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Synthesechemie

„Wir wollen zeigen, was alles möglich ist“

Aus jeder Verbrennung und aus Gärprozessen geht CO2 hervor. Das kann man nachhaltig umsetzen.
Aus jeder Verbrennung und aus Gärprozessen geht CO2 hervor. Das kann man nachhaltig umsetzen.Getty Images
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An CO2 mangelt es der Menschheit nicht. Die Frage ist, wohin mit all dem Klimagas? Forscher an der TU Wien bauen das Kohlendioxid in sinnvolle Produkte um, die für die Pharma- und Agrarindustrie wichtig sind.

Vor genau einem Jahr bekam Katharina Schröder den hoch dotierten ERC Consolidator Grant vom Europäischen Forschungsrat zugesprochen. Die bis zu drei Millionen Euro Fördermittel sollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern in Europa ermöglichen, ihre Position als eigenständige Forscher zu konsolidieren. Schröder baut seit fünf Jahren ihre Arbeitsgruppe an der TU Wien auf, in der „Nachhaltige Chemie“ im Mittelpunkt steht. Das Projekt aus dem ERC-Grant startet im Jänner 2021 mit dem Ziel, aus überschüssigem CO2 sinnvolle Produkte zu machen.

Und was sind sinnvolle Produkte aus Kohlendioxid, fragen nicht nur Laien. Im Alltag beobachten wir etwa Pflanzen, die immense Wachstums- und Synthese-Leistungen auf Basis von CO2 vollbringen. „Das ist gar kein schlechtes Beispiel“, sagt Schröder. „Denn der Natur gelingt es sehr gut, über Fotosynthese aus CO2 und Licht hochwertige Zucker herzustellen.“ So gut wie Pflanzen können es Wissenschaftler bis heute nicht, das klimaschädigende Gas in etwas Wertvolles zu verwandeln. „Das Problem ist, dass CO2 sehr reaktionsträge ist.“ Das Molekül geht nicht leicht Reaktionen ein und ist auch nicht gut löslich. Diese Eigenschaften nutzen wir im Alltag zum Beispiel, wenn es brennt: Das reaktionsträge Kohlendioxid aus dem Feuerlöscher erstickt den Brand. Die schwere Löslichkeit kennen wir aus kohlesäurehaltigen Getränken: Die Gasperlen, die aufsteigen, enthalten CO2, das sich im Wasser nicht gelöst hat.

 

Drei Puzzlesteine helfen im Labor

Das Problem unserer Zeit ist: Wir haben große Mengen von CO2, das unserem Klima schadet, aber kaum jemand weiß, was man damit machen kann. „Jetzt wollen wir zeigen, was alles möglich ist“, betont Schröder. Um das Kohlendioxid direkt in andere Produkte zu verwandeln, brauchte es „recht brutale Bedingungen“, also hohe Temperaturen, Drücke und Energieaufwand, um das träge Molekül zur Reaktion zu bringen.

Das Team um Schröder, die ihre Faszination für nachhaltige Chemie auch in mehrjährigen Aufenthalten in Belfast und Kopenhagen gefestigt hat, plant nun, mit einigen Puzzlesteinen diesen Prozess zu vereinfachen. „An der TU Wien habe ich die idealen Voraussetzungen, weil ,Energie und Umwelt‘ hier ein Forschungsschwerpunkt ist“, betont die Wienerin.

Der erste Puzzlestein ist an den Vorgang in Pflanzen angelehnt: Mithilfe von Licht wird das reaktionsträge Kohlendioxid in das reaktionsfreudige Kohlenmonoxid (CO) verwandelt. Fotokatalyse nennt sich der Prozess. Das Problem an reaktionsfreudigen Molekülen: Sie treten auch gern mit Proteinen wie Hämoglobin in Kontakt, wodurch Kohlenmonoxid hochgiftig für Menschen ist. Nicht selten kommt es durch eine fehlerhafte Therme oder einen Auspuff zu Todesfällen durch CO-Vergiftungen.

In der Synthesechemie ist dieses Molekül aber stark nachgefragt, eben weil es so gern Reaktionen eingeht und wichtiger Grundbaustein für viele andere Moleküle ist. „CO ist wie ein universeller Legobaustein, den man in alles Mögliche umsetzen kann“, sagt Schröder.

 

Das eigene Kohlenmonoxid erzeugen

Heutzutage werden große Mengen des giftigen Gases gelagert und transportiert, um in höherwertige chemische Bausteine für die Pharma-, Agrar- und Kunststoffindustrie verwandelt zu werden. Schröders Ziel ist, dieses Lagern und Transportieren obsolet zu machen, indem man sich sein CO an Ort und Stelle selbst erzeugen kann. Eben aus dem CO2, von dem es überall genug gibt.

„Aus jeder Verbrennung geht CO2 hervor, auch aus Gärprozessen“, sagt Schröder. Ihre Forscherinnen und Forscher arbeiten daran, dass durch Fotokatalyse aus dem Klimagas CO2 das für die Synthesechemie wichtige CO entsteht und dieses dann sofort wieder in etwas Neues verwandelt wird. Dadurch ist die Giftigkeit des Kohlenmonoxids kein großes Problem mehr, denn es liegen nur sehr kurze Zeit geringe Mengen des toxischen Gases vor.

Ein weiterer Puzzlestein, der dem Team diese Forschungsvision ermöglichen soll, sind „flüssige Salze“, die auch „ionische Flüssigkeiten“ genannt werden. Diese boomende Kategorie von Salzen, die bei Raumtemperatur flüssig sind, erhöhen die Löslichkeit von CO2 und machen es reaktiver. Und dies führt gleich zum dritten Puzzlestein in dem ERC-Projekt: Das CO2 soll konventionelle Lösungsmittel in chemischen Prozessen ersetzen und selbst ein ungiftiges Lösungsmittel sein. „Man nennt das den superkritischen Zustand, wenn CO2 sowohl Eigenschaften von Gas und Flüssigkeit besitzt“, erklärt Schröder. Dieses superkritische CO2 wird bereits in der Lebensmittelindustrie als Lösungsmittel eingesetzt, weil es eben keine giftigen Rückstände in der Nahrung hinterlässt. „Unter anderem werden Kaffeebohnen damit entkoffeiniert“, sagt Schröder. All diese Puzzlesteine helfen, das träge CO2 bei recht milden Bedingungen zu aktivieren und es verfügbar zu machen für eine Palette an Produkten.

Als Beispiel, wo Kohlendioxid bereits in ein sinnvolles Produkt verwandelt wird, nennt Schröder die Methanol-Produktion in Island. Durch die dort gegebenen hydro- und geothermalen Besonderheiten lohnt es sich, auf der Vulkaninsel aus CO2 Methanol herzustellen.

 

Weg von fossilen Rohstoffen

„Methanol ist der einfachste Alkohol und wird bisher aus fossilen Energieträgern erzeugt, stammt also aus einer endlichen Quelle“, sagt Schröder. Sie beobachtet die industrielle Produktion von Methanol aus CO2 mit wissenschaftlichem und wirtschaftlichem Interesse. „Die schaffen bereits fünf Millionen Liter Methanol und recyceln dabei 5000 Tonnen CO2 pro Jahr. Methanol ist in der Energiespeicherung und als Quelle für Wasserstoff sicher ein spannendes Molekül, aber es ist nicht teuer oder wertvoll“, sagt Schröder. Ihrem Team schweben höherwertige Produkte vor, wenn das CO2sinnvoll recycelt wird. „Da geht es um Plattform- oder Feinchemikalien.“

Solche sind wiederum Bausteine für Substanzen, die in der Pharma-, Agrar- und Kunststoffindustrie derzeit noch aus erdölbasierter Chemie gewonnen werden. „Ester, Amide und Carbonsäuren“, zählt Schröder nur einige Gruppen auf, die unter Chemikern als Folgeprodukte bekannt sind. Auch Acrylsäure als Basis für Polyacrylate, also Kunststoffe, ist ein Wunschprodukt in den Laboren der TU Wien – mit dem Ziel der nachhaltigen Kreislaufwirtschaft.

Immerhin schreitet die Technologie von Carbon Capture and Storage (CCS) flott voran, in der CO2 bei industriellen Prozessen abgeschieden, eingefangen und gespeichert wird. Und all diese Moleküle sollen am Ende zu etwas werden, das uns mehr Wert bringt und unabhängiger macht von fossilen Ressourcen.

("Die Presse", Print-Ausgabe, 19.12.2020)