- Die vom Schweizer Forschungsteam entwickelte Technologie kann CO2 in weniger als einer Sekunde abscheiden.
- Die Methode verwendet ultradünne Aminbeschichtungen, die den Wärmebedarf des Materials reduzieren.
- Das modulare Design ermöglicht die Kombination mehrerer Einheiten zur Effizienzsteigerung.
- Die Forscher müssen experimentelle Validierungen durchführen, um die Systemleistung sicherzustellen.
Forscher des Schweizer Empa-Instituts entwickeln eine Technologie zur direkten Luftabscheidung, die in weniger als einer Sekunde CO2 aus der Atmosphäre entfernen kann. Diese Methode ersetzt schwere poröse Filter durch ultradünne Aminbeschichtungen, die CO2 schnell absorbieren und freisetzen können. Die Technologie ist Teil des Empa-Forschungsprojekts „Atmosphärenabbau“, das untersucht, wie CO2 aus der Atmosphäre abgeschieden und in wiederverwendbare Materialien und Chemikalien umgewandelt werden kann. Die Forscher haben erste Strömungs- und Prozesssimulationen durchgeführt, müssen jedoch noch experimentelle Tests durchführen, um festzustellen, ob die Methode mit bestehenden direkten Luftabscheidungssystemen konkurrieren kann.
Direkte Luftabscheidungssysteme bewegen in der Regel große Mengen Luft durch poröse Materialien, um CO2 zu fixieren. Das abgeschiedene Gas wird anschließend freigesetzt, normalerweise durch Erhitzen des Materials und Anlegen von Vakuum oder Dampf. Da die CO2-Konzentration in der Atmosphäre nur etwa 430 ppm beträgt, müssen diese Systeme große Luftmengen verarbeiten, um signifikante Treibhausgase zu sammeln. Die Methode von Empa verfolgt hingegen einen anderen Ansatz. Das Ziel der Forscher ist es nicht, in jedem Zyklus die maximale Menge an CO2 abzuscheiden, sondern häufiger kleinere Mengen zu erfassen.
Funktionsweise der neuen Technologie
Das vorgeschlagene System verwendet ultradünne Aminmaterialbeschichtungen. Diese Beschichtungen verhindern, dass CO2 tief in das poröse Adsorbens eindringt, und fixieren das CO2 in der Nähe der Oberfläche. Dies reduziert die Menge an Material, die während der Freisetzungsphase erhitzt werden muss. „Aufgrund der geringeren thermischen Masse kann der Prozess erheblich beschleunigt werden“, erklärt Dirk Hegemann, Forscher bei Empa, in einer Erklärung des Instituts. Diese dünnen Schichten können schnell erhitzt und gekühlt werden, sodass die Adsorption und Desorption von CO2 in deutlich kürzeren Abständen als bei herkömmlichen Systemen erfolgen kann.
Empa-Forscherin Sandra Galmarini erklärt, dass das Ziel darin besteht, einen Zyklus in weniger als einer Sekunde abzuschließen, während herkömmliche Methoden mehrere Minuten benötigen. Das vorgeschlagene Design ähnelt einem Förderband. Eine kontinuierlich bewegte Oberfläche ist mit dem Abscheidmaterial beschichtet und durchläuft zwei Bereiche. Im ersten Bereich strömt die Umgebungsluft über die Beschichtung, wodurch CO2 an der Oberfläche haftet. Im zweiten Bereich wird das Material unter Vakuum erhitzt, um das abgeschiedene Gas freizusetzen und die Beschichtung für den nächsten Zyklus vorzubereiten. Die Trennung dieser Phasen ermöglicht es, dass jeder Bereich unter unterschiedlichen Bedingungen betrieben wird.
Der Abscheidungsbereich benötigt einen ausreichenden Luftstrom, während der Freisetzungsbereich ein geringeres Gasvolumen benötigt, um den Energiebedarf für Heizung und Vakuumerzeugung zu reduzieren.
Potenzial des modularen Designs
Die Forscher sehen auch potenzielle Vorteile des modularen Designs des Systems. Mehrere kleinere Einheiten können kombiniert werden, ohne dass immer größere und komplexere Abscheideanlagen gebaut werden müssen. Die bewegte Oberfläche könnte auch dazu beitragen, die Luft zu transportieren, wodurch der Energiebedarf für Lüfter reduziert wird. Obwohl die Simulationsergebnisse vielversprechend sind, haben die Forscher noch keine experimentelle Validierung des vorgeschlagenen Sub-Sekunden-Abscheidezyklus durchgeführt. Empa gibt an, dass eine neue Messplattform erforderlich ist, um die Bindungs- und Trennungsraten von CO2 mit der dünnen Beschichtung zu bestimmen. Das Team muss auch bewerten, wie viel CO2 das System pro Volumeneinheit und Zeit abscheiden kann, die Stabilität der Beschichtung in wiederholten Zyklen sowie die Leistung von Dichtungen und Druckbereichen bei hohen Drehzahlen.
Hegemann nutzt Plasmaschichtungen zur Funktionalisierung der Oberfläche, während das breitere Forschungsteam die erforderlichen experimentellen Setups entwickelt, um den Prozess zu testen. Die zentrale Herausforderung besteht darin, ob der Geschwindigkeitsvorteil in eine signifikante Gesamtleistung umgewandelt werden kann. Jeder Zyklus, der weniger CO2 abscheidet, bedeutet, dass das System schnell und wiederholt betrieben werden muss, um wettbewerbsfähige Erträge zu erzielen, ohne übermäßig Energie für Heizung, Kühlung, Luftstrom und Vakuumerzeugung zu verbrauchen. Wenn diese Herausforderungen gemeistert werden können, könnte die Technologie eine flexiblere Methode zur direkten Luftabscheidung bieten.
Potenzielle Auswirkungen der schnellen Abscheidungstechnologie
Die Entwicklung dieser Technologie ist von großer Bedeutung für den Umgang mit dem Klimawandel. Herkömmliche CO2-Abscheidungsverfahren sind oft ineffizient und energieintensiv, während die Sekundenschnelle Abscheidungstechnologie des Schweizer Forschungsteams vielversprechend ist, die Abscheidegeschwindigkeit und -effizienz erheblich zu steigern. Durch das modulare Design könnten zukünftige Abscheideanlagen flexibler konfiguriert werden, um den Anforderungen unterschiedlicher Umgebungen gerecht zu werden. Wenn es gelingt, die aktuellen technischen Herausforderungen zu überwinden, könnte diese innovative Methode ein entscheidendes Werkzeug zur Reduzierung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre werden und weitreichende Auswirkungen auf die globale Klimapolitik und den Umweltschutz haben.