Bewältigung von Kohlendioxidproblemen mit neu entdeckten photokatalytischen Materialien

Das globale Kohlendioxid-Emissionsvolumen ist die gravierendste Herausforderung, der wir heute gegenüberstehen. Diese Emissionen haben sich in den letzten 75 Jahren besonders zu einer existenzbedrohlichen Gefahr entwickelt. 

Im Jahr 1950 emittierte die Welt 6 Milliarden Tonnen Kohlendioxid. Bis 1990 war es auf 20 Milliarden Tonnen angestiegen. Und heute sind es mehr als 35 Milliarden Tonnen. Allein die Vereinigten Staaten haben seit 1751 etwa 400 Milliarden Tonnen Kohlendioxid ausgestoßen, fast ein Viertel aller Emissionen bis heute. Seit 1751 beträgt das kumulierte globale Emissionsvolumen an Kohlendioxid 1,5 Billionen Tonnen. 

Kohlendioxid kann aus vielen Quellen stammen, darunter das Verbrennen fossiler Brennstoffe, Waldbrände, Vulkanausbrüche usw. Es ist schädlich, weil es ein wärmespeicherndes Gas ist. Kohlendioxid und andere Treibhausgase bilden eine Decke oder Kappe, die Wärme zurückhält, die der Planet sonst ins All abgestrahlt hätte. 

Besorgniserregender ist, dass die wärmespeichernden Eigenschaften von Kohlendioxid enorm sind und ein kleiner Anteil des atmosphärischen Kohlendioxids riesige Wärmemengen zurückhalten kann. Die von uns erwähnte Emissionszahl von mehr als 35 Milliarden Tonnen ist das Ergebnis der bloßen Präsenz von Kohlendioxid im Umfang von 0,04 % der Atmosphäre. 

Wenn jemand meiner Größe zwei Bier trinkt, liegt mein Blutalkoholgehalt bei etwa 0,04 Prozent.

“If someone my size drinks two beers, my blood alcohol content will be about 0.04 percent.” 

Allerdings erinnert er uns daran, dass selbst ein kleines Volumen einer Substanz unheilbare Folgen haben kann. Er sagt weiter:

“It doesn’t take that much cyanide to poison a person. It has to do with how that specific substance interacts with the larger system and what it does to influence that system.”

Daher stellen die wärmespeichernden Eigenschaften von Kohlendioxid und anderen Treibhausgasen eine Bedrohung dar, die mit höchster Dringlichkeit und Ernsthaftigkeit angegangen werden muss. 

Climate and Clean Air Coalition, eine von UNEP initiierte Initiative, erkennt diese Dringlichkeit in den klarsten Worten an. Sie sagt:

“We are running out of time to keep warming below 2 degrees Celsius.”

Laut Durwood Zaelke, Vorsitzender des Ausschusses und Präsident des Institute for Governance and International Development (IGSD):

“We can’t solve a fast-moving problem like climate change with slow-moving solutions. Speed is our new metric—speed to cut SLCPs by 2030, to achieve clean energy and net zero emissions by 2050, and to remove a growing share of the carbon dioxide we’ve already emitted.” 

Zaelke quantifiziert das Ziel weiter, indem er sagt:

“Cutting SLCPs can avoid 0.6 degrees of warming by mid-century and have a super role to play if we want to keep warming to 1.5 degrees.” 

Hierbei steht SLCPs für kurzlebige Klimaschadstoffe. Den Kohlendioxidproblemen begegnen ist die Notwendigkeit des Augenblicks. Der enormen Dringlichkeit gerecht zu werden, wird ohne innovative Lösungen nicht möglich sein. In den folgenden Abschnitten diskutieren wir solche innovativen Wege, die kürzlich entstanden sind. 

Forscher zeigen Weg, Kohlendioxid in nachhaltigen Kraftstoff umzuwandeln

Ein internationales Forscherteam, bestehend aus Vertretern der School of Chemistry der University of Nottingham, der University of Birmingham, der University of Queensland und der University of Ulm, hatein Material entwickelt, das als bedeutender und entscheidender Baustein bei der Herstellung neuer grüner Kraftstoffe angesehen werden kann.

Mehr über das Material

Das Material wird aus Kupfer gewonnen, das auf nanokristallinem Kohlenstoffnitrid verankert ist. Die Kupferatome befinden sich innerhalb der nanokristallinen Struktur, wodurch Elektronen vom Kohlenstoffnitrid zum Kohlendioxid wandern können. Diese Bewegung ist entscheidend für die Herstellung von Methanol aus Kohlendioxid unter Sonneneinstrahlung. 

Wenn es erfolgreich skaliert wird, löst das Verfahren eines der wichtigsten Probleme bei der Bewältigung der durch Kohlendioxid verursachten Bedrohungen. 

Kohlendioxid, der bedeutendste Treiber der globalen Erwärmung, kann in nützliche Produkte umgewandelt werden. Bisher erforderten diese Umwandlungsprozesse jedoch die Nutzung von aus fossilen Brennstoffen stammendem Wasserstoff. Solarenergie wird zum ersten Mal eingesetzt. 

Die Forschung bestätigt die Notwendigkeit, alternative Verfahren zu entwickeln, die auf Foto- und Elektrokatalyse basieren und die nachhaltige Solarenergie sowie die Fülle an Wasser effizient nutzen. 

Laut Dr. Madasamy Thangamuthu, einer der Forschungsmitarbeiterinnen der School of Chemistry:

“There is a large variety of different materials used in photocatalysis. It is important that the photocatalyst absorbs light and separates charge carriers with high efficiency. In our approach, we control the material at the nanoscale. We developed a new form of carbon nitride with crystalline nanoscale domains that allow efficient interaction with light as well as sufficient charge separation.”

Klicken Sie hier für eine Liste der besten Kohlenstoffabscheidungsaktien.

Mehr über den Prozess

Der im Rahmen der Forschung eingesetzte Erhitzungsprozess stellte sicher, dass das Kohlenstoffnitrid das erforderliche Kristallinitätsniveau erreichte, das für die Maximierung des photokatalytischen Potenzials des Materials unerlässlich ist. Der Prozess umfasste zudem Magnetronsputtern, um Kupfer ohne den Einsatz von Lösungsmitteln aufzutragen. Das Fehlen von Lösungsmitteln ermöglichte einen engen Kontakt zwischen Halbleiter‑ und Metallatomen. 

Laut Tara LeMercier, Doktorandin an der School of Chemistry der University of Nottingham:

“Even without copper, the new form of carbon nitride is 44 times more active than traditional carbon nitride. However, to our surprise, the addition of only 1 mg of copper per 1 g of carbon nitride quadrupled this efficiency. Most importantly, the selectivity changed from methane, another greenhouse gas, to methanol, a valuable green fuel.”

Insgesamt war das Experiment bahnbrechend, da es Katalysatoren einsetzte, die ausschließlich aus nachhaltigen Elementen bestanden. Laut Professor Andrei Khlobystov von der School of Chemistry:

“Carbon dioxide valorization holds the key to achieving the UK’s net-zero ambition. It is vitally important to ensure the sustainability of our catalyst materials for this important reaction. A big advantage of the new catalyst is that it consists of sustainable elements—carbon, nitrogen, and copper—all highly abundant on our planet.”

Weltweit arbeiten Unternehmen daran, Kohlenstoff in grüne Energie umzuwandeln. Einige dieser Unternehmen haben uns mit wirklich spannenden, innovativen und effektiven Lösungen ausgestattet. 

#1. Climeworks

Climeworks ist bekannt für seine Direct‑Air‑Capture‑ und Speicheranlagen, die Kohlendioxid aus der Luft entfernen. Zusätzlich zum Betrieb seiner CO₂‑Entfernungsanlagen arbeitet Climeworks mit anderen zusammen, um ein vollständiges Portfolio hochwertiger Lösungen für die globale Netto‑Null‑Strategie zu sichern.

Das Unternehmen ist weltweit aktiv und bietet vielfältige, auf spezifische Bedürfnisse zugeschnittene Lösungen an. Zum Beispiel transportiert das Unternehmen in Island, mit Hilfe seines Speicherpartners Carbfix, Kohlendioxid tief unter die Erde und lässt es durch einen natürlichen Prozess mit Basaltgestein reagieren, sodass die schädliche Emission in Stein umgewandelt wird und über 10.000 Jahre sicher eingeschlossen bleibt. 

In den Vereinigten Staaten hat Climeworks drei Projekte im Rahmen des Regional DAC Hubs‑Programms des US-Energieministeriums angekündigt. Projekt Cypress, bei dem Climeworks als Entwicklungspartner fungiert, wird die Direct‑Air‑Capture‑Methode einsetzen, um überschüssiges Kohlendioxid (CO₂) aus der Atmosphäre zu entfernen und langfristig die Verschärfung extremer Wetterereignisse wie Hurrikane, Dürren und Überschwemmungen zu verhindern. 

In Zürich, Schweiz, hat Climeworks eine Anlage entwickelt, die zur Produktion kohlenstoffneutraler Gemüse beiträgt. Seine Direct‑Air‑Capture‑Anlage leitet das Gas in Gewächshäuser, steigert die Photosynthese der Pflanzen und erhöht den Ertrag um bis zu 20 %. Climeworks gibt an, jährlich etwa 900 Tonnen CO₂ aus der Luft zu extrahieren.

Laut Matt Lucas, vom Centre for Carbon Removal:

“Technologies to capture CO2 from the air, like Climeworks’ units, have the potential for the sort of steep price declines that we’ve seen from solar, wind, and batteries, which are also factory manufactured products.”

Am 9. April 2024 erhielt Climeworks 2,2 Millionen CHF (26 Mio. NOK) an norwegischer Förderung von Enova, dem staatlichen Unternehmen im Besitz des norwegischen Ministeriums für Klima und Umwelt. 

Vor zwei Jahren hatte Climeworks eine Eigenkapitalrunde über 600 Millionen CHF (650 Millionen USD) abgeschlossen. Die Investorenliste umfasste mehrere bekannte und große institutionelle Technologie‑ und Infrastrukturanleger weltweit.

#2. Heirloom Carbon

Heirloom Carbon hat die erste kommerzielle Direct‑Air‑Capture‑Anlage in den Vereinigten Staaten gebaut. Vollständig mit erneuerbarer Energie betrieben, entfernt die Anlage dauerhaft Kohlendioxid aus der Atmosphäre. 

Sie nutzt den Prozess der Kohlenstoffmineralisierung, bei dem Gesteine wie Kalkstein – bekannte natürliche Kohlenstoffsenken – über die Zeit enorme Mengen CO₂ binden. Als eines der am häufigsten vorkommenden Gesteine auf dem Planeten kann Kalkstein über Jahre hinweg massive CO₂‑Mengen aus der Luft aufnehmen. Die Technologie von Heirloom Carbon beschleunigt diesen Vorgang auf nur wenige Tage. 

Die Technologie von Heirloom bietet mehrere Vorteile. Sie entfernt Kohlendioxid dauerhaft und sorgt dafür, dass das Gas für immer sicher unterirdisch gespeichert bleibt. Die Dienstleistungen von Heirloom haben zudem einen minimalen ökologischen Fußabdruck, da ihre Anlagen 50 Tonnen CO₂ pro Quadratmeter entfernen können und auf unfruchtbarem Land errichtet werden können.

Mit der Zeit glaubt Heirloom, dass seine Dienstleistungen optimal kosteneffizient werden, wobei die CO₂‑Entfernungsgutschriften bis 2035 weniger als 100 US‑$ pro Tonne Kohlendioxid kosten werden. 

Im April 2022 erhielt Heirloom eine Förderung von 1 Million US‑$ von der Mask Foundation und XPRIZE. Am 17. März 2022 sammelte das Unternehmen in einer Serie‑A‑Runde 53 Millionen US‑$ von AENU und einem Dutzend weiterer Investoren ein. Im Juni 2021 erhielt Heirloom ein Stipendium in Höhe von 255.737 US‑$ vom National Science Foundation. 

Fokus auf einen umfassenden Plan zur Bekämpfung von Kohlenstoffemissionen

Ein solcher Plan betrachtet den gesamten Lebenszyklus von Kohlenstoffemissionen und plant, diese überall auf die vorsichtigste, standortoptimierte und effizienteste Weise zu bekämpfen. Beispielsweise helfen Lösungen wie Climate TRACE, globale Emissionshotspots mit Satelliten und maschinellem Lernen zu identifizieren. Unternehmen wie CarbonChain hingegen unterstützen dabei, Emissionen in der Lieferkette zu reduzieren, indem sie Unternehmen bei der Profilierung ihrer aktuellen Emissionen helfen und Wege aufzeigen, diese mithilfe künstlicher Intelligenz zu verringern. Das Erkennen von Energieverlusten ist ebenfalls Teil dieses umfassenden Plans. 

Sobald der Identifizierungsprozess abgeschlossen ist, gibt es drei mögliche Wege, um die Kohlendioxidproblematik anzugehen. Der erste konzentriert sich darauf, weitere Klimaschäden durch CO₂‑Emissionen zu verhindern. Der zweite befasst sich mit der Steigerung der Energieeffizienz, um unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu reduzieren. Der dritte, der zugleich der ambitionierteste der drei ist, versucht, den bereits entstandenen Schaden rückgängig zu machen. 

Was konkrete Lösungen angeht, haben sich zahlreiche Ideen entwickelt. Wissenschaftler haben den Anbau von Pflanzen oder Algen befürwortet, die während ihres Wachstums CO₂ aus der Atmosphäre aufnehmen und gleichzeitig als erneuerbare Energiequelle dienen. Weitere bahnbrechende und radikal innovative Experimente umfassen beispielsweise ein neues Polymer, das Sonnenenergie sammeln kann. Diese Polymere können anschließend auf Textilien angewendet werden, sodass unsere Kleidung gleichzeitig als grüne und mobile Energiequelle dient. Diese Polymere können dann auf Textilien angewendet werden, sodass unsere Kleidung gleichzeitig als grüne und mobile Energiequelle dient. 

Im Laufe der Jahre wurden zahlreiche verlockende Anwendungen und Lösungen im Bereich der Schadensrückgängigmachung entwickelt. Beispielsweise arbeiten Wissenschaftler an kohlenstoffbasiertem Beton, der CO₂ aus industriellen Abgasen in synthetischen Kalkstein, einen Schlüsselbestandteil von Beton, umwandelt. In diesem Zusammenhang müssen wir bedenken, dass die Betonproduktion 4 % bis 8 % der weltweiten CO₂‑Emissionen ausmacht. 

Es wird zudem daran gearbeitet, kohlenstofffressende Pflanzen, kohlenstoffbindende Düngemittel und vieles mehr zu entwickeln. 

Mit all diesen Innovationen müssen wir sicherstellen, dass bis 2030 eine Netto‑Reduktion von 55 % oder mehr gegenüber dem Niveau von 1990 erreicht wird und bis 2050 das Ziel der Klimaneutralität erreicht wird. Während in den Bereichen des Übergangs von fossilen Brennstoffen zu sauberer, erneuerbarer Energie noch viel zu tun ist, muss die globale Zusammenarbeit auch wirksam sein, um die Abholzung zu stoppen, das Land nachhaltig zu nutzen und die Natur wiederherzustellen. 

Anhaltende Anstrengungen werden schließlich dazu beitragen, das Volumen der in die Atmosphäre freigesetzten Treibhausgase mit der Aufnahme und Speicherung dieser Gase in unseren Wäldern, Ozeanen und Böden auszugleichen.