Zementwerke wie das hier gezeigte sind eine Hauptquelle für klimaschädliches Kohlendioxid. Ein Teil dieser Schadstoffe lässt sich jedoch in einen neuen Brennstoff umwandeln. Dieses Salz kann über Jahrzehnte oder sogar noch länger sicher gelagert werden.
Dies ist eine weitere Geschichte aus einer Reihe, die sich mit neuen Technologien und Maßnahmen befasst, die den Klimawandel verlangsamen, seine Auswirkungen verringern oder Gemeinschaften dabei helfen können, mit einer sich schnell verändernden Welt zurechtzukommen.
Aktivitäten, die Kohlendioxid (CO2), ein häufiges Treibhausgas, freisetzen, tragen zur Erwärmung der Erdatmosphäre bei. Die Idee, CO2 aus der Luft zu extrahieren und zu speichern, ist nicht neu. Sie ist jedoch schwierig umzusetzen, insbesondere wenn es um die finanziellen Mittel geht. Ein neues System löst das Problem der CO2-Verschmutzung auf etwas andere Weise. Es wandelt das klimaerwärmende Gas chemisch in Kraftstoff um.
Am 15. November veröffentlichten Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge ihre bahnbrechenden Ergebnisse in der Fachzeitschrift Cell Reports Physical Science.
Ihr neues System ist zweigeteilt. Im ersten Teil wird Kohlendioxid aus der Luft in ein Molekül namens Formiat umgewandelt, um daraus Treibstoff zu gewinnen. Wie Kohlendioxid enthält auch Formiat ein Kohlenstoffatom, zwei Sauerstoffatome und ein Wasserstoffatom. Darüber hinaus enthält Formiat noch einige weitere Elemente. In der neuen Studie wurde Formiatsalz verwendet, das aus Natrium oder Kalium gewonnen wird.
Die meisten Brennstoffzellen werden mit Wasserstoff betrieben, einem brennbaren Gas, dessen Transport Pipelines und Druckbehälter erfordert. Brennstoffzellen können jedoch auch mit Formiat betrieben werden. Laut Li Ju, einem Materialwissenschaftler, der die Entwicklung des neuen Systems leitete, besitzt Formiat einen vergleichbaren Energiegehalt wie Wasserstoff. Formiat bietet gegenüber Wasserstoff einige Vorteile, so Li Ju. Es ist sicherer und benötigt keine Hochdruckspeicherung.
Forscher am MIT entwickelten eine Brennstoffzelle, um Formiat zu testen, das sie aus Kohlendioxid herstellen. Zunächst mischten sie das Salz mit Wasser. Anschließend wurde die Mischung in die Brennstoffzelle geleitet. Dort setzte das Formiat in einer chemischen Reaktion Elektronen frei. Diese Elektronen flossen von der negativen zur positiven Elektrode der Brennstoffzelle und schlossen so einen Stromkreis. Dieser Stromfluss – ein elektrischer Strom – war während des gesamten Experiments 200 Stunden lang vorhanden.
Zhen Zhang, ein Materialwissenschaftler, der mit Li am MIT zusammenarbeitet, ist optimistisch, dass sein Team die neue Technologie innerhalb eines Jahrzehnts skalieren kann.
Das Forschungsteam des MIT nutzte ein chemisches Verfahren, um Kohlendioxid in einen wichtigen Bestandteil für die Kraftstoffproduktion umzuwandeln. Zunächst setzten sie es einer stark alkalischen Lösung aus. Sie wählten Natriumhydroxid (NaOH), allgemein bekannt als Ätznatron. Dies löst eine chemische Reaktion aus, bei der Natriumhydrogencarbonat (NaHCO₃), besser bekannt als Backpulver, entsteht.
Dann schalteten sie den Strom ein. Der elektrische Strom löste eine neue chemische Reaktion aus, die jedes Sauerstoffatom im Natronmolekül spaltete und Natriumformiat (NaCHO₂) zurückließ. Ihr System wandelte nahezu den gesamten Kohlenstoff im CO₂ – mehr als 96 Prozent – ​​in dieses Salz um.
Die zur Sauerstoffentfernung benötigte Energie ist in den chemischen Bindungen des Formiats gespeichert. Professor Li merkte an, dass Formiat diese Energie über Jahrzehnte speichern kann, ohne an potenzielle Energie zu verlieren. Beim Durchlaufen einer Brennstoffzelle wird dann Strom erzeugt. Stammt der zur Formiatherstellung verwendete Strom aus Solar-, Wind- oder Wasserkraft, so ist der von der Brennstoffzelle erzeugte Strom eine saubere Energiequelle.
Um die neue Technologie in größerem Maßstab einzusetzen, sagte Lee, „müssen wir ergiebige geologische Vorkommen an Lauge finden“. Er untersuchte ein Gestein namens Alkalibasalt. In Verbindung mit Wasser verwandelt sich dieses Gestein in Lauge.
Farzan Kazemifar ist Ingenieur an der San Jose State University in Kalifornien. Seine Forschung konzentriert sich auf die Speicherung von Kohlendioxid in unterirdischen Salzformationen. Die Entfernung von Kohlendioxid aus der Luft sei schon immer schwierig und daher teuer gewesen, erklärt er. Daher sei es wirtschaftlich, CO₂ in nutzbare Produkte wie Formiat umzuwandeln. Die Produktkosten könnten die Produktionskosten decken.
Es gibt zahlreiche Forschungsarbeiten zur Abscheidung von Kohlendioxid aus der Luft. So beschrieb beispielsweise ein Wissenschaftlerteam der Lehigh University kürzlich eine weitere Methode, um Kohlendioxid aus der Luft zu filtern und in Natron umzuwandeln. Andere Forschungsgruppen speichern CO₂ in speziellem Gestein und wandeln es in festen Kohlenstoff um, der anschließend zu Ethanol, einem alkoholischen Kraftstoff, verarbeitet werden kann. Die meisten dieser Projekte sind kleinmaßstäblich und haben bisher noch keinen signifikanten Beitrag zur Reduzierung der hohen Kohlendioxidkonzentration in der Luft geleistet.
Dieses Bild zeigt ein Haus, das mit Kohlendioxid betrieben wird. Das abgebildete Gerät wandelt Kohlendioxid (die Moleküle in den roten und weißen Bläschen) in ein Salz namens Formiat (die blauen, roten, weißen und schwarzen Bläschen) um. Dieses Salz kann dann in einer Brennstoffzelle zur Stromerzeugung genutzt werden.
Kazemifar erklärte, unsere beste Option sei, „zuerst die Treibhausgasemissionen zu reduzieren“. Ein Weg dorthin ist der Ersatz fossiler Brennstoffe durch erneuerbare Energiequellen wie Wind- oder Solarenergie. Dies ist Teil eines Transformationsprozesses, den Wissenschaftler als „Dekarbonisierung“ bezeichnen. Er fügte jedoch hinzu, dass die Eindämmung des Klimawandels einen vielschichtigen Ansatz erfordere. Neue Technologien seien notwendig, um Kohlenstoff in schwer zu dekarbonisierenden Bereichen abzuscheiden. Beispiele hierfür seien Stahlwerke und Zementfabriken.
Das MIT-Team sieht auch Vorteile in der Kombination seiner neuen Technologie mit Solar- und Windenergie. Herkömmliche Batterien sind darauf ausgelegt, Energie über mehrere Wochen zu speichern. Um Sommersonnenlicht bis in den Winter oder darüber hinaus zu speichern, ist ein anderer Ansatz erforderlich. „Mit Formiat-Brennstoff“, sagte Lee, „ist man nicht einmal mehr auf saisonale Speicherung beschränkt. Es könnte generationenübergreifend sein.“
Es mag nicht wie Gold glänzen, aber „ich kann meinen Söhnen und Töchtern 200 Tonnen Formiat als Erbe hinterlassen“, sagte Lee.
Alkalisch: Ein Adjektiv, das eine chemische Substanz beschreibt, die in Lösung Hydroxidionen (OH⁻) bildet. Diese Lösungen werden ebenfalls als alkalisch (im Gegensatz zu sauer) bezeichnet und haben einen pH-Wert über 7.
Grundwasserleiter: Eine Gesteinsformation, die unterirdische Wasservorkommen speichern kann. Der Begriff bezeichnet auch unterirdische Becken.
Basalt: Ein schwarzes vulkanisches Gestein, das normalerweise sehr dicht ist (es sei denn, ein Vulkanausbruch hat große Gaseinschlüsse darin hinterlassen).
Bindung: (in der Chemie) eine semipermanente Verbindung zwischen Atomen (oder Atomgruppen) in einem Molekül. Sie entsteht durch Anziehungskräfte zwischen den beteiligten Atomen. Sobald Bindungen gebildet sind, verhalten sich die Atome wie eine Einheit. Um die einzelnen Atome zu trennen, muss den Molekülen Energie in Form von Wärme oder anderer Strahlung zugeführt werden.
Kohlenstoff: Ein chemisches Element und die physikalische Grundlage allen Lebens auf der Erde. Kohlenstoff kommt in freier Form in Graphit und Diamant vor. Er ist ein wichtiger Bestandteil von Kohle, Kalkstein und Erdöl und kann sich chemisch selbst verbinden, um eine Vielzahl von Molekülen mit chemischem, biologischem und kommerziellem Wert zu bilden. (In der Klimaforschung) Der Begriff Kohlenstoff wird mitunter fast synonym mit Kohlendioxid verwendet, um die potenziellen Auswirkungen einer Handlung, eines Produkts, einer politischen Maßnahme oder eines Prozesses auf die langfristige Erwärmung der Atmosphäre zu beschreiben.
Kohlendioxid (CO₂) ist ein farb- und geruchloses Gas, das von allen Tieren produziert wird, wenn der Sauerstoff aus ihrer Atemluft mit der kohlenstoffreichen Nahrung reagiert. Auch bei der Verbrennung organischer Stoffe, einschließlich fossiler Brennstoffe wie Erdöl oder Erdgas, wird Kohlendioxid freigesetzt. Es ist ein Treibhausgas, das Wärme in der Erdatmosphäre speichert. Pflanzen wandeln Kohlendioxid durch Photosynthese in Sauerstoff um und nutzen diesen Prozess zur Herstellung ihrer eigenen Nahrung.
Zement: Ein Bindemittel, das zwei Materialien miteinander verbindet und zu einem Feststoff aushärten lässt, oder ein dickflüssiger Klebstoff, der zwei Materialien zusammenhält. (Bauwesen) Ein fein gemahlenes Material, das Sand oder Schotter zu Beton bindet. Zement wird üblicherweise als Pulver hergestellt. Sobald er jedoch mit Wasser in Berührung kommt, verwandelt er sich in eine schlammige Masse, die beim Trocknen aushärtet.
Chemisch: Ein Stoff, der aus zwei oder mehr Atomen besteht, die in einem festen Verhältnis und einer festen Struktur miteinander verbunden sind. Wasser ist beispielsweise ein chemischer Stoff, der aus zwei Wasserstoffatomen besteht, die an ein Sauerstoffatom gebunden sind. Seine chemische Formel lautet H₂O. „Chemisch“ kann auch als Adjektiv verwendet werden, um die Eigenschaften eines Stoffes zu beschreiben, die durch verschiedene Reaktionen zwischen unterschiedlichen Verbindungen entstehen.
Chemische Bindung: Eine Anziehungskraft zwischen Atomen, die stark genug ist, um die gebundenen Elemente als Einheit zu verbinden. Manche Anziehungskräfte sind schwach, andere stark. Alle Bindungen verbinden Atome durch das Teilen (oder den Versuch des Teilens) von Elektronen.
Chemische Reaktion: Ein Prozess, bei dem es zu einer Umordnung der Moleküle oder Strukturen eines Stoffes kommt, nicht aber zu einer Änderung der physikalischen Form (z. B. von fest zu gasförmig).
Chemie: Der Wissenschaftszweig, der die Zusammensetzung, Struktur, Eigenschaften und Wechselwirkungen von Stoffen untersucht. Wissenschaftler nutzen dieses Wissen, um unbekannte Stoffe zu erforschen, nützliche Stoffe in großen Mengen herzustellen oder neue nützliche Stoffe zu entwickeln und herzustellen. (von chemischen Verbindungen) Chemie bezeichnet auch die Formel einer Verbindung, die Methode ihrer Herstellung oder einige ihrer Eigenschaften. Personen, die in diesem Bereich arbeiten, werden Chemiker genannt. (in den Sozialwissenschaften) Die Fähigkeit von Menschen, zusammenzuarbeiten, miteinander auszukommen und die Gesellschaft anderer zu genießen.
Klimawandel: Eine bedeutende, langfristige Veränderung des Erdklimas. Diese kann auf natürliche Weise oder als Folge menschlicher Aktivitäten, wie der Verbrennung fossiler Brennstoffe und der Abholzung von Wäldern, auftreten.
Dekarbonisierung bezeichnet den gezielten Übergang weg von umweltschädlichen Technologien, Aktivitäten und Energiequellen, die kohlenstoffbasierte Treibhausgase wie Kohlendioxid und Methan in die Atmosphäre freisetzen. Ziel ist es, die Menge der zum Klimawandel beitragenden Kohlenstoffgase zu reduzieren.
Elektrizität: Der Fluss elektrischer Ladung, der üblicherweise durch die Bewegung negativ geladener Teilchen, sogenannter Elektronen, entsteht.
Elektron: ein negativ geladenes Teilchen, das sich üblicherweise in der äußeren Zone eines Atoms aufhält; es ist auch der Ladungsträger in Festkörpern.
Ingenieur: Jemand, der Naturwissenschaften und Mathematik zur Problemlösung einsetzt. Als Verb bezeichnet „Ingenieur“ die Entwicklung eines Geräts, Materials oder Verfahrens zur Lösung eines Problems oder zur Behebung eines unerfüllten Bedarfs.
Ethanol: Ein Alkohol, auch Ethylalkohol genannt, der die Grundlage für alkoholische Getränke wie Bier, Wein und Spirituosen bildet. Er wird auch als Lösungsmittel und Kraftstoff verwendet (beispielsweise häufig mit Benzin gemischt).
Filter: (Subst.) Etwas, das je nach Größe oder anderen Eigenschaften bestimmte Stoffe durchlässt und andere nicht. (Verb) Die Auswahl bestimmter Stoffe anhand von Eigenschaften wie Größe, Dichte, Ladung usw. (Physik) Ein Sieb, eine Platte oder eine Schicht aus einem Stoff, die Licht oder andere Strahlung absorbiert oder bestimmte Bestandteile selektiv zurückhält.
Formiat: Ein allgemeiner Begriff für Salze oder Ester der Ameisensäure, einer oxidierten Form einer Fettsäure. (Ein Ester ist eine kohlenstoffbasierte Verbindung, die durch Ersetzen der Wasserstoffatome bestimmter Säuren durch bestimmte organische Gruppen entsteht. Viele Fette und ätherische Öle sind natürlich vorkommende Fettsäureester.)
Fossile Brennstoffe: Jegliche Brennstoffe, wie Kohle, Erdöl (Rohöl) oder Erdgas, die über Millionen von Jahren im Erdinneren aus den verrottenden Überresten von Bakterien, Pflanzen oder Tieren entstanden sind.
Brennstoff: Jede Substanz, die durch eine kontrollierte chemische oder nukleare Reaktion Energie freisetzt. Fossile Brennstoffe (Kohle, Erdgas und Erdöl) sind gängige Brennstoffe, die beim Erhitzen (in der Regel bis zur Verbrennung) durch chemische Reaktionen Energie freisetzen.
Brennstoffzelle: Ein Gerät, das chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. Der gebräuchlichste Brennstoff ist Wasserstoff, dessen einziges Nebenprodukt Wasserdampf ist.
Geologie: Ein Adjektiv, das alles beschreibt, was mit der physischen Struktur der Erde, ihren Materialien, ihrer Geschichte und den auf ihr ablaufenden Prozessen zusammenhängt. Menschen, die in diesem Bereich arbeiten, werden Geologen genannt.
Globale Erwärmung: Ein allmählicher Anstieg der Gesamttemperatur der Erdatmosphäre aufgrund des Treibhauseffekts. Dieser Effekt wird durch steigende Konzentrationen von Kohlendioxid, Fluorchlorkohlenwasserstoffen und anderen Gasen in der Luft verursacht, von denen viele durch menschliche Aktivitäten freigesetzt werden.
Wasserstoff: Das leichteste Element im Universum. Als Gas ist es farblos, geruchlos und extrem entzündlich. Es ist Bestandteil vieler Kraftstoffe, Fette und der chemischen Substanzen, aus denen lebendes Gewebe besteht. Es besteht aus einem Proton (dem Atomkern) und einem Elektron, das diesen umkreist.
Innovation: (v. innovieren; adj. erneuern) Eine Anpassung oder Verbesserung einer bestehenden Idee, eines Prozesses oder eines Produkts, um es neuer, intelligenter, effizienter oder nützlicher zu machen.
Lauge: Die allgemeine Bezeichnung für Natriumhydroxidlösung (NaOH). Lauge wird häufig mit Pflanzenölen oder tierischen Fetten und anderen Zutaten vermischt, um Seifenstücke herzustellen.
Materialwissenschaftler: Ein Forscher, der den Zusammenhang zwischen der atomaren und molekularen Struktur eines Materials und seinen Eigenschaften untersucht. Materialwissenschaftler entwickeln neue Materialien oder analysieren bestehende. Die Analyse von Materialeigenschaften wie Dichte, Festigkeit und Schmelzpunkt hilft Ingenieuren und anderen Forschern bei der Auswahl geeigneter Materialien für neue Anwendungen.
Molekül: Eine Gruppe elektrisch neutraler Atome, die die kleinstmögliche Menge einer chemischen Verbindung darstellt. Moleküle können aus einer oder verschiedenen Atomarten bestehen. Beispielsweise besteht der Sauerstoff in der Luft aus zwei Sauerstoffatomen (O₂), und Wasser besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom (H₂O).
Schadstoff: Eine Substanz, die etwas verunreinigt, beispielsweise Luft, Wasser, Menschen oder Lebensmittel. Manche Schadstoffe sind Chemikalien, wie etwa Pestizide. Andere Schadstoffe können Strahlung sein, darunter übermäßige Hitze oder Licht. Selbst Unkräuter und andere invasive Arten können als Biofouling gelten.
Potent: Ein Adjektiv, das sich auf etwas bezieht, das sehr stark oder mächtig ist (wie z. B. ein Keim, ein Gift, ein Medikament oder eine Säure).
Erneuerbar: Ein Adjektiv, das sich auf eine Ressource bezieht, die unbegrenzt ersetzt werden kann (wie Wasser, Pflanzen, Sonnenlicht und Wind). Dies steht im Gegensatz zu nicht erneuerbaren Ressourcen, deren Vorkommen begrenzt ist und die effektiv erschöpft werden können. Zu den nicht erneuerbaren Ressourcen gehören Erdöl (und andere fossile Brennstoffe) oder relativ seltene Elemente und Mineralien.