27.09.2021 - University of Cincinnati

Eine Tankstelle auf dem Mars? Kohlendioxid-Reaktor macht Marstreibstoff

Chemieingenieure wandeln Treibhausgase in Treibstoff um: "In den nächsten 10 Jahren werden wir eine Menge Startup-Unternehmen haben, die diese Technik kommerzialisieren"

Ingenieure der University of Cincinnati entwickeln neue Methoden zur Umwandlung von Treibhausgasen in Treibstoff, um den Klimawandel zu bekämpfen und Astronauten vom Mars nach Hause zu bringen.

Jingjie Wu, Assistenzprofessor am UC College of Engineering and Applied Science, und seine Studenten verwendeten einen Kohlenstoffkatalysator in einem Reaktor, um Kohlendioxid in Methan umzuwandeln. Dieser Prozess, der nach dem verstorbenen französischen Chemiker Paul Sabatier als "Sabatier-Reaktion" bekannt ist, wird in der Internationalen Raumstation eingesetzt, um das Kohlendioxid aus der Atemluft der Astronauten zu entfernen und Raketentreibstoff zu erzeugen, der die Station in einer hohen Umlaufbahn hält.

Aber Wu denkt viel weiter.

Die Marsatmosphäre besteht fast vollständig aus Kohlendioxid. Die Astronauten könnten die Hälfte des Treibstoffs einsparen, den sie für den Rückflug benötigen, indem sie den Treibstoff nach ihrer Ankunft auf dem Roten Planeten selbst herstellen, so Wu.

"Es ist wie eine Tankstelle auf dem Mars. Man könnte problemlos Kohlendioxid durch diesen Reaktor pumpen und Methan für eine Rakete erzeugen", so Wu.

Die Studie der UC wurde in der Fachzeitschrift Nature Communications zusammen mit Mitarbeitern der Rice University, der Shanghai University und der East China University of Science and Technology veröffentlicht.

Wu begann seine Karriere in der Chemietechnik mit der Untersuchung von Brennstoffzellen für Elektrofahrzeuge, begann aber vor etwa 10 Jahren, sich in seinem Chemielabor mit der Umwandlung von Kohlendioxid zu beschäftigen.

"Ich erkannte, dass Treibhausgase in der Gesellschaft ein großes Problem darstellen würden", sagte Wu. "Viele Länder haben erkannt, dass Kohlendioxid ein großes Problem für die nachhaltige Entwicklung unserer Gesellschaft darstellt. Deshalb denke ich, dass wir Kohlenstoffneutralität erreichen müssen".

Die Regierung Biden hat sich zum Ziel gesetzt, die Treibhausgasemissionen bis 2030 um 50 % zu reduzieren und bis 2050 eine Wirtschaft zu schaffen, die sich auf erneuerbare Energien stützt.

"Das bedeutet, dass wir Kohlendioxid recyceln müssen", sagte Wu.

Wu und seine Studenten, darunter der Hauptautor und UC-Doktorand Tianyu Zhang, experimentieren mit verschiedenen Katalysatoren wie Graphen-Quantenpunkten - Schichten aus Kohlenstoff, die nur wenige Nanometer groß sind -, die die Ausbeute an Methan erhöhen können.

Laut Wu verspricht das Verfahren einen Beitrag zur Eindämmung des Klimawandels. Es hat aber auch einen großen kommerziellen Vorteil, da es als Nebenprodukt Kraftstoff produziert.

"Das Verfahren ist 100 Mal produktiver als noch vor 10 Jahren. Sie können sich also vorstellen, dass der Fortschritt immer schneller vonstatten gehen wird", so Wu. "In den nächsten 10 Jahren werden wir eine Menge Startup-Unternehmen haben, die diese Technik kommerzialisieren."

Wus Studenten verwenden verschiedene Katalysatoren, um nicht nur Methan, sondern auch Ethylen herzustellen. Ethylen gilt als die wichtigste Chemikalie der Welt und wird zur Herstellung von Kunststoffen, Gummi, synthetischer Kleidung und anderen Produkten verwendet.

"Grüne Energie wird sehr wichtig sein. In Zukunft wird sie einen riesigen Markt darstellen. Deshalb wollte ich daran arbeiten", sagte Zhang.

Die Synthese von Kraftstoff aus Kohlendioxid wird sogar noch rentabler, wenn sie mit erneuerbaren Energien wie Sonnen- oder Windenergie gekoppelt wird, sagte Wu.

"Im Moment haben wir überschüssige grüne Energie, die wir einfach wegwerfen. Wir können diese überschüssige erneuerbare Energie in Chemikalien speichern", sagte er.

Das Verfahren ist skalierbar für den Einsatz in Kraftwerken, die Tonnen von Kohlendioxid erzeugen können. Und es ist effizient, da die Umwandlung genau dort stattfinden kann, wo das überschüssige Kohlendioxid produziert wird.

Wu sagte, dass die Fortschritte bei der Kraftstoffherstellung aus Kohlendioxid ihn zuversichtlicher machen, dass Menschen noch zu seinen Lebzeiten auf dem Mars landen werden.

"Wenn man jetzt vom Mars zurückkommen will, muss man doppelt so viel Treibstoff mitnehmen, was sehr schwer ist", sagte er. "Und in Zukunft wird man andere Brennstoffe brauchen. Wir können also Methanol aus Kohlendioxid herstellen und es für die Produktion anderer nachgelagerter Materialien verwenden. Dann könnten wir vielleicht eines Tages auf dem Mars leben."

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