Klimaschutz-Forschung Forschende fangen Treibhausgase aus der Atmosphäre – mit Licht

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Treibhausgase werden trotz des Wissens um ihre Negativwirkung auf das Weltklima in die Atmosphäre gepustet, denn eine komplette Vermeidung lässt sich nicht auf Knopfdruck realisieren. Forschende sind auf der Suche nach Wegen, CO₂ aus der Umwelt zu nehmen. Das ETH Zürich macht das mit Licht – ein erleuchtender Weg in die Zukunft?

Der Schutz des Weltklimas und die Vermeidung einer weiteren Erderwärmung sind Aufgaben, die sich nicht mit einem Fingerschnippen bewältigen lassen. Und den meisten Menschen, die sich mit der Thematik auseinandersetzen, ist klar, dass es nicht ausreicht, den Ausstoß von Treibhausgasen auf null zu reduzieren. Nein, im besten Fall wäre es noch möglich, Treibhausgase wie Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entfernen.

Forschende rund um den Globus sind auf der Suche nach Mitteln und Wegen, mit denen dieses Vorhaben gelingen kann. Eine schnelle und relativ einfache Lösung für das Problem ist etwa die Aufforstung, denn Pflanzen absorbieren während der Fotosynthese CO₂. Allerdings auch nur, solange sie leben.

Methoden zur CO₂-Abscheidung aus der Atmosphäre

Mit Filtern wird versucht, Kohlendioxid bereits vor dem Eintritt in die Atmosphäre aufzufangen und zu speichern. Eine eher umstrittene Idee ist es, die Ozeane zu düngen, um das Wachstum von Phytoplankton zu fördern. Und bei der Mineralisierung reagieren bestimmte Gesteine mit CO₂ und wandeln es in Carbonatmineralien um, die wiederum gelagert werden können.

Viele dieser Technologien und Ansätze stehen jedoch noch vor Herausforderungen hinsichtlich ihrer Skalierbarkeit, Effizienz, Wirtschaftlichkeit und potenzieller Umweltauswirkungen. Forschende der ETH Zürich verfolgen eine weitere Methode, die mit Licht arbeitet. Das große Ziel ist dabei, dass die Sonne in Zukunft die Energie für die Abscheidung von Kohlendioxid liefert.

CCS – Carbon Capture and Storage

Unter der Leitung von Maria Lukatskaya, Professorin für elektrochemische Energiesysteme, nutzen die Forschenden die Tatsache aus, dass CO₂ in sauren wässrigen Flüssigkeiten als CO₂ vorliegt, in alkalischen wässrigen Flüssigkeiten allerdings zu Salzen der Kohlensäure reagiert. Diese chemische Reaktion ist reversibel, und entsprechend bestimmt der Säuregrad einer Flüssigkeit, ob sie Kohlendioxid oder Kohlesäuresalz enthält.

Nun sind die Wissenschaftler auf die Idee gekommen, den Säuregrad einer Flüssigkeit durch das Hinzufügen von Photosäuren zu beeinflussen. Diese Moleküle reagieren auf Licht. Wird die Flüssigkeit mit Licht bestrahlt, wird sie durch die Reaktion der Photosäuren sauer. Bei Dunkelheit wiederum kehren die Moleküle in den Ursprungszustand zurück, die Flüssigkeit wird alkalischer.

Im Detail passiert Folgendes: „Die Forschenden trennen CO₂ aus der Luft ab, indem sie die Luft im Dunkeln durch eine photosäurenhaltige Flüssigkeit leiten. Weil diese alkalisch ist, reagiert das CO₂ und bildet Salze der Kohlensäure. Sobald sich diese Salze in der Flüssigkeit stark angereichert haben, bestrahlen die Forschenden die Flüssigkeit mit Licht. Diese wird dadurch sauer, und die Kohlensäuresalze wandeln sich zu CO₂ um. Wie bei einer Cola-​Flasche sprudelt das CO₂ aus der Flüssigkeit. Es kann in Gastanks aufgefangen werden. Ist kaum noch CO₂ in der Flüssigkeit vorhanden, schalten die Forschenden das Licht aus, und der Kreislauf beginnt von Neuem.“

Ein Problem – und eine Lösung

Die Forschenden stießen dabei auf das Problem, dass die Moleküle nach einem Tag aufgrund ihrer Instabilität zersetzt wurden. Deswegen wurden die Experimente nicht mit Wasser, sondern mit einem Gemisch aus Wasser und einem organischen Lösungsmittel fortgeführt, bis das richtige Verhältnis gefunden wurde. Als Ergebnis blieben die Photosäure-Moleküle fast einen Monat lang stabil.

Gleichzeitig sorgten die Forschenden auf diesem Wege dafür, „dass man mit Licht beliebig zwischen einer sauren und einer alkalischen Lösung hin-​ und herschalten kann. Würden die Forschenden nämlich ihr organisches Lösungsmittel ohne Wasser verwenden, wäre die Reaktion nicht umkehrbar“, so heißt es in der zur Forschung gehörenden Studie.

Energiesparend

Anders als andere Methoden zur Abscheidung von CO₂ aus der Atmosphäre benötigt dieser Ansatz weniger Energie als andere Kreislaufprozesse. Eine Methode fängt CO₂-Moleküle mit Filtern ab. Um die Moleküle allerdings von den Filtern zu lösen, müssen sie auf etwa 100° Celsius erhitzt werden – und das ist der Knackpunkt. Das Erhitzen und Abkühlen ist energieintensiv, während der Ansatz des Teams rund um Maria Lukatskaya laut eigenen Aussagen weitaus weniger Energie benötigt.

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„Interessant an unserem System ist zudem, dass wir innert Sekunden von alkalisch auf sauer und innert Minuten wieder auf alkalisch umschalten können. Wir können also viel schneller zwischen CO₂-Abscheidung und -freisetzung wechseln als in einem temperaturgesteuerten System“, so Anna de Vries, Doktorandin in der Gruppe und Erstautorin der Studie.

Das weitere Vorgehen des Teams beschäftigt sich damit, die Stabilität der Photosäure-Moleküle weiter zu erhöhen und den gesamten Prozess noch genauer zu untersuchen, um ihn zu optimieren. Ziel ist die Marktreife der Methode.

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Was mit dem Kohlendioxid tun?

Gemeinhin ist es der Plan, CO₂ aus der Atmosphäre abzuscheiden und zu speichern. Der am weitesten fortgeschrittene Ansatz für die CO₂-Speicherung ist die geologische Speicherung, bei der Kohlendioxid in unterirdischen, geologischen Formationen gepumpt wird. In einigen Ländern wie den USA, Kanada und Norwegen werden Projekte zur geologischen Speicherung von CO₂ durchgeführt, etwa das Sleipner-Projekt in Norwegen.

Wichtig ist bei all den CCS-Vorhaben, dass CO₂-Speicherungstechnologien sorgfältig entwickelt, überwacht und reguliert werden müssen, um potenzielle Risiken wie Undichtigkeiten oder Umweltauswirkungen zu minimieren.Mehr zur Forschung rund um die Photosäure-Moleküle zur Abscheidung von Kohlendioxid finden Sie im Forschungsbericht bei ACS Publications. (sb)

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