Kleben bleiben: CO₂ aus der Luft fischen

Direct Air Capture ist schwierig - Forscher entwickeln neue Materialien, die selektiv Kohlendioxid aus der Atmosphäre einfangen

13.10.2022 - USA

Direct Air Capture (DAC) könnte der Schlüssel zur Rettung der Erde vor den Auswirkungen des Klimawandels sein, aber es gibt einen Haken: Es ist wirklich schwer zu machen.

Technologien zur Direct Air Capture sind darauf ausgelegt, Kohlendioxid aus der Luft zu entfernen, obwohl es bei DAC-Materialien noch viel Raum für Verbesserungen gibt. Andere Moleküle in der Luft, insbesondere Wasser, liegen in viel höheren Konzentrationen vor als Kohlendioxid oder CO₂. Sie beginnen miteinander zu konkurrieren, und letztendlich wird Kohlendioxid nicht aufgefangen - zumindest nicht in großen Mengen.

"Wenn Materialien gut darin sind, Kohlendioxid zu binden, sind sie in der Regel auch gut darin, mehrere Gase zu binden", erklärt Katherine Hornbostel, Assistenzprofessorin für Maschinenbau und Materialwissenschaften an der Swanson School of Engineering der Universität Pittsburgh. "Es ist wirklich schwierig, diese Materialien so einzustellen, dass sie nur Kohlendioxid binden, aber sonst nichts, und genau darauf konzentriert sich diese Forschung.

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Hornbostel wird unterstützt von Nathaniel Rosi, einem Chemieprofessor an der Pittsburgh Swanson School, und Christopher E. Wilmer, außerordentlicher Professor für Chemie- und Erdöltechnik und William Kepler Whiteford Faculty Fellow an der Swanson School. Janice Steckel, wissenschaftliche Mitarbeiterin am National Energy Technology Laboratory, und die Doktoranden Paul Boone, Austin Lieber und Yiwen He werden ebenfalls an dem Projekt arbeiten. Gemeinsam haben sie einen Artikel für die Royal Society of Chemistry veröffentlicht, in dem es um die Entwicklung neuer metallorganischer Gerüste (MOFs) geht, die ausschließlich zur Abscheidung von Kohlendioxid dienen.

MOFs, ein Forschungsschwerpunkt in Wilmers Labor, sind hoch angesehen für ihre Fähigkeit, poröse Membranen zu nutzen, um große Mengen von Gasen abzuscheiden, und können durch Computermodellierung statt durch herkömmliches Ausprobieren entwickelt werden.

Das MOF hätte ein Kern-Schale-Design, d. h. Kohlendioxid würde im Kern eingeschlossen, während die Schale andere Gase, insbesondere Wasser, blockieren könnte. Die Schale und der Kern würden aus unterschiedlichen MOF-Materialien bestehen, wobei das Schalen-MOF darauf ausgelegt ist, Wasser zu verlangsamen, und das Kern-MOF darauf, CO₂ zu binden.

"Wenn man versucht, mit einem Klebstoff zu arbeiten, kann es schwierig sein, etwas zu finden, das an einem Material klebt und nicht auch an dem anderen Material, und das gilt bis hinunter auf die molekulare Skala", so Wilmer. "Wenn wir also ein Material herstellen, das sehr stark an Kohlendioxid haftet, ist es in der Regel unbeabsichtigt auch an Wasser klebrig. Wir versuchen, einen Weg zu finden, diese klebrigen Oberflächen vor Wasser zu schützen.

Derzeit setzt die Gruppe Computermodelle ein, um die besten Materialien für den Kern und die Hülle der MOFs zu finden.

Die Forschung im Bereich der Direct Air Capture befindet sich noch in einem frühen Stadium der Entwicklung, aber es gibt bereits zahlreiche potenzielle Einsatzmöglichkeiten für diese Technologien. Laut Hornbostel schlagen einige Forscher große Anlagen in unbewohnten Gebieten vor, während andere die Nutzung bestehender Infrastrukturen bevorzugen, in denen Dampf und Strom bereits verfügbar sind. Aber so oder so, damit diese Technologie funktioniert, muss eine Menge Luft in Bewegung sein - und das kann überall sein.

Die Forscher haben langfristige Pläne für die Direct Air Capture, die über die Umkehrung der Auswirkungen des Klimawandels hinausgehen. Diese Technologie kann auch bei der Erforschung des Weltraums und des Lebens auf anderen Planeten helfen.

"Wenn wir auf anderen Planeten, wie dem Mars, leben, können wir durch Direct Air Capture Treibstoff für die Rückkehr zur Erde gewinnen", so Wilmer. "Jede Technologie, die wir entwickeln, bringt den Ball weiter nach vorne.

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