Viele Regierungen und Unternehmen weltweit entwickeln Maßnahmen zur Bekämpfung des Klimawandels und der globalen Erwärmung. Bislang lag der Schwerpunkt hauptsächlich auf der Reduzierung der Emissionen von Treibhausgasen wie Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) durch die Förderung von Elektrofahrzeugen, Solarzellen und anderen nachhaltigen Technologien oder Energie-Lösungen.

Einige Energieingenieure erforschen jedoch auch die Möglichkeit, diese Gase direkt aus der Luft zu entfernen, eine Methode, die als „Direkte Luftabscheidung“ (Direct Air Capture, DAC) bekannt ist. Trotz ihres beträchtlichen Potenzials verbrauchen die meisten derzeitigen DAC-Systeme entweder zu viel Energie (6 bis 10 Gigajoule pro Tonne abgeschiedenem CO2) oder ihre Leistung nimmt mit der Betriebsdauer erheblich ab.

Forscher der Northwestern University und des California Institute of Technology haben kürzlich ein neuartiges elektrisiertes mineralbasiertes System eingeführt, das CO2 aus der Atmosphäre bei niedrigerem Energieverbrauch und mit höherer Stabilität entfernen kann. Die Studie, veröffentlicht in der Fachzeitschrift „Nature Energy“, wurde von der Forschungsgruppe von Professor Ted Sargent in Zusammenarbeit mit Professor Omar K. Farha durchgeführt.

Neuer, elektrisch angetriebener Abscheidungspfad

Professor Ted Sargent, korrespondierender Autor der Studie, sagte: „Die direkte Luftabscheidung kann dazu beitragen, schwer zu vermeidende Restemissionen in Bereichen wie Luftfahrt, Schifffahrt und Zement zu bewältigen und kann auch die Gesamtmenge an CO2 in der Atmosphäre reduzieren. Selbst bei strengen Emissionsreduktionsmaßnahmen gehen die meisten Netto-Null-Emissionsszenarien davon aus, dass irgendeine Form der Kohlenstoffentfernungstechnologie benötigt wird, um die verbleibenden, schwer zu eliminierenden Emissionen zu bewältigen. Wenn sie mit kohlenstoffarmer Elektrizität betrieben wird, hat elektrisierte DAC das Potenzial, ein Weg zu Netto-Negativ-Emissionen zu sein.“

Früher entwickelte DAC-Systeme stützten sich hauptsächlich auf flüssige Karbonatlösungen oder organische Adsorbentien. Erstere sind wasserbasierte Chemikalien, die mit CO2 reagieren können, um kohlenstoffhaltige Verbindungen zu bilden; letztere sind kohlenstoffbasierte Materialien, die Gase durch physikalische oder chemische Wechselwirkungen adsorbieren. Beide haben jedoch Einschränkungen: Flüssige Karbonatsysteme verbrauchen viel Energie, während organische Adsorbentien bei Kontakt mit Sauerstoff schnell abgebaut werden, was die langfristige Stabilität des Systembetriebs beeinträchtigt.

Das neue System von Sargent, Xie und ihren Kollegen verwendet ein gängiges Mineralmaterial – Manganoxid (MnO₂) – als Adsorptionsmedium. Dieses anorganische Material kann CO2 aus der Luft abscheiden, wenn es elektrochemisch aufgeladen ist, und das gesammelte CO2 freisetzen, wenn die Spannungsvorspannung umgeschaltet wird.

Zeyan Liu, Hauptautor der Studie, erklärte: „Nach Optimierung des Betriebsmodus verbraucht das System unter realen Luftbedingungen (0,04 % CO2-Konzentration, 21 % Sauerstoffkonzentration) etwa 4 Gigajoule Energie pro Tonne abgeschiedenem CO2 und zeigt gleichzeitig eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Sauerstoff und Feuchtigkeit.“

Verbesserte Haltbarkeit und Energieeffizienz

Die technische Herausforderung bei der direkten Luftabscheidung liegt darin, dass die CO2-Konzentration in der Luft sehr gering ist und der Abscheideprozess in einer sauerstoffhaltigen und feuchten Umgebung ablaufen muss – zwei Faktoren, die die Leistung und Haltbarkeit des Adsorbens beeinflussen (z. B. sind organische Amine oder Chinone sauerstoffempfindlich). Diese Studie demonstriert einen technischen Pfad, der unter diesen Bedingungen effektiv funktionieren kann.

Erste Experimente zeigten, dass das System in einem einzelnen Zyklus etwa 80 % des CO2 aus der Luft abscheiden kann, mit einem spezifischen Energieverbrauch von 4,1 Gigajoule pro Tonne CO2, was niedriger ist als bei vielen zuvor berichteten Technologien. Darüber hinaus zeigte das Mineraladsorbens eine bessere Haltbarkeit als organische Adsorbentien: Nach über 1000 Betriebsstunden behielt das System über 90 % seiner anfänglichen Abscheidekapazität bei.

Xie, einer der Autoren der Studie, wies darauf hin: „Im Gegensatz zu Ansätzen, die auf großen pH-Wert-Änderungen (typisch für elektrisierte Flüssigkeitssysteme) oder sauerstoffempfindlichen organischen Abscheidemolekülen beruhen, demonstriert diese Arbeit einen Pfad, der anorganische redoxaktive Mineraladsorbentien verwendet und die Abscheidung durch spannungsgesteuerte Kontrolle ermöglicht. Dieser Mechanismus könnte das Design neuartiger elektrochemischer Kontaktoren vorantreiben und in anspruchsvollen Umgebungen wie hoher Luftfeuchtigkeit, die für andere Abscheidetechnologien problematisch sind, Anwendung finden.“

Ausblick

Dieses elektrisierte direkte Luftabscheidungssystem befindet sich derzeit im Stadium des Machbarkeitsnachweises. Das Forschungsteam ist der Ansicht, dass durch die Entwicklung neuartiger elektrochemischer Kontaktoren in Zukunft praktische Betriebskennzahlen (wie Kosten pro Flächeneinheit, Ausbeute) verbessert werden können, um die Technologiereife zu steigern und neue technologische Optionen für die Luftreinhaltung und Klimastabilisierung zu bieten.

Veröffentlichungsdetails: Autoren: Zeyan Liu et al., Titel: „Elektroreversible Oberflächenmineralisierung von CO2 für die direkte Luftabscheidung“, veröffentlicht in: Nature Energy (2026). Journal-Information: Nature Energy