Wissenschaftler der ETH Zürich haben biologisch abbaubare Proteinkügelchen entwickelt, die aus Abfällen der Milch- und Tofuproduktion hergestellt werden und Kohlendioxid direkt aus der Atmosphäre einfangen. Das innovative Material, beschrieben in der Fachzeitschrift Nature Reviews Materials, bietet eine effizientere und umweltfreundlichere Alternative zu vielen bestehenden Technologien zur Kohlenstoffabscheidung. Durch die Umwandlung von Nebenprodukten der Lebensmittelindustrie in ein Werkzeug im Kampf gegen den Klimawandel haben die Forscher einen kreativen Ansatz für zwei drängende Umweltprobleme gleichzeitig aufgezeigt.
Die Kügelchen entstehen in einem mehrstufigen Verfahren, das mit der Extraktion von Proteinen aus Molke, einem flüssigen Nebenprodukt der Käseherstellung, und aus dem Abwasser der Tofuproduktion beginnt. Die Forscher formten diese extrahierten Proteine zu sogenannten Amyloid-Fibrillen, langen, fadenförmigen Strukturen mit bemerkenswerter Stabilität. Die Fibrillen vereinigten sie anschließend mit Kaliumhydroxid und verarbeiteten sie zu porösen Kügelchen mit einem Durchmesser von 0,5 bis 1 Zentimeter. Das resultierende Material ähnelt kleinen Schwämmen, die Kohlendioxid aus der Umgebungsluft aufnehmen.
In Labortests zeigten die Kügelchen beeindruckende Leistungen. Ein Gramm des Materials fing 97 Milligramm Kohlendioxid aus der Umgebungsluft ein, eine Rate, die sich im Vergleich mit vielen kommerziell verfügbaren Lösungen zur Kohlenstoffabscheidung sehen lassen kann. Das in die Kügelchenstruktur eingebettete Kaliumhydroxid reagiert mit atmosphärischem CO2 und bindet es im porösen Netzwerk. Besonders vielversprechend ist, dass die Kügelchen das eingefangene Kohlendioxid bei Raumtemperatur freisetzen, anders als viele herkömmliche Systeme, die energieintensive Erhitzungsprozesse zur Regeneration des Absorptionsmaterials benötigen.
Der Freisetzungsmechanismus bei Raumtemperatur stellt einen erheblichen Vorteil gegenüber bestehenden Technologien dar. Herkömmliche Systeme zur Kohlenstoffabscheidung erfordern oft das Erhitzen der Materialien auf mehrere hundert Grad Celsius, um gebundenes CO2 freizusetzen, wobei erhebliche Energiemengen verbraucht werden und der Umweltnutzen der Kohlenstoffabscheidung teilweise wieder aufgehoben wird. Die ETH-Zürich-Kügelchen umgehen diesen Energieengpass vollständig, was die Technologie potenziell weitaus praktischer und kosteneffizienter für den breiten Einsatz in Industrie und Gewerbe macht.
Die Forscher betonten, dass die Technologie von Anfang an auf Skalierbarkeit ausgelegt ist. Das sprühbasierte Herstellungsverfahren für die Kügelchen ist mit bestehenden industriellen Produktionstechniken kompatibel, sodass Fabriken die Technologie ohne völlig neue Fertigungsinfrastruktur übernehmen dürften. Da die Kügelchen zudem biologisch abbaubar sind, erzeugen sie nicht die dauerhaften Abfallströme, die mit synthetischen Materialien zur Kohlenstoffabscheidung verbunden sind, welche häufig auf erdölbasierten Polymeren beruhen, die jahrzehntelang in der Umwelt verbleiben.
Die Entwicklung zeigt eindrucksvoll, wie Kreislaufwirtschaft funktionieren kann: Abfall einer Industrie wird zur wertvollen Ressource für eine andere. Die globale Milch- und Tofuindustrie erzeugt jährlich Millionen Tonnen proteinreichen Abwassers, von dem ein Großteil derzeit in Kläranlagen landet oder in die Umwelt gelangt. Indem das ETH-Zürich-Team diese Nebenprodukte in Materialien zur Kohlenstoffabscheidung umleitet, hat es einen Weg identifiziert, der gleichzeitig Lebensmittelabfälle reduzieren, den atmosphärischen CO2-Gehalt senken und ein wirtschaftlich tragfähiges Produkt für den wachsenden Markt der Kohlenstoffabscheidung liefern dürfte.
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