08.11.2021 - Aalto University

Solarzellen und Glas aus Holz - oder einer Milliarde Tonnen Bioabfall

Forscher zeigen, wie pflanzliche Biomasse in optischen Anwendungen nicht erneuerbare Ressourcen ersetzen könnte

Eine digitale, urbanisierte Welt verbraucht riesige Mengen an Rohstoffen, die kaum als umweltfreundlich bezeichnet werden können. Eine vielversprechende Lösung könnte in nachwachsenden Rohstoffen zu finden sein, so eine in Advanced Materials veröffentlichte Forschungsarbeit. In ihrer Arbeit hat die internationale Forschergruppe genau untersucht, wie Lignozellulose - oder pflanzliche Biomasse - für optische Anwendungen genutzt werden kann und damit möglicherweise gängige Materialien wie Sand und Kunststoffe ersetzt.

Wir wollten so umfassend wie möglich herausfinden, wie Lignozellulose die nicht erneuerbaren Ressourcen ersetzen könnte, die in weit verbreiteten Technologien wie intelligenten Geräten oder Solarzellen verwendet werden", sagt Jaana Vapaavuori, Assistenzprofessorin für funktionelle Materialien an der Aalto-Universität, die die Analyse zusammen mit Kollegen der Universität Turku, des schwedischen Forschungsinstituts RISE und der University of British Columbia durchgeführt hat.

Lignocellulose, ein Begriff, der Cellulose, Hemicellulose und Lignin umfasst, kommt in fast allen Pflanzen der Erde vor. Wenn Wissenschaftler sie in sehr kleine Teile zerlegen und wieder zusammensetzen, können sie völlig neue, brauchