.
Öllecks und giftige Chemikalien sind nur einige der möglichen Schäden, sie so am Ökosystem entstehen. Schon die Probebohrungen können in den empfindlichen Ökogebieten verheerende Auswirkungen haben. Diese sind bisweilen auch nicht ganz ungefährlich und können beispielsweise Erdbeben zur Folge haben. Noch alarmierender: sind die Bohrungen erst in vollem Gange, so werden Straßen inmitten der geschützten Gebiete gebaut, an denen wiederum Siedlungen entstehen werden. Jäger, Holzfäller und neue Siedler sind so inmitten von Reservaten und Naturschutzgebieten unterwegs.
 
„Die Büchse der Pandora ist damit geöffnet. Wenn selbst Weltnaturerbestätten wirtschaftlich ausgebeutet werden dürfen, ist zukünftig nichts mehr vor kurzfristigen Profit-Interessen sicher.“ Johannes Kirchgatter, WWF Deutschland
Quelle: http://www.wwf.de/themen-projekte/projektregionen/virunga/das-oel-der-zukunft-teuer-und-gefaehrlich/
 
3. Smart Home, Roboter und Co. – durch Automatisierung zu mehr Energieeffizienz
Die Technologie hat sich in den vergangenen Jahren rasant weiterentwickelt, gerade hinsichtlich der Digitalisierung und Automatisierung gibt es regelrechte Quantensprünge. Diese bringen etliche Annehmlichkeiten für den Menschen mit sich und gestalten das Leben insgesamt einfacher, effizienter und sparsamer. In naher Zukunft wird dieser technische Fortschritt auch den Arbeitsmarkt revolutionieren, wenngleich er dabei nicht nur Gutes verspricht, sondern auch Grund zur Besorgnis gibt.

 

a. Smart Home ist bereits jetzt Realität

In Bezug auf die Automatisierung ist das „Smart Home“ bereits heute aktiv im Einsatz, wenngleich es bisher noch nicht zu einem flächengreifenden Durchbruch gekommen ist. Die Zunahme und ein verbessertes Zusammenspiel verschiedener Faktoren könnten dies jedoch schon bald ändern und die intelligenten Wohnlösungen für viele Verbraucher noch attraktiver machen. Laut einer Umfrage von Capgemini Consulting interessieren sich 66% aller befragten Haushalte in Deutschland für ein Smart-Home-Konzept, wobei es sich im Allgemeinen um eine junge Zielgruppe in Mehrpersonenhaushalten und mit einem höheren Haushaltsnettoeinkommen sowie Bildungsgrad handelt. Neben dem reinen Entertainment- und Komfortaspekt spielt dabei für viele die gesteigerte Energieeffizienz eine Rolle. Gerade für Hersteller und Unternehmen lässt sich daraus ableiten, dass das Smart Home offenbar weniger als ein reines Fun-Produkt, sondern vielmehr als Vernunftprodukt betrachtet wird.
 

a.i. Einsparpotenziale besser nutzen

Mithilfe von Smart Home können verschiedene Einsparpotenziale aufgedeckt werden, darunter beispielsweise geringere Stromkosten oder ein effektiveres und wirtschaftlicheres Heizen in den Wohnräumen. Energie wird durch die passenden Einstellungen nicht mehr unnötig verschwendet, da das System beispielsweise dank entsprechender Sensoren auf offene Fenster reagiert oder die Raumtemperatur misst und dementsprechend mehr oder weniger heizt. Diese und weitere Einsparpotenziale lassen sich mit Smart Home nicht nur aufdecken, sondern auch ideal umsetzen und verbessern. Folgender Ratgeber greift die verschiedenen Energiesparmöglichkeiten nochmals genauer auf.
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b. Industrieroboter sparen Energie – und Arbeitsplätze

Der Einsatz von Robotern wirkt auch heute noch ein wenig futuristisch und realitätsfern. Tatsächlich werden jedoch insbesondere Assistenzroboter immer häufiger eingesetzt. Sie sind vor allem im Zuge des demographischen Wandels und des Pflegekräftemangels eine interessante Alternative und haben daher in vielen Forschungsprojekten eine hohe Priorität. Laut Professor Alois Knoll, Professor für Informatik an der TU München wird es in wenigen Jahren zwar noch keineswegs komplette Hausroboter in den heimischen vier Wänden geben, dafür sind sensorbasierte Haushaltsgeräte, die über Sprach- und Bildverarbeitung verfügen, jedoch deutlich wahrscheinlicher. Sie stellen den ersten Schritt in eine sehr automatisierte Welt dar, in der viele einfache oder lästige Handgriffe von Maschinen erledigt werden und der Komfort des Menschen wie auch die Wirtschaftlichkeit von Unternehmen gesteigert werden kann. Einen besonders wichtigen Effekt soll die Robotik jedoch im gesundheitlichen Bereich haben. Dort bieten sie große Chancen, sowohl älteren oder eingeschränkten Menschen als auch dem Pflegepersonal selbst unter die Arme zu greifen und sie bei alltäglichen Aufgaben zu unterstützen.
 

b.i. Die Gefahren der Automatisierung

Gleichzeitig birgt diese Entwicklung jedoch auch die Gefahr, dass Roboter, Computer und Algorithmen den Menschen Stück für Stück ersetzen. In den USA ist diese Entwicklung bereits deutlich spürbar und verändert den Arbeitsmarkt: fast jeder zweite Job ist bereits gefährdet und alle Branchen sind betroffen, so das Ergebnis einer Studie der Oxford Martin School. Einige Beispiele künftiger Umstellungen auf Automation:

Das Unternehmen McDonalds wird in Zukunft auf Touchscreens statt Kassierer setzen, sodass die Kunden ihr Menü selbständig auswählen können und danach einfach bargeldlos bezahlen. 7.000 dieser Touchscreens wurden bereits bestellt.
Der Großkonzern Foxconn aus Taiwan kündigte an, in naher Zukunft eine Million Roboter anzuschaffen, um mit ihnen Arbeitsplätze zu ersetzen.
Im Mittelstand können mittlerweile zahlreiche Tätigkeiten von auf Algorithmen basierender Software durchgeführt werden und dies oftmals sogar besser. Ein Beispiel wären etwa die von Google entwickelten Fahrzeuge, die keinen Fahrer mehr benötigen, wenngleich diese aktuell noch nicht vollkommen ausgereift sind.

 

Vergleich zwischen kontrollierter und automatisierter Handlung

 
automatisch
kontrolliert
mehrere störungsfreie Handlungen
nur eine störungsfreie Handlung
aktive Aufmerksamkeit nötig
nicht kapazitätsbegrenzt
kapazitätsbegrenzt
Langzeitgedächtnis
Kurzzeitgedächtnis
ausgedehnte Übung nötig
leicht programmierbar
schwer änder-/unterdrückbar
leicht veränderbar
unbewusst
voll bewusst

 
Quellen:
http://www.heikospilker.de/_pdf/technologyreview_letzte_fragen_06_2007.pdf
http://www.youse.de/documents/Risiken_der_Robotikakzeptanz_-_Identifikation_und_Entwicklung_von_Lsungsanstzen_Robot-Era_Vollversion_AAL-Kongress_2013_final.pdf
 
4. Organische Solarzellen als Zukunftstrend
Photovoltaik gilt bereits seit einigen Jahren als Trend und wichtiger Faktor bei der Einführung umweltschonender Verfahren und erneuerbarer Energiequellen. Aufgrund des weltweiten Anstiegs des Energiebedarfs wird aber auch stetig weiter optimiert und geforscht, damit die Technik effizienter und damit für den Verbraucher lohnenswerter wird. Mit Hilfe von Photovoltaik lässt sich Sonnenenergie in elektrische Energie umwandeln, ohne dass dabei thermische oder mechanische Umwege genutzt werden müssen – Solarzellen liefern dabei den elektrischen Strom und werden derzeit überwiegend aus anorganischen Materialien hergestellt. Besonders etabliert sind Halbleitermaterialien auf Silizium-Basis, die jedoch durchaus teuer sind. Die Entwicklung organischer Solarzellen stellt eine Möglichkeit dar, diese Kosten zukünftig zu reduzieren. Im Wesentlichen bestehen sie aus Werkstoffen der organischen Chemie, also synthetisch hergestellten Kohlenwasserstoff-Verbindungen. Derzeit erreichen organische Feststoff-Solarzellen bereits einen Wirkungsgrad von 6-11% bei der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie, bei den bisher genutzten anorganischen Zellen ist der Wirkungsgrad noch gut doppelt so hoch. Einige Spitzenprodukte können sogar den dreifachen Wert erreichen. Dennoch stehen organische Solarzellen kurz vor der Markteinführung, denn sie überzeugen mit einem vergleichsweise günstigen Preis, sodass selbst große Flächen preiswert beschichtet werden können.
Quelle: https://www.uni-ulm.de/fileadmin/website_uni_ulm/nawi.inst.190/PDF-Dateien_Sonstige/Organische_Photovoltaik_GDCh-Webpage_KW_11_1.pdf
 

a. Organisch oder anorganisch: ein Vergleich

 
Organische Zelle
Klassische Silizium-Solarzelle
Farbe kann beliebig angepasst werden
Dunkelgraues Material, mit Beschichtung dunkelblau bis schwarz
Starke Absorption von Sonnenlicht
Mäßige Absorption von Sonnenlicht
Lebensdauer ist abhängig vom Substrat, die Lebensdauer auf starren Glasoberflächen ist sehr lang – bezüglich flexibler Substrate wird derzeit noch geforscht
Sehr lange Lebensdauer (qualitätsabhängig), 20 Jahre Garantie sind üblich
Wirkungsgrad liegt bei knapp 11%, die Entwicklung ist derzeit allerdings rasant
Wirkungsgrad liegt aktuell bei 15-20%, je nach Qualität

 
Quelle Tabelle: oes-net.de
 
5. Nanotechnologie zur Energiegewinnung und -speicherung
Seit jeher gilt die Nanotechnologie als sehr zukunftsweisend und wird als sogenannte Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts bezeichnet. Dabei dreht sich alles um die kleinen Nanopartikel, die aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften viele einzelne Produkte verbessern, wenn nicht gar revolutionieren könnten. Sie werden bereits heute in vielen Bereichen eingesetzt, sei es in Kosmetika, Lebensmitteln, Verpackungen, Textilien, Düngemitteln oder Autozubehör.

Im Bereich der Energieersparnis sollen sie künftig vor allem dafür sorgen, dass Energie einerseits einfacher und effizienter gewonnen wird, andererseits aber auch besser gespeichert werden kann. Ein wichtiges Anwendungsgebiet sind beispielsweise Brennstoffzellen, in denen durch Strom eine chemische Reaktion erzeugt wird, aber auch Solarenergie wird diesbezüglich eine wichtige Rolle spielen: denn Sonnenlicht kann mithilfe von Nanotechnologie noch wirksamer in Strom und Wärme umgewandelt werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, Akkus und Batterien auf diesem Wege leistungsfähiger zu machen.
Quelle: http://www.nanotruck.de/treffpunkt-nanowelten/nanotechnologie-konkret/energie-als-zukunftsressource/energie-gewinnen-und-speichern.html
 

a. Was ist Nano?

nanopartikel  Ist die Rede von Nanotechnologie, so denken viele Menschen an kleine umherschwirrende Partikel. Damit liegen sie auch gar nicht so falsch, denn die sogenannten Nanoteile weisen eine Größe von einem bis hundert Nanometern auf – und ein Nanometer ist wiederum der millionste Teil eines Millimeters. Kurzum: ein Nanoteilchen ist zwar ein wenig größer als ein Atom, aber immer noch kleiner als eine Bakterie. Nanoteilchen kommen überall in der Natur vor, so sind sie beispielsweise ein Teil vieler Strukturen im menschlichen Körper, aber auch Pflanzen enthalten Nanopartikel. Zudem entstehen sie, wenn Gesteine verwittern, Wälder abbrennen oder Vulkane ausbrechen. Heutzutage lassen sie sich außerdem synthetisch im Labor herstellen, weshalb sie für die Forschung und Wissenschaft auch so interessant sind.
Für die Industrie oder die generelle Verwendung in vielen unterschiedlichen Lebensbereichen sind sie aufgrund ihrer besonderen chemischen und physikalischen Eigenschaften so interessant. So ist Keramik in Nanogröße beispielsweise biegsam, während andere Stoffe plötzlich Strom leiten, ihren Schmelzpunkt ändern oder viel stärker und schneller reagieren als größere Partikel. Grund dafür ist vornehmlich die Tatsache, dass das Gesamtvolumen gleich bleibt, während die Oberfläche stark vergrößert ist.
 

