Blätter als CO₂-Filter: Dresdner Forscher erfinden Verfahren für saubere Luft

Von Jana Mundus

Dresden. Ein Plan ist gut. Einen Weg vor Augen zu haben, der ans Ziel führen soll. In der Forschung lohnt es sich aber auch, auf das zu achten, was am Wegesrand liegt. Darüber können Hans Kleemann und seine Gruppe am Institut für angewandte Physik der TU Dresden eine spannende Geschichte erzählen.

Eigentlich arbeiten sie an Lösungen für Biosensoren. Solche winzigen Geräte können direkt im Körper den Blutzuckerspiegel messen oder wichtige Stoffwechselprozesse überwachen. Dafür ist das Forschungsteam auf der Suche nach speziellen Gelen, die solche Messungen möglich machen. Eine Gel-Mischung zeigte jedoch Eigenschaften, die sich auch für etwas anderes ideal eignen – für die Reinigung der Luft.

Das war ein absoluter Zufallsfund. – Hans Kleemann, TU Dresden

„Das war ein absoluter Zufallsfund“, beschreibt es Kleemann, der die Arbeitsgruppe „Organic Devices and Structures“ am Institut leitet. „Wir stellten fest, dass eine Materialmischung den Stoff CO₂, also Kohlendioxid, besonders gut aufnimmt.“ Ohne Kohlendioxid gäbe es kein Leben auf der Erde. Es entsteht, wenn wir ausatmen, wenn sich Pflanzen zersetzen oder auch bei Vulkanausbrüchen.

Für das Klima problematisch sind jedoch die großen Mengen, für die der Mensch zusätzlich verantwortlich ist. Unter anderem durch das Verbrennen von Kohle oder Erdöl. CO₂ reichert sich immer mehr in der Atmosphäre an. Dort verstärkt es den natürlichen Treibhauseffekt und trägt zur Erderwärmung bei. Klimaforscher erklären immer wieder, dass es künftig nicht ausreichen wird, den CO₂-Ausstoß zu verringern. Es müssen Lösungen her, wie bereits ausgestoßenes Kohlendioxid wieder aus der Luft entfernt werden kann.

Zwei gute Ideen verbinden

In einem anderen Projekt arbeitet Kleemanns Gruppe an einer neuen Idee für grünere Elektronik. Zum Einsatz kommen dabei feinste Blattstrukturen als Basis für moderne Leiterplatten und nachhaltige Elektronik. Blätter eines Magnolienbaums auf dem TUD-Campus verwendeten sie dafür zu Beginn und arbeiteten sie für die Anwendung auf. Nach und nach wurden auch andere Baumarten getestet.

„Nun hatten wir zwei Ansätze – das Gel und die Blätter. Wir dachten: Warum bringen wir die nicht einfach zusammen“, schildert der Physiker. Heute entwickelt sein Team ein neuartiges Filtersystem, das Kohlendioxid direkt aus der Umgebungsluft entfernen soll. Die Blattstrukturen werden dabei mit der flüssigen CO₂-bindenden Mischung beschichtet.

Für die neue Technologie machen sich die Forschenden eine Eigenschaft der Blätter zunutze. Ihre feinen Äderchen und Verzweigungen sind dafür gemacht, Gase möglichst effizient auszutauschen. Genau diese natürliche Architektur ist für den Filter ideal. Die eigentliche Arbeit übernimmt aber nicht das Blatt. Es dient lediglich als leichte Trägerstruktur. „Wir haben viel ausprobiert, was am besten funktioniert“, schildert Doktorand Tommy Meier. Reicht eine Lage Blätter oder müssen sie übereinandergeschichtet werden?

Auf die Struktur wird die CO₂-bindende Flüssigkeit aufgebracht. Was genau drin ist, verraten die Wissenschaftler nicht. Wie ein Löschblatt nimmt das Blatt diese auf und verteilt sie über die Fläche. Damit der Filter später immer wiederverwendet werden kann, muss das gebundene CO₂ auch wieder raus. Das passiert mittels einer Kohlenstofftinte, die die Forschenden ebenfalls hauchdünn auf die Blattstruktur geben. Sie ist leitfähig. Fließt Strom hindurch, erwärmt sich die Struktur. Das CO₂ löst sich aus dem Material und kann gesammelt werden. Anschließend beginnt der Vorgang von vorn.

Neue Möglichkeiten für Industrieparks

„Aktuell schneiden wir vier mal sieben Zentimeter große Stücke aus den Blättern“, fügt Meier hinzu. Mehrere von ihnen ordnet das Team nebeneinander auf einem Träger an. In einem Demonstrator möchten sie rund 600 dieser Blätter auf engstem Raum zusammenbringen. Das entspräche einem Volumen von zehn Litern. „Wir könnten damit jährlich bis zu zwei Tonnen Kohlendioxid aus der Luft entfernen“, erklärt die wissenschaftliche Mitarbeiterin Anna-Lena Hofmann.

Doch sie denken bereits weiter. In den kommenden Jahren soll eine Pilotanlage entstehen, die in ganz anderen Größenordnungen arbeitet. Wer könnte so eine Anlage in Zukunft aber nutzen? Kommt zum Balkonkraftwerk für Privathaushalte in Zukunft auch noch die eigene Luftreinigungsanlage direkt vor der Haustür?

Das sieht Hans Kleemann eher nicht. „Die bräuchte Platz und mehr Sinn macht so etwas für die Industrie.“ Dort, wo bei Produktionsprozessen CO₂ entsteht, könnte es direkt aus der Luft gefiltert werden. Idealerweise würde das gesammelte Kohlendioxid danach wieder als Rohstoff eingesetzt werden. Die Industrie braucht es für die Kohlensäure im Mineralwasser, für die Zementherstellung oder auch für die Produktion von Dünger. „In Industrie- oder Chemieparks wäre solch eine Filteranlage also künftig sehr sinnvoll.“

Eigene Firma schon in Planung

Solch ein Modell könnte bisher verwendete Verfahren ersetzen. Dabei kommen heute sogenannte Amine zum Einsatz. Diese chemischen Verbindungen können CO₂ zwar binden, haben jedoch Nachteile. „Erstens greifen sie die eingesetzten Materialien an und zweitens sind sie gesundheitsschädlich“, sagt Kleemann. Hinzu kommt, dass die Bauteile regelmäßig ausgetauscht und oftmals aufwendig entsorgt werden müssen.

Wir könnten damit jährlich bis zu zwei Tonnen Kohlendioxid aus der Luft entfernen. – Anna-Lena Hofmann, Wisenschaftlicher Mitarbeitin TUD

Die neue Idee aus Dresden setzt lieber auf biobasierte Materialien und die natürlichen Blattstrukturen. Sollten sie altern oder ihre Leistung verlieren, könnten sie durch eine modulare Bauweise in den Filteranlagen einfacher ersetzt und entsorgt werden als bisherige chemische Systeme. „Ob sie länger durchhalten als bestehende Verfahren, müssen aber unsere Langzeitversuche noch zeigen“, schränkt Anna-Lena Hofmann ein.

Aus dem Zufallsfund könnte in Zukunft auch ein Unternehmen werden. Über eine Ausgründung denken die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen bereits nach. „Wir schauen uns dazu gerade verschiedene Wege an“, erklärt Hans Kleemann. Investoren wären ein Weg, die Gründung über Förderprogramme ein anderer. Das Interesse daran, Kohlendioxid effektiv aus der Luft filtern zu können, wäre weltweit groß. Der Bedarf ist also da.

SZ