Innovative CO2-Speicherung Klimawandel: Saarländische Forscher setzen auf intelligente CO2-Materialien

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Saarländische Forscher entwickeln innovativen CO2-Speicher durch stimulierbare Materialien. Ein Artikel im Fachjournal "Advanced Functional Materials" zeigt vielversprechende Ansätze gegen den Klimawandel.

Der Klimawandel ist durch aktuelle geopolitische Krisen etwas aus dem Blick geraten. Dennoch bleibt er langfristig eine der größten Gefahren für das Zusammenleben der Menschen auf der Erde. Eine große Rolle spielt dabei das „Klimagas“ CO2, das die Erderwärmung beschleunigt. Wie man CO2 mit High-Tech-Materialien effizient und günstig speichern kann, zeigen nun saarländische Wissenschaftler der Universität des Saarlandes und der HTW Saar in einem Überblicksartikel im Fachjournal Advanced Functional Materials.
Es ist eine Art Heiliger Gral der (angewandten) Wissenschaften: Weltweit suchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nach möglichst effizienten Methoden, CO2 bei dessen Entstehung einzusammeln und dann entweder sicher zu verwahren, zu vernichten oder weiter zu verwerten. Zwar gibt es derzeit gängige Verfahren, CO2 (englisch: Carbon Dioxide) einzufangen (Capture) und zu lagern (Storage). Diese CCS-Technologien sind allerdings allesamt recht teure Verfahren (Kosten zwischen 50 und 150 Dollar pro Tonne CO2) mit überschaubarer Wirksamkeit. Auch Verfahren, bereits emittiertes CO2 aus der Atmosphäre zu entfernen (Negative Emission Technologies, NETs), können die Menge des „Treibhausgases“ alleine nicht spürbar reduzieren.

Gewaltige CO2-Emissionen in Griff bekommen

Daher sind neue Wege gefragt, um dem drängenden Problem Herr zu werden, denn der Klimawandel schreitet unbeeindruckt von Stürmen, Dürren und schmelzendem Eis rasant voran. Neben dem unbestritten besten Ansatz, möglichst gar kein Kohlendioxid freizusetzen, forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler daher auch an ergänzenden Methoden, um die nach wie vor gewaltigen CO2-Emissionen in den Griff zu bekommen. Hier müssen ressourcenschonende Vor-Ort-Lösungen bei der direkten Entstehung, aber auch mobile Carbon-Capture-Technologien zum Einsatz kommen.
 Neben CCS und NET ist eine weitere Möglichkeit, das Gas zu binden, der Einsatz sogenannter Reiz-reaktiver (auch Stimuli-responsiv genannt) organischer Materialien. Was sich dahinter verbirgt, weiß Markus Gallei, Professor für Polymerchemie an der Universität des Saarlandes. Er hat jüngst mit seinem Mitarbeiter Jian Zhou und Marc Deissenroth-Uhrig, Professor für Erneuerbare Energien an der HTW, im hochrangigen Fachmagazin „Advanced Functional Materials“ einen Übersichtsartikel über diese Spielart der CO2-Abscheidung veröffentlicht. Dieser wurde nun sogar auf das Titelbild der aktuellen gedruckten Ausgabe gehoben.

Entwicklung kompakter, effizienter Systeme mit intelligenten Materialien

„Der Fokus bei diesen Technologien liegt auf der ‚Schaltbarkeit‘ zur Aufnahme oder Abgabe von CO2“, erklärt Markus Gallei. Indem ein bestimmtes Material einem Stimulus ausgesetzt wird, kann dieses Material CO2 aufnehmen und gezielt wieder abgeben, wenn der Stimulus angesprochen wird. Ein solcher Stimulus kann Temperatur sein, Elektrizität, mechanischer Stress, Licht, der pH-Wert oder auch Magnetismus. „Diese Reize kann man auch miteinander kombinieren. Auf diese Weise könnten wir kompakte, effiziente Systeme mit intelligenten Kunststoffen und organischen Materialien entwickeln, die im Gegensatz zu jetzigen Systemen viel weniger Energie benötigen. Das ist eines der Hauptprobleme von gängigen CCS-Systemen“, weiß Markus Gallei, der einen Schwerpunkt seiner Forschung auf die Entwicklung effizienter Polymere gelegt hat. Einige seiner Forschungsprojekte befassen sich mit der Frage, wie CO2 möglichst ressourcenschonend gebunden und vor allem wieder freigesetzt werden kann.

Effizienz von stimulationsreaktiven Materialien

„Entscheidend dabei ist, dass das CO2 für solche Stimulus-responsiven Materialien möglichst rein ist, um es nutzen zu können“, erläutert der Chemiker. Daher bieten sich diese Verfahren auch nicht für alle menschengemachten CO2-Quellen an. „Bei der Stahlherstellung zum Beispiel entstehen noch eine Menge anderer Stoffe neben CO2. Hier wären solche Methoden nicht die Besten. Aber bei ‚mobilen Verbrennern‘ oder auch in kleineren Industrieunternehmen könnten kompakte Systeme auf dieser Basis zum Einsatz kommen“, führt Markus Gallei aus.

„Man kann natürlich fragen: ‚Was ist daran neu?‘“, räumt der Chemieprofessor ein. Denn im streng wissenschaftlichen Sinne Neues berichten er und seine Kollegen in dem Artikel nicht, sie fassen ja „nur“ den Stand der Technik auf diesem Gebiet zusammen. „Aber bislang fehlte tatsächlich ein solcher Überblick in der Fachliteratur. Diese Technologien, auf die wir uns konzentrieren, sind allesamt noch nicht etabliert, bieten unseres Erachtens aber großes Potenzial.“ Dass der Artikel in einem hochangesehenen Fachjournal wie Advanced Functional Materials publiziert wird (Impact Factor 19) und auch noch auf der Titelseite landet, ist ein Beweis dafür, dass Markus Gallei, Marc Deissenroth-Uhrig und Jian Zhou mit dieser Einschätzung richtig liegen.

Konsortium aus Wissenschaft und Industrie

Carbon-Footprint-Trackingsystem verringert CO2-Emmissionen

Förderung durch den Transformationsfonds

Dass auf die Idee ausgerechnet drei Autoren aus dem Saarland gekommen sind, ist ebenfalls kein Zufall. „Die Arbeit ist im Rahmen des Projektes ENFOSAAR entstanden, das aus Mitteln des saarländischen Transformationsfonds vom Land gefördert wird“, so Markus Gallei. In diesem 23 Millionen Euro schweren Verbund erforschen die HTW Saar und die Universität gemeinsam mit dem Fraunhofer IZFP, dem IZES-Institut und dem DFKI, wie die Transformation zur Bewältigung des Klima- und Strukturwandels gelingen kann. „Dank dem Transformationsfonds kann das Saarland also ganz vorne mitspielen bei der Bewältigung der Zukunftsfragen“, resümiert Markus Gallei.
 Wenn ihre Arbeit anderen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern weltweit als Überblick und Inspiration für deren eigene Forschung dienen kann, ist viel gewonnen. Denn um die CO2-Konzentration in der Atmosphäre in den Griff zu bekommen, bedarf es nicht eines einzigen, das Problem alleine lösenden Heiligen Grals. Vielmehr sind es viele kleine „Grälchen“, die ihre Wirkung zusammen entfalten müssen, um das Gas aus der Luft zu bekommen beziehungsweise es erst gar nicht dorthin gelangen zu lassen. Und einige dieser „Grälchen“ könnten ihren Ursprung im Saarland haben.