b. Zukünftige Ziele

Durch den Einsatz von Nanotechnologie sollen und können etliche Prozesse verbessert werden. Primär werden folgende Ziele derzeit verfolgt:

Verbrennungsprozesse – etwa im Kraftstoffmotor – sollen zur Energiegewinnung vollständiger ablaufen können
Energieverluste sollen mittels Nanopartikeln verringert werden, darunter fällt zum Beispiel die Reibungswärme in Antriebskomponenten
Sonnenlicht soll künftig noch effizienter und mit höherem Wirkungsgrad in Strom und Wärme umgewandelt werden
Die sogenannte Thermoelektrika stellt einen wichtigen Punkt in der Forschung dar – dabei handelt es sich um das Umwandeln von Wärme in Strom
Strom soll künftig weniger Platz benötigen, um erzeugt, gespeichert und weitergeleitet zu werden
Chemische Reaktionen können als Mittel zur Stromerzeugung dienen, indem beispielsweise kontrollierte Reaktionen wie die von Wasserstoff und Sauerstoff genutzt werden

 

c. Bisherige und künftige Anwendungsgebiete

Aktuell werden Nanopartikel zudem bereits aktiv genutzt und wurden in verschiedene Bereiche des Lebens integriert. In Bezug auf Energiesparmaßnahmen und Verbesserungen der Energiegewinnung fallen darunter zum Beispiel verbrennungsfördernde Nanopartikelzusätze für Treibstoffe, flache und flexible Farbstoffsolarzellen für Folie, Brennstoffzellen für Wasserantrieb, Thermoelektrika in der Kleidung (diese verwandeln Körperwärme in Strom) oder Antireflexgläser für Solarzellen und Sonnenkollektoren.
 

c.i. Auch im Solarsektor zukunftsträchtig

Speziell im Solarenergie-Sektor ist zudem eine neuartige Beschichtung erwähnenswert, die ebenfalls mit Nanopartikeln arbeitet. Schon im 19. Jahrhundert entdeckte der Optiker und deutsche Physiker Joseph von Fraunhofer, dass Schichten mit sehr kleinen Poren die Reflexion des Lichts verringern – auch heute gilt dieses Prinzip noch, weshalb moderne Antireflexschichten für Solarglas entwickelt wurden. Sie basieren auf dichten Packungen von Siliziumdioxid-Nanokugeln, zwischen denen sich Luft in Hohlräumen befindet. Die so entstehende Struktur lässt mehr Licht hindurch als unbeschichtetes Glas. Werden Abdeckgläser nun sogar doppelseitig beschichtet, so kann ein sehr breites Wellenlängenspektrum des Sonnenlichts genutzt werden. Die zusätzliche Ausbeute an Energie aus Sonnenleicht kann auf diese Weise um rund 6 Prozent erhöht werden.
Quelle: http://www.nanotruck.de/treffpunkt-nanowelten/nanotechnologie-konkret/energie-als-zukunftsressource/energie-gewinnen-und-speichern/nanotechnologie-und-solartechnik-mehr-lichtausbeute-durch-nanokugeln.html
 
Abbildung 1: 60874393 – Energiewende © Coloures-pic – Fotolia.com
Abbildung 2: 68737495 – Solaranlage Sonnenblumen © Simon Kraus – Fotolia.com
Abbildung 3: Selbsterstellte Grafik
Abbildung 4: Selbsterstellte Grafik
Abbildung 5: Selbsterstellte Grafik
Abbildung 6: 84271790 – microscope, dna double helix and human cell © Paulista – Fotolia.com
 

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