Stellen Sie sich vor, Kohlendioxid sei Staub, der sich in der Luft absetzt. Um ihn zu entfernen, muss man normalerweise entweder das Zimmer lüften (was nicht immer effektiv ist) oder einen Staubsauger verwenden, der sich erhitzt und viel Energie verbraucht. Was wäre aber, wenn es einen Weg gäbe, diesen „Staub“ ohne Erhitzung und mit minimalen Kosten zu sammeln? Genau diese Aufgabe haben Ingenieure der University of Illinois und Toyota gelöst.
Ein gemeinsames Forscherteam hat einen Prototyp einer elektrochemischen Zelle vorgestellt, die wie eine intelligente Batterie funktioniert. Sie ist in der Lage, Kohlendioxid ($CO_2$) direkt aus der Atmosphäre zu erfassen, ohne die hohen Temperaturen zu benötigen, die für bestehende industrielle Anlagen typisch sind.
Die Ergebnisse der Tests dieser Entwicklung wurden bereits in der renommierten internationalen Zeitschrift Environmental Science and Technology veröffentlicht. Das Hauptziel des Projekts ist es, nicht nur die Luft zu reinigen, sondern auch eine Rohstoffbasis für die Produktion von umweltfreundlichem Kraftstoff zu schaffen.
Wie funktioniert die „chemische Batterie“?
Moderne Systeme zur direkten Luftabscheidung (DAC) arbeiten nach dem Prinzip der thermischen Desorption. Einfach ausgedrückt nutzen sie spezielle Materialien, die Kohlendioxid aufnehmen, und müssen diese dann stark erhitzen (von 100 bis 900 Grad Celsius), um das reine Gas freizusetzen und das Material wiederverwenden zu können. Dies ist ein sehr energieintensiver Prozess.
Die neue Technologie, die unter der Leitung von Professor Kyle Smith entwickelt wurde, verzichtet auf die Erhitzung. Stattdessen nutzt sie Elektrizität und eine wässrige Salzlösung. Der Prozess kann mit der Arbeit eines Akkumulators verglichen werden, der seine Eigenschaften je nach Art der Stromzufuhr ändert.
Die Arbeit der Zelle unterteilt sich in zwei Phasen:
- Erfassungsphase (Absorption): Wenn Strom an die Elektroden aus Mangan(IV)-oxid angelegt wird, wird die Lösung alkalisch. In einer solchen Umgebung „klebt“ das Kohlendioxid aus der Luft, das durch das System strömt, an den Molekülen und verwandelt sich in Carbonat-Ionen.
- Ausstoßphase (Desorption): Sobald sich die Strompolarität ändert, wird die Lösung sauer. Unter diesen Bedingungen kann der Kohlenstoff nicht mehr in der Lösung gehalten werden und wird als reines Gas hoher Konzentration freigesetzt.
Alles diese Magie geschieht bei Raumtemperatur, was den Prozess potenziell viel effizienter in Bezug auf den Energieverbrauch macht.
Warum ist das für Toyota notwendig?
Die Beteiligung des Automobilriesen am Projekt ist kein Zufall. Für Toyota ist dies ein strategischer Schritt zur Diversifizierung der Technologien. Das eingefangene $CO_2$ kann in zwei Schlüsselbereichen genutzt werden:
- Synthese von E-Fuels: In Kombination mit Wasserstoff kann der eingefangene Kohlenstoff in kohlenstoffneutrales Kraftstoff für Verbrennungsmotoren umgewandelt werden. Dies ermöglicht es Fahrzeugen, zu fahren, ohne die Gesamtmenge der Emissionen in die Atmosphäre zu erhöhen.
- Autonome Filtration: Ingenieure erwägen die Möglichkeit, kompakte Module zu entwickeln, die direkt in Fahrzeuge eingebaut werden können, um die Kohlenstoffkonzentration lokal zu senken.
Einschränkungen und Perspektiven
Trotz des Erfolgs befindet sich die Technologie noch im Prototypstadium. Die Ingenieure stießen auf ein Problem, das als „Effekt der Quervermischung“ bezeichnet wird. Beim Umschalten der Modi vermischen sich die Elektrolytströme teilweise, was die Effizienz des Systems verringert. Derzeit arbeiten die Wissenschaftler an der Optimierung der Kanalgeometrie innerhalb der Zelle, um die Ströme voneinander zu isolieren.
Experten stellen fest, dass die Erreichung der Kohlenstoffneutralität bis 2050 nicht allein durch die Reduzierung von Emissionen möglich ist. Technologien zur direkten Abscheidung, wie diese, könnten ein entscheidendes Instrument zur Ausgewogenheit des Klimasystems des Planeten werden.
