In der Wissenschaft und im Industriedesign überschlagen sich Wissenschaftler geradewegs im Erfinden von innovativen Methoden, mit denen sich CO2 aus der Luft filtern ließe. Es finden sich spezielle Bio-Filter für Industrieschornsteine, chemische Strukturen mit einer hohen Bindungsfähigkeit und es finden sich außergewöhnliche Erfindungen, wie etwa das Fahrrad, das beim Fahren die Luft filtert. Diese und eine lange Reihe weiterer Erfindungen sind ein wichtiger Ansatz. Selbst, wenn sie einem Tropfen auf dem heißen Stein gleichen, so gestalten sie erweiterbare Ansätze. Darüber hinaus ergeben viele kleine Lösungen, die gemeinsam zum Einsatz kommen wiederum eine etwas größere Gesamtlösung.


Info zum Foto: Zunahme der CO2-Emissionen - gemessen am industriefernen Messpunkt Mauna Loa (Grafik: Gemeinfrei)

Chemische Strukturen oder Elemente mit hoher Bindungsfähigkeit

Ein Beispiel aus der Chemie für eine Bindungsmöglichkeit von CO2 stellt das Ätznatron NaOH dar. Dieser chemische Stoff besitzt für CO2 eine ausreichend hohe Bindungsfähigkeit, um einiges dieser chemischen Elemente zu binden. Fragwürdig ist hierbei möglicherweise das Risiko der Anwendung und der Stoff, der aus dieser Verbindung entsteht. Fraglich ist zudem auch die benötigte Menge, die das CO2 binden könnte. Andere Ansätze bietet das Geoengeneering im Bereich der Mineralien. Ein vielleicht besserer Ansatz, der ebenso bekannt ist, ist die Bindungsfähigkeit des Minerals Olivin. Laut Spiegel Online ist es möglich, mit in Wasser aufgelöstem Olivin den Säuregrad der Meere zu reduzieren und zugleich Kohlendioxid zu binden. Der Spiegel beschreibt hierbei eine Geoengeneering-Studie, an der das Alfred-Wegener-Institut beteiligt war und mit welcher auf die Effizienz und die Risiken solcher Maßnahmen abgezielt wurde. Interessant wäre diese Methode möglicherweise in Asien. Denn das Mineral wird in großen Mengen, etwa für die Glasherstellung temperaturbeständiger Gläser oder beispielsweise für die Verarbeitung zu Schmuck, in zahlreichen Ländern, wie Norwegen, Pakistan oder auch auf den kanarischen Inseln, abgebaut und teils in produzierende Länder transportiert. Die Olivin-Verwitterung hätte insgesamt eine positive Auswirkung, wenn sie nicht in Flüssen stattfindet. Denn der empfindsame pH-Wert kann hierdurch gestört werden. Man könnte mithilfe der Olivin-Verwitterung rund ein Zehntel des Kohlendioxids binden, so Spiegel Online.1)

Allerdings ist es so, dass für das Binden einer Tonne CO2 umgerechnet eine Tonne Olivin verwendet werden müsste. Dies wäre zumindest ein erster Ansatzpunkt, aber der Aufwand für ein derartiges Reinigungsverfahren wäre wohl enorm. Dennoch sorgt das Olivin in Wasser aufgelöst für eine Entsäuerung des Wassers. Somit wäre es für die Reinigung der Meere überaus wertvoll. Wichtig ist dabei eine Verbindung mit anderen Methoden, die sicherlich zu der Reinigung der Luft im schwer belasteten Asien beitragen könnte. Eine andere Variante versuchte sich an einer Verteilung von Olivin-Bröckchen auf einem übersäuerten Boden. Dieses Mineral zählt zu der Gruppe der Silikate. Es ist möglich das Mineral durch natürliche Einwirkung auf einem Boden zu Kieselsäure werden zu lassen. Kieselsäure ist ein beliebter und häufig angewandter Werkstoff, der in der Industrie auf vielerlei Art und Weise zu verwenden ist. Allerdings scheint diese Methode nicht sehr funktional, wenn der Stoff erst ausgebracht und dann das Endprodukt mühsam eingesammelt und gereinigt werden müsste. Interessant ist allerdings für solch einen Ansatz, dass Olivin nicht einmal als Stein abzubauen wäre, da es auch eine chemische Umwandlung von Asbest bei über 800 Grad C in Forsterit und Olivin gäbe.2) Abzuwägen wären dennoch der Energieaufwand und die Kosten für dergleichen Maßnahmen. Scheinbar beträgt die Aufnahmefähigkeit des Minerals nur einen überaus beschränkten Prozentsatz.

Gewinnung von Methan-Gas durch Umwandlung von CO2

CO2 und Methan gelten als die beiden gefährlichsten Klimagase. Methangas ist allerdings nicht nur ein klimagefährliches Gas, es ist ebenso ein nützliches Gas, welches etwa im Haushalt oder in Bio-Gasanlagen verwendet wird. Das Prinzip Power-to-Gas ist in der Lage, das klimaschädliche CO2 in das nützliche Gas Methan umzuwandeln. Dieses Verfahren verwendet überschüssigen Strom, um Erdgas zu erzeugen. Hierbei wird überschüssiger Strom aus Photovoltaik- und Windanlagen verwendet, um Wasserstoff zu erzeugen. Dieser Wasserstoff wird unter Verwendung von CO2 in Methan umgewandelt, welches sich in das Erdgasnetz einspeisen ließe. Empa-Forscher konnten diesen Prozess kürzlich optimieren. Erneuerbare Energien schaffen so nicht nur Strom, sondern sind mittels eines verhältnismäßig einfachen Prozesses in der Lage synthetisches "Erdgas" zu erzeugen. Ein neu entwickelter Katalysator sorgt dafür, dass der Energieaufwand für die Umwandlung geringer ist. Teil des neuen Katalysators ist Nickel, auf dem durch eine Sorptionskatalyse die Gasmoleküle einfacher miteinander reagieren.

Im nächsten Schritt haben Empa-Forscher Andreas Borgschulte und sein Team einen nanoskaligen Nickel-Katalysator mit Zeolith erweitert. Zeolithe sind kristalline Alumosilikate, die in der Lage sind, Wassermoleküle aufzunehmen, bei Erhitzung aber abzugeben. Das Prinzip basiert auf dieser chemischen Reaktion: In der Reaktion von Wasserstoff und CO2 entsteht Methan (CH4), aber auch Wasser (H2O). Dadurch, dass Wasser gebunden wird, verändert sich der Bindungsprozess zugunsten der Erzeugung von Methan. Auch die Katalyse verläuft dadurch noch erfolgreicher. Borgschulte sucht nach diesen Erfolgen nach Projektpartnern, die ein Pilotprojekt in großem Rahmen bauen können. Denn bislang war der Prozess nur im Labor durchgeführt worden, hat es aber noch nicht in die praktische Anwendung geschafft. Eine Methanisierungsanlage mit vier oder fünf Sorptionskatalysatoren könnte einen fließenden Prozess erzeugen, in dem mit Wasser gesättigte Katalysatoren dann durch die nächste, noch „trockene“ Maschine ergänzt werden. Ein problematischer Faktor im Prozess ist noch der Schwefel, der der Zeolith schadet und erst herausgefiltert werden muss. An diesem Prozess arbeiten die Forscher derzeit. Darüber hinaus versuchen sie noch geeignetere Katalysatoren als Nickel und Zeolith zu finden, die ohne Nebenprodukte arbeiten. Ein großer Gewinn wäre solch eine Anlage für die vollständige Nutzung von Ökostrom, der sonst nur in Inselanlagen zu speichern wäre oder in ein Netz eingespeist werden müsse.3)

Effiziente und kostengünstige Maßnahmen

Die beste Möglichkeit für die Aufnahme von CO2 bietet in der gesamten Natur immer noch das Material Holz. Letztendlich geht es darum, Tonnen von CO2 aufzunehmen. Ein Baum nimmt in seinem Leben viele Tonnen des Treibhausgases auf und ist damit ein überaus effizienter Verwerter von CO2. Wichtige Faktoren sind dabei die Baumart, die Holzdichte, das Alter und die Zuwachsrate des Baumes. Eine Buche - zum Beispiel - mit einer Höhe von 23 Metern und einem Durchmesser von etwa 30 Zentimetern auf einer Stammhöhe von 1,30 Metern: Solch ein Baum ist in der Lage etwa 550 kg Trockenmasse in seinen Blättern, Ästen und in seinem Stamm zu speichern. Werden die Wurzeln noch mit hinzu gerechnet, dann sind es rund 600 kg Trockenmasse, die gebunden wird und die in der Lage ist eine Tonne CO2 zu binden. Allerdings muss eine Buche rund 80 Jahre lang wachsen, um eine Tonne CO2 zu binden.4) Der Faktor Zeit scheint ein großer Haken dieser Methode zu sein. Laut dieses Modells, welches in einem Fachartikel des Handelsblattes beschrieben wird, kann solch ein Baum aber in einem Jahr 12,5 Kilo CO2 binden. Würden wichtige Waldflächen wieder aufgeforstet, wäre der Effekt solch einer Maßnahme aber beträchtlich. Allerdings binden junge Bäume nur wenig Treibhausgas und sind erst im Alter in der Lage, große Mengen zu speichern.

Innovative Design-Ideen

Nicht nur die Vermeidung von Treibhausgasen direkt an Fabriken ist ein wichtiges Thema, sondern auch die Reduktion von vorhandenen Treibhausgasen. Hierbei ist es nicht einmal notwendig, dass hochkomplexe Maßnahmen veranschlagt werden. Denn es gibt beispielsweise auch einfallsreiche Ansätze, die insbesondere in schwer belasteten städtischen Gebieten in China zum Einsatz kommen könnten. In Städten, wie Bangkok oder Shanghai, leiden die Bürger bereits seit langem unter schwerem Smog, der immer wieder über den Städten entsteht und über viele Wochen bestehen bleibt. Ein effizientes Beispiel ist die Erfindung des Air Purifier Bikes. Dieses Fahrrad wurde in Bangkok erfunden und entwickelt, mit dem direkten Ziel die Luft in Städten, wie dieser, zu verbessern. Das Fahrrad besitzt einen Luftfilter im Lenker. Dort wird einströmende Luft durch den Rahmen und wieder nach außen geleitet. Aus dem Rahmen strömt nur noch Sauerstoff. Das Prinzip selbst soll auf Photosynthese basieren, aber die Hersteller verraten nicht genau, wie der Filter funktioniert. Es soll sich aber scheinbar um einen Bio-Filter handeln. Dieses Konzept ist erst gegen Ende des Jahres 2013 mit dem Red Dot Design Award ausgezeichnet worden und scheint nun auf seine Markteinführung zu warten. Obwohl diese Idee auf den ersten Blick wundervoll klingt, besitzt auch sie eine Schwachstelle. Denn in dem Fahrrad befinden sich für diesen Reinigungsvorgang ein Motor, eine Batterie und ein Wassertank. Das zusätzliche Gewicht ist sicherlich eine Belastung für einen Fahrer und bringt für diesen zudem nicht direkt frische Atemluft beim Fahren, sondern lässt die frische Luft hinter sich. Allerdings wäre dies schon einmal ein Anfang für die Lösung des Problems und eignete sich dennoch für schwer verschmutzte Städte. Wiederum ein Vorteil und ein Pluspunkt für das Fahrrad ist die Tatsache, dass der Filter auch im Stand arbeitet. Die Photosynthese findet also auch im Stand durch Batteriestrom statt. Ließe man derartige Filter an großen Plätzen stehen, ob nun mit oder ohne Fahrrad, so wäre dies ein deutlicher Beitrag zur Verbesserung der Luft. Optimal wird das System aber durch Pedalkraft angetrieben und ist sogar in der Lage Feinstaub aufzufangen. Ein grüner Teil des Rahmens nimmt Sonnenlicht auf und wandelt dieses in Energie um, die in der Batterie speicherbar ist.5)

Ein kluger Mix aus Lösungen

Mit großer Sicherheit wird sich kaum eine einzige, kompakte Lösung finden lassen, die für eine sofortige Verbesserung der Luft sorgen kann. Dies scheint allen Wissenschaftlern klar zu sein. Aus diesem Grund sollte nicht jede Methode kategorisch abgelehnt, sondern von entscheidungstragenden Stellen ein intelligenter Mix aus Maßnahmen zusammengestellt werden. Nur so kann ein schneller und effizienter Anfang gefunden werden, um eine sauberere Luft zu erhalten. Bisherige Klimakonferenzen führten in einigen wichtigen Ländern bereits zu ersten Maßnahmen für die Reduktion eines Ausstoßes. Allerdings gibt es immer noch zahlreiche Nationen, die eine aktive Beteiligung an der Rettung des Klimas nicht aktiv zulassen. Folglich sollten alle möglichen Maßnahmen in Betracht gezogen werden, um überhaupt einen ersten Schritt zu tun. Debatten um den Ausstoß von Treibhausgasen finden bereits seit Jahrzehnten statt und führten in den Augen von Umweltschützern noch nicht zu zufriedenstellenden Ergebnissen.

Quellen:
1. http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/geoengineering-mineral-olivin-koennte-grosse-mengen-co2-binden-a-728145.html
2. http://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/Mineralienportrait/Olivin/Verwendung%20von%20Olivin
3. http://klimaschutz-netz.de/index.php/erde-und-mensch/838-kuenstliches-erdgas-aus-ueberschuessigem-strom
4. http://www.handelsblatt.com/technologie/energie-umwelt/klima-orakel/klima-orakel-wie-viele-baeume-sind-noetig-um-eine-tonne-co2-zu-binden/3201340.html
5. http://www.pressetext.com/news/20131217003