Klimaschutz profitabel machen: Wie Forscher CO2 in nützliche Produkte umwandeln

Ingenieure des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben einen neuen Ansatz entwickelt, mit dem sich CO2 in nutzbare Produkte wie Ethylen umwandeln lässt. Das könnte nicht nur den Weg für wirtschaftlich sinnvolle CO2-Verwertungsmethoden ebnen, sondern auch zur Verringerung von Treibhausgasen beitragen.

So wie das Glas in einem Gewächshaus einen Teil der Sonnenwärme absorbiert und die Temperatur im Inneren steigen lässt, heizen Treibhausgase den gesamten Planeten auf. Zu dieser Gruppe gehört auch Kohlenstoffdioxid (CO2). Das wird bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Kohle in großen Mengen freigesetzt.

Allein in Deutschland werden jährlich hunderte Megatonnen CO2 freigesetzt. Diese machen laut dem deutschen Umweltbundesamt auch den bei weitem größten Anteil an Treibhausgas-Emissionen aus:

Es gibt auf der Erde natürliche Prozesse, die CO2 abbauen. Diese werden mit den vom Menschen zusätzlich verursachten Emissionsmengen aber nicht fertig. Aus diesem Grund sucht die Wissenschaft nach anderen Wegen, CO2 aus der Atmosphäre zu ziehen. Einen solchen stellt nun eine Gruppe MIT-Ingenieure vor. Dabei spielt ein innovatives Elektroden-Design eine zentrale Rolle.

Effizienzsteigerung durch neues Elektrodenmaterial

Um CO2 in Wertstoffe umzuwandeln, setzten die MIT-Forscher auf eine Methode der Elektrochemie. Diese wird bereits seit einiger Zeit entwickelt, war wirtschaftlich bislang jedoch wenig attraktiv. Die entwickelte Elektrode kombiniert hydrophobe und leitfähige Eigenschaften, um eine stabile Umwandlung von CO2 in Ethylen zu ermöglichen.

„Das CO2-Problem ist eine der großen Herausforderungen unserer Zeit, und wir setzen alle möglichen Hebel ein, um dieses Problem zu lösen und anzugehen“, erklärt Professor Kripa Varanasi vom MIT. Er war an der Studie beteiligt. Der neue Ansatz erlaubt, CO2 direkt aus der Atmosphäre oder aus Kraftwerksemissionen zu gewinnen und in nutzbare Chemikalien umzuwandeln.

Das Forscherteam fokussierte sich auf Ethylen. Das ist eine chemische Verbindung, die häufig für die Produktion von Kunststoffen genutzt wird und üblicherweise aus Erdöl gewonnen wird. Ziel war es, das Verfahren so effizient zu gestalten, dass es die bisherige Produktion aus fossilen Quellen ökonomisch übertrifft.

Ein eleganter Lösungsansatz: Kupferdrähte im PTFE-Material

Die Innovation der MIT-Ingenieure liegt im Einsatz von Polytetrafluorethylen (PTFE), auch Teflon genannt – einem Kunststoff, der Wasser abweist. Während PTFE hydrophob ist, fehlt ihm jedoch die notwendige elektrische Leitfähigkeit. Daher webte das Forscherteam feine Kupferdrähte in das Material ein, was eine hohe Leitfähigkeit bei gleichzeitiger Hydrophobie ermöglicht. Laut Varanasi ist das entscheidend für die Effizienz der Umwandlung.

Durch die Kupferdrähte entsteht ein stabiler elektrischer Kontakt und eine gleichmäßige Verteilung der Elektrolytlösung, ohne dass Wasser das Material durchdringt. Das Verfahren wurde unter Laborbedingungen erfolgreich getestet und könnte, so die Forscher, zukünftig auch auf großindustrielle Anwendungen skaliert werden.

Robuste und skalierbare Lösung

Um die Langlebigkeit des Systems zu testen, führten die Forscher einen Dauertest durch. Dazu ließen sie die Elektroden 75 Stunden lang kontinuierlich laufen. Selbst nach dieser Zeitspanne zeigten sich keine signifikanten Leistungsabfälle. Den Wissenschaftlern zufolge ist das die erste Elektrode dieser Bauart, die über den Labormaßstab hinausgeht und das ohne Einbußen bei der Effizienz.

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Zusätzlich zu den praktischen Tests entwickelten die Forscher ein mathematisches Modell, das die elektrische Spannungsverteilung und Produktverteilung auf der Elektrodenoberfläche berechnet. Diese Berechnungen halfen ihnen dabei, die optimale Kupferdrahtanordnung zu bestimmen, um Leitfähigkeitsverluste zu minimieren.

Ein großer Vorteil des Ansatzes ist seine Vielseitigkeit: Die Kupferdrahtmethode kann in verschiedenen Elektrodenarten eingesetzt werden, unabhängig von den Katalysatormaterialien oder chemischen Zusammensetzungen. Dadurch könnte die Methode in unterschiedlichsten Anlagen eingesetzt werden, die CO2 in wertvolle Chemikalien wie Methanol oder Kohlenmonoxid umwandeln. Die Integration der Kupferdrähte könnte zudem mit bestehenden Produktionsverfahren kombiniert werden, was die Umrüstung auf industriellem Maßstab vereinfacht. Um bestehende Klimaziele zu erreichen, müsste CO2 im Gigatonnen-Bereich verarbeitet werden.

Was du dir merken solltest:

• Eine Forschergruppe am Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat ein innovatives Elektroden-Design entwickelt, das CO2 effizient in Chemikalien wie Ethylen umwandeln kann.
• Das neue Design kombiniert hydrophobe Eigenschaften mit hoher Leitfähigkeit durch Kupferdrähte in einem PTFE-Material, was die Effizienz der Umwandlung deutlich steigert.
• Tests zeigen, dass die Methode robust und skalierbar ist, was die industrielle Nutzung zur Reduktion von Treibhausgasen in großen Mengen erleichtert.

Bild: © MIT News