Wiederverwendung von Plastik wird mit Hilfe von Lasern einfacher

Die steigenden Umweltverschmutzungswerte der Welt treiben weiterhin die Nachfrage nach kostengünstigen Recyclingdiensten an. Leider zersetzen sich Plastikverschmutzungen auf Deponien nicht wie andere Abfälle, was zu massiven Anhäufungen weltweit führt. Glücklicherweise hat eine Gruppe innovativer Ingenieure in diesem Monat eine Studie veröffentlicht, die ein neuartiges laserbasiertes System demonstriert, das die Wiederverwendung von Plastikabfällen effizienter macht. Hier ist, was Sie wissen müssen.

Plastikverschmutzung

Die Welt benötigt nachhaltige Lösungen für das Management von Plastikabfällen. Kunststoffe sind berüchtigt schwer abzubauen, und deshalb landen sie häufig auf Deponien oder in Müllhaufen, wo sie langsam zerfallen und die Umwelt zerstören. Diese Schadstoffe tauchen weiterhin in Trinkwasser, Tieren und anderen entscheidenden Punkten der Nahrungskette auf.

Studie zur Wiederverwendung von Plastik

Die neueste Forschung untersucht den Einsatz von Lasern, um die chemischen Bindungen zu brechen, die Plastik schädlich machen und so lange zum Abbau in der Umwelt benötigen. Der Bericht zeigt, wie diese Laser spezifische Moleküle im Plastik zersetzen können, sodass sie als wiederverwendbare Substanzen umgewandelt werden. Konkret hat das Team leuchtende Kohlenstoffpunkte (CDs) erzeugt, die auf festen Substraten mittels eines Prozesses namens C‑H‑Aktivierung festgehalten wurden.

Die Forscher wählten Cetyltrimethylammoniumchlorid (CTAC) als erstes Ziel für die Laserzerlegungsmethode. Das Team entschied sich für CTAC aufgrund spezifischer Eigenschaften, einschließlich seiner kohlenstoffreinen Struktur. Außerdem ist es in der Nanomaterialzusammensetzung üblich und kann eine feste Form beibehalten, ohne dass umfangreiche atmosphärische Anpassungen erforderlich sind.

C‑H‑Aktivierung

C‑H‑Aktivierung ist ein revolutionärer chemischer Prozess, der Wissenschaftlern ermöglicht, Kohlenstoff‑Wasserstoff‑Bindungen in einem organischen Molekül zu spalten. Diese Bindungen können gezielt anhand ihrer Zusammensetzung angegriffen werden, wodurch sie selektiv zu Grundkomponenten wie CDs umgewandelt werden können, die wiederverwendet werden.
Der C‑H‑Aktivierungsprozess führt bei bestimmten Intervallen und Frequenzen niederenergetische Lichtstrahlen ein. Diese Lichtstrahlen zerlegen die chemischen Bindungen, die Plastik nicht biologisch abbaubar machen, und bilden neue Bindungen. Konkret untersucht die Studie, wie organische langkettige quartäre Ammonium‑Tenside in leuchtende CDs zerlegt werden können, was neue Möglichkeiten in verschiedenen Bereichen eröffnet, darunter die Reduzierung von Verschmutzung, Materialwissenschaft, organische Chemie und Biomedizin.

Kohlenstoffbasierte Nanomaterialien

Kohlenstoffbasierte Nanomaterialien sind aus vielen Gründen das ideale Produkt, um Kunststoffabfälle zu konvertieren. Einerseits kann dieses Material zur Herstellung hochwertiger elektronischer Komponenten verwendet werden, einschließlich Leiterplatten, Speichergeräte und anderer entscheidender Elemente der Computerwirtschaft. Sie sind stark nachgefragt und für die heutigen High‑Tech‑Geräte erforderlich.

Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Berechnungen

Die Forscher entwickelten eine Variante der Dichtefunktionaltheorie‑Berechnung, um den Umwandlungsprozess vorherzusagen und die Menge an Licht und Frequenzen zu optimieren. Laut den Ingenieuren basierten die DFT‑Berechnungen auf dem VASP‑Code, bei dem Valenzelektronen über die Kohn‑Sham‑Wellenfunktionen in einer planwelligen Basis berücksichtigt werden. Dieser Ansatz ermöglichte es dem Team, Fehler und Defekte im Prozess zu bestimmen, ohne die Tests erneut durchführen zu müssen. Konkret konnten sie ermitteln, wie oxidierte Zustände und Fehler die H‑Adsorption und die C‑H‑Aktivierungsprozesse beeinflussen.

Testphase

Der Wissenschaftler begann die Tests, indem er eine dünne Schicht aus festem CTAC erzeugte. Diese Schicht wurde anschließend mit einer Monoschicht WSe2 beschichtet. Bemerkenswert wurde diese Beschichtung speziell für das Experiment mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) erzeugt. Die Schichten, sogenannte Übergangsmetall‑Dichalcogenide, erleichtern die chemische Reaktion, sobald sie der Bestrahlung eines niederenergetischen Dauerstrichlasers ausgesetzt werden. Das Team nutzte dabei verschiedene Laser mit einer Leistung von etwa 0,2–5 mW.
Der Laser ermöglicht es den CTAC‑Molekülen, eine von WSe2 vermittelte C‑H‑Bindungsaktivierung zu starten, was zur Bildung einer C=C‑Bindung führt und H‑Moleküle in den gasförmigen Zustand überführt. Das Team integrierte zudem D‑Übergangsmetall‑Dichalcogenid‑Schichten (TMDCs), wodurch der Energiebedarf für die Bindung von Kohlenstoffmolekülen stark reduziert und Abfall in CDs umgewandelt wurde.

Überwachung der Änderungen

Die Ingenieure führten den Prozess unter verschiedenen Beleuchtungsszenarien durch. Bemerkenswert war ein Nikon TiE invertiertes Mikroskop mit einem ×100 Öl‑Objektiv und einer Halogen‑Weißlichtquelle mit 12 V, 100 W, die das Experiment ermöglichten. Zusätzlich nutzte das Team einen Dunkelfeldkondensor (NA 1,20–1,43), um die Laserbestrahlung erfolgreich zu verfolgen.
Verwendete Laser waren unter anderem ein Coherent Genesis MX STM‑1 W Dauerstrichlaser mit 660 nm (Laser Quantum). Interessanterweise erweiterten die Ingenieure den Strahl, um ihn effizienter zu machen, indem sie ein Thorlabs GBE05‑A nutzten, das während der Tests über das Mikroskop ausgerichtet wurde.

Ergebnisse zeigen Hoffnung für eine grünere Zukunft

Die Ergebnisse der Studie reichen aus, um die Branche zu begeistern. Konkret gelang es dem Team, den langkettigen quartären Ammonium‑Tensid Cetyltrimethylammoniumchlorid (CTAC, C19H42ClN) in leuchtende CDs auf 2‑D‑WSe2‑Monoschichten in einem organisierten und räumlich aufgelösten Muster zu konvertieren. Der Prozess wurde optimiert und kann sofort integriert werden, um Plastikabfälle zu reduzieren.
Um sicherzustellen, dass der Prozess effizient abgeschlossen wurde, überwachten die Wissenschaftler die Entwicklungen mit einer Nahfeld‑Nanoskalen‑Fourier‑Transform‑Infrarot‑Spektroskopie (nano‑FTIR). Sie bemerkten ein ausgeprägtes Absorptionsband bei etwa 1660 cm⁻¹. Dieser Bereich erhöhte die Effizienz der C=C‑Bindungen in den CDs. Zusätzlich nutzte das Team Raman‑Spektren und Mapping über das Renishaw‑System, um den Fortschritt zu verfolgen. Der Raman‑Spektrum zeigte, dass das Team die Umwandlung von Abfall in CDs abgeschlossen hatte.

Vorteile

Diese Studie bietet zahlreiche Vorteile. Plastikverschmutzungen sind ein großes Problem, das bereits jährlich das Leben von Millionen Menschen beeinträchtigt. Die Fähigkeit, funktionelle organische Komplexe und Umweltverschmutzungen wie fossile Brennstoffabfälle in erneuerbare Chemikalien zu synthetisieren, eröffnet die Möglichkeit einer kreislauforientierten Wirtschaft, in der Abfall immer wieder zu wertvollen Produkten wird.

Effizienter

Einer der größten Vorteile dieses Prozesses ist, dass er effizienter ist als jede derzeitige Methode. Die heute verwendeten Techniken erfordern viel Energie, sind teuer und können zusätzliche Umweltschäden verursachen. Daher eröffnet dieser Ansatz die Möglichkeit einer saubereren Wiederverwertung dieser Abfallmaterialien.

Flexibel

Ein weiterer großer Vorteil dieser Forschung ist, dass sie auf eine Vielzahl chemischer Schadstoffe angewendet werden kann, die derzeit die Umwelt belasten. Forscher haben erklärt, dass der Prozess bei einer breiten Palette langkettiger organischer Verbindungen funktioniert. Damit könnte diese Strategie weltweit eingesetzt werden, um eine wachsende Auswahl an Abfällen zu bekämpfen, darunter Polyethylen und Tenside.

Forscher

Die Studie zu Plastikverschmutzungen brachte einige der klügsten Köpfe aus dem akademischen und wissenschaftlichen Bereich zusammen. Das Projekt wurde von Jingang Li mitverfasst und erhielt Unterstützung von Forschern der University of California, der Tohoku University in Japan, des Lawrence Berkeley National Laboratory, der Pennsylvania State University und der Baylor University. Die Finanzierung der Studie erfolgte durch die National Institutes of Health, die Hirose Foundation, die National Natural Science Foundation of China, die National Science Foundation und die Japan Society for the Promotion of Science.

Anwendungen

Es gibt zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für diese Technologie. Die Fähigkeit, Plastikabfälle zu reduzieren, hat sich von einer Sorge zu einem vorrangigen Risiko entwickelt, das sofortige und kontinuierliche Aufmerksamkeit erfordert. Diese neueste Entdeckung hilft, diese Risiken zu verringern, indem Plastikabfälle in wertvolle und wiederverwendbare CDs umgewandelt werden. Damit gibt es nahezu unbegrenzte Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen photonische Materialien, organische Chemie und Umweltremediation.

Unternehmen, die von dieser Studie profitieren können

Wenn man den Markt betrachtet, wird schnell klar, dass mehrere Unternehmen sofort von der Integration dieser Technologie profitieren könnten. Diese Unternehmen haben seit langem das Management von Abfällen, Recycling und Umweltlösungen vorangetrieben. Daher bieten sie eine einzigartige Gelegenheit für Investoren, in einen schnell wachsenden Sektor zu investieren.

1. Waste Management

WCN Preisdiagramm

Waste Management (WM ) trat 1987 in den Markt ein, um der Gemeinschaft eine bessere Möglichkeit zur Entsorgung von Abfallmaterialien zu bieten. Das Unternehmen erweiterte schnell seine Aktivitäten um Recycling‑Dienstleistungen. Heute ist dieses in Texas ansässige Unternehmen einer der führenden Anbieter dieser Services.

Als führender Anbieter umfassender Abfallmanagement‑Dienstleistungen ist Waste Management gut positioniert. Es ist ein großes Unternehmen mit über 28 000 Mitarbeitenden. Das Unternehmen hat Durchbrüche im Recycling, Abfallmanagement, erneuerbaren Energien und anderen wichtigen Märkten erzielt. Bemerkenswert ist ein Umsatz von über 20,69 Mrd. $ im Jahr 2023.

Händler können WCN als starken „Kauf“ betrachten. Es ist der führende Entwickler, Eigentümer und Betreiber von Deponiegas‑zu‑Energie‑Dienstleistungen in den USA. Daher hat die Aktie eine überdurchschnittliche Performance gezeigt und weist derzeit eine 5‑Jahres‑Rendite von +107,63 % auf. Bemerkenswert ist, dass die Aktie seit dem Börsengang um +2.137 % gestiegen ist.

2. Waste Connections

WCN Preisdiagramm

Waste Connections (WCN ) trat 1997 in den Markt ein. Ursprünglich in Kalifornien ansässig, zog das Unternehmen im Rahmen seiner Strategie, das Land besser zu bedienen, nach Texas. Heute beschäftigt Waste Connections über 19 000 Fachkräfte und ist einer der führenden Anbieter von Abfallsammlung, -transfer, -entsorgung und Recycling‑Dienstleistungen in den USA.

Bemerkenswert könnte Waste Connections einen erheblichen Schub in den Fähigkeiten und dem Umsatz erleben, wenn es die neuen laserbasierten Plastikrecycling‑Systeme, die von den Forschern vorgeschlagen wurden, erfolgreich integriert. Dieses Upgrade würde dem Unternehmen ermöglichen, zusätzliche Einnahmen zu generieren, indem es CDs an Kunden anbietet.

Waste Connections hat eine Marktkapitalisierung von über 46,85 Mrd. $. Das Unternehmen wird aufgrund seiner Positionierung und mehrerer bedeutender Akquisitionen, die es im Laufe der Jahre abgeschlossen hat, als starkes „Hold“ eingestuft. Anleger, die nach einer stabilen Aktie mit starkem Aufwärtspotenzial suchen, sollten Waste Connections in Betracht ziehen.

Die Statistiken zeichnen ein düsteres Bild

Plastik hat die Art und Weise, wie die Welt Handel treibt, revolutioniert und bleibt ein entscheidendes Element des täglichen Lebens. Dieses nützliche Material hat seit seiner Einführung im Jahr 1950 einen enormen Einsatz gefunden, wobei Experten ein exponentielles Wachstum verzeichnen. Leider verbleibt ein Großteil dieses Plastiks im Abfall. Laut Umweltstudien führt die Welt jährlich 2 Mio. Tonnen Plastikverschmutzungen in die Umwelt ein, zusätzlich zu den bereits zirkulierenden 7 Mrd. t metrischen Tonnen.
Es ist leicht nachzuvollziehen, wo diese Schadstoffe in den Markt gelangen. Studien haben gezeigt, dass bis zu 50 % des Plastikabfalls aus Einwegverpackungen stammen. Schlimmsterweise prognostizieren Analysten, dass die Verschmutzungswerte in den kommenden Jahren stark ansteigen werden, was die Gesundheits- und Umweltrisiken erheblich erhöht. Leider hat diese Situation bereits zu gravierenden Konsequenzen geführt.

Ozeane leiden

Die Ozeane sind besonders anfällig für diese Schadstoffe. Leider gelangen 75–99 Tonnen Plastik in den Ozean, wo sie verbleiben und massive Müllinseln bilden, die tödliche Schadstoffe auslaugen. Bei dem aktuellen Tempo erzeugen Menschen jährlich 33 Milliarden Pfund Plastikabfall, der im Ozean endet. Diese jüngste Entwicklung könnte dazu beitragen, diese Bedenken zu lindern und eine nachhaltigere Wirtschaft einzuleiten.

Größte Verursacher weltweit

Es sollte nicht überraschen, dass nicht jedes Land gleichermaßen für das Abfallproblem verantwortlich ist. Wie zu erwarten, sind die Hauptverursacher Länder mit großen Wirtschafts- und Fertigungssektoren. Im Jahr 2023 führte China mit etwa 59.079.741 metrischen Tonnen Abfall die Liste an. Die USA folgten knapp dahinter mit 37.825.550 Tonnen. Deutschland, Brasilien und Japan gehören ebenfalls zu den Top‑Verursachern, jedoch in deutlich kleinerem Umfang als China und die USA.

Teamarbeit

Die Nachfrage nach Reduzierung von Plastikabfällen hat mehrere Forschungsteams weltweit dazu veranlasst, Konzepte zu entwickeln. Diese Ideen reichen von der Entsorgung von Abfall vom Planeten bis zur Wiederverwendung in heutigen fortschrittlichen Elektronikgeräten. Eine interessante Studie ergab, dass Styropor‑Abfall abgebaut und zur Herstellung wertvoller elektronischer Komponenten verwendet werden kann. Styropor, wie Plastikabfall, ist ein großes Problem aufgrund seiner langen Abbauzeit und der Gefahr, die es für die Tierwelt darstellt.

Regulierungen

Ein weiterer wichtiger Faktor ist der zunehmende regulatorische Gegenwind. Gesetzgeber haben erkannt, dass die aktuelle Situation nicht nachhaltig ist. Der massive Einsatz von Einwegplastik und weitere Faktoren haben zu einer Notwendigkeit für grundlegende Änderungen geführt. Daher wurden weltweit neue Gesetze eingeführt. Beispielsweise haben New South Wales, Victoria und Queensland im Jahr 2023 Verbote für Einwegprodukte umgesetzt. Nun strebt Kalifornien an, Hersteller für die Reinigung ihres Plastikabfalls verantwortlich zu machen.

Wiederverwendung von Plastikabfällen und die Welt sicherer machen

Plastikabfälle, die bereits irreparablen Schaden an der Umwelt verursacht haben, in wertvolle CDs umzuwandeln, ist völlig logisch. Die Entwicklung könnte sofortige und langfristige Vorsichtsmaßnahmen in der Branche bewirken. Derzeit verdient dieses Team von Ingenieuren Anerkennung für ihre Entdeckung, die das Potenzial hat, in Zukunft Millionen von Leben zu retten.

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