Ein Rezept für emissionsfreien Kraftstoff: Getränkedosen, Meerwasser und Koffein

In einer Studie, die in der Zeitschrift Cell Reports Physical Science veröffentlicht wurde, zeigen die Forscher, dass sie Wasserstoffgas erzeugen können, indem sie vorbehandelte, kieselsteingroße Aluminiumkügelchen in ein Becherglas mit gefiltertem Meerwasser fallen lassen. Das Aluminium wird mit einer Legierung aus seltenen Metallen vorbehandelt, die das Aluminium effektiv in eine reine Form bringt, die mit dem Meerwasser reagieren kann, um Wasserstoff zu erzeugen. Die Salzionen im Meerwasser können wiederum die Legierung anziehen und zurückgewinnen, die dann in einem nachhaltigen Zyklus zur Erzeugung von mehr Wasserstoff wiederverwendet werden kann.

Das Team fand heraus, dass diese Reaktion zwischen Aluminium und Meerwasser erfolgreich Wasserstoffgas erzeugt, wenn auch langsam. Aus Jux und Tollerei warfen sie etwas Kaffeesatz in die Mischung und stellten zu ihrer Überraschung fest, dass die Reaktion an Fahrt aufnahm.

Schließlich entdeckte das Team, dass eine niedrige Konzentration von Imidazol - einem Wirkstoff in Koffein - ausreicht, um die Reaktion erheblich zu beschleunigen, so dass die gleiche Menge Wasserstoff in nur fünf Minuten erzeugt wird, während es ohne das Stimulans zwei Stunden dauert.

Die Forscher entwickeln einen kleinen Reaktor, der auf einem Schiff oder Unterwasserfahrzeug betrieben werden könnte. Das Schiff würde einen Vorrat an Aluminiumgranulat (recycelt aus alten Getränkedosen und anderen Aluminiumprodukten) sowie eine kleine Menge Gallium-Indium und Koffein enthalten. Diese Bestandteile könnten in regelmäßigen Abständen zusammen mit einem Teil des umgebenden Meerwassers in den Reaktor geleitet werden, um bei Bedarf Wasserstoff zu erzeugen. Der Wasserstoff könnte dann einen Motor an Bord antreiben oder Strom für die Stromversorgung des Schiffes erzeugen.

"Dies ist für maritime Anwendungen wie Boote oder Unterwasserfahrzeuge sehr interessant, weil man kein Meerwasser mit sich herumtragen muss - es ist leicht verfügbar", sagt der Hauptautor der Studie, Aly Kombargi, ein Doktorand am MIT-Department of Mechanical Engineering. "Wir müssen auch keinen Wasserstofftank mitführen. Stattdessen transportieren wir Aluminium als 'Brennstoff' und fügen einfach Wasser hinzu, um den benötigten Wasserstoff zu erzeugen.

Zu den Co-Autoren der Studie gehören Enoch Ellis, ein Student des Chemieingenieurwesens, Peter Godart PhD '21, der ein Unternehmen für das Recycling von Aluminium als Quelle für Wasserstoffbrennstoff gegründet hat, und Douglas Hart, MIT-Professor für Maschinenbau.

Schilde hoch

Das MIT-Team unter der Leitung von Hart entwickelt effiziente und nachhaltige Methoden zur Herstellung von Wasserstoffgas, das als "grüne" Energiequelle gilt, die Motoren und Brennstoffzellen antreiben könnte, ohne klimawirksame Emissionen zu erzeugen.

Ein Nachteil bei der Betankung von Fahrzeugen mit Wasserstoff besteht darin, dass das Gas bei einigen Konstruktionen wie herkömmliches Benzin in einem Tank mitgeführt werden müsste - ein riskantes Unterfangen angesichts des flüchtigen Potenzials von Wasserstoff. Hart und sein Team haben stattdessen nach Möglichkeiten gesucht, Fahrzeuge mit Wasserstoff zu betreiben, ohne dass das Gas selbst ständig transportiert werden muss.

Einen möglichen Ausweg fanden sie in Aluminium - einem natürlich vorkommenden und stabilen Material, das bei Kontakt mit Wasser eine einfache chemische Reaktion durchläuft, bei der Wasserstoff und Wärme entstehen.

Die Reaktion hat jedoch einen Haken: Aluminium kann zwar Wasserstoff erzeugen, wenn es sich mit Wasser vermischt, aber nur in reinem, exponiertem Zustand. Sobald Aluminium mit Sauerstoff in Berührung kommt, z. B. in der Luft, bildet die Oberfläche sofort eine dünne, schildartige Oxidschicht, die weitere Reaktionen verhindert. Diese Barriere ist der Grund dafür, dass Wasserstoff nicht sofort aufsteigt, wenn man eine Getränkedose in Wasser fallen lässt.

In früheren Arbeiten mit frischem Wasser fand das Team heraus, dass es den Aluminiumschild durchdringen und die Reaktion mit Wasser in Gang halten konnte, indem es das Aluminium mit einer kleinen Menge einer Legierung aus seltenen Metallen behandelte, die aus einer bestimmten Konzentration von Gallium und Indium besteht. Die Legierung dient als "Aktivator", der alle Oxidablagerungen abwäscht und eine reine Aluminiumoberfläche schafft, die frei ist, mit Wasser zu reagieren. Als sie die Reaktion in frischem, entionisiertem Wasser durchführten, stellten sie fest, dass ein vorbehandeltes Aluminiumgranulat in nur fünf Minuten 400 Milliliter Wasserstoff produzierte. Sie schätzen, dass bereits 1 Gramm Pellets in der gleichen Zeit 1,3 Liter Wasserstoff erzeugen würde.

Eine weitere Vergrößerung des Systems würde jedoch einen erheblichen Vorrat an Gallium-Indium erfordern, das relativ teuer und selten ist.

"Damit diese Idee kosteneffektiv und nachhaltig ist, mussten wir an der Rückgewinnung dieser Legierung nach der Reaktion arbeiten", sagt Kombargi.

Auf dem Meer

In der neuen Arbeit des Teams fanden sie heraus, dass sie Gallium-Indium mithilfe einer Ionenlösung zurückgewinnen und wiederverwenden können. Die Ionen - Atome oder Moleküle mit einer elektrischen Ladung - schützen die Metalllegierung vor der Reaktion mit Wasser und tragen dazu bei, dass sie sich in einer Form abscheidet, die abgeschöpft und wiederverwendet werden kann.

"Zum Glück ist Meerwasser eine ionische Lösung, die sehr billig und verfügbar ist", sagt Kombargi, der die Idee mit Meerwasser von einem nahe gelegenen Strand getestet hat. "Ich bin buchstäblich mit einem Freund zum Revere Beach gegangen und wir haben unsere Flaschen genommen und sie gefüllt, und dann habe ich einfach Algen und Sand herausgefiltert, Aluminium dazugegeben, und es hat mit denselben konsistenten Ergebnissen funktioniert."

Er stellte fest, dass tatsächlich Wasserstoff aufstieg, als er Aluminium in ein Becherglas mit gefiltertem Meerwasser gab. Und er konnte danach das Gallium-Indium herausschöpfen. Aber die Reaktion verlief viel langsamer als in Süßwasser. Es stellte sich heraus, dass die Ionen im Meerwasser das Gallium-Indium abschirmen, so dass es zusammenfließen und nach der Reaktion wiedergewonnen werden kann. Aber die Ionen haben eine ähnliche Wirkung auf Aluminium, indem sie eine Barriere aufbauen, die seine Reaktion mit Wasser verlangsamt.

Auf der Suche nach Möglichkeiten, die Reaktion im Meerwasser zu beschleunigen, probierten die Forscher verschiedene und unkonventionelle Zutaten aus.

"Wir haben einfach in der Küche herumgespielt und festgestellt, dass die Reaktion recht schnell abläuft, wenn wir Kaffeesatz ins Meerwasser geben und Aluminiumkügelchen hineinwerfen", sagt Kombargi.

Um herauszufinden, was die Beschleunigung erklären könnte, wandte sich das Team an Kollegen aus der Chemieabteilung des MIT, die vorschlugen, es mit Imidazol zu versuchen - einem Wirkstoff in Koffein, der zufällig eine Molekularstruktur hat, die Aluminium durchdringen kann (so dass das Material weiter mit Wasser reagieren kann), während das Ionenschild von Gallium-Indium intakt bleibt.

"Das war unser großer Erfolg", sagt Kombargi. "Wir hatten alles, was wir wollten: die Rückgewinnung des Gallium-Indiums und die schnelle und effiziente Reaktion."

Die Forscher sind davon überzeugt, dass sie die wesentlichen Zutaten für den Betrieb eines nachhaltigen Wasserstoffreaktors haben. Sie planen, ihn zunächst in Wasserfahrzeugen und Unterwasserfahrzeugen zu testen. Sie haben errechnet, dass ein solcher Reaktor, der etwa 40 Pfund Aluminiumpellets enthält, ein kleines Unterwassergleitflugzeug etwa 30 Tage lang mit Energie versorgen könnte, indem er das umgebende Meerwasser abpumpt und Wasserstoff für den Antrieb eines Motors erzeugt.

Wir zeigen einen neuen Weg, um Wasserstoff zu erzeugen, ohne Wasserstoff zu transportieren, sondern mit Aluminium als "Brennstoff"", sagt Kombargi. "Der nächste Schritt besteht darin, herauszufinden, wie man dies für Lastwagen, Züge und vielleicht Flugzeuge nutzen kann. Vielleicht könnten wir, anstatt auch Wasser zu transportieren, Wasser aus der Umgebungsfeuchtigkeit extrahieren, um Wasserstoff zu erzeugen. Das ist ein weiterer Schritt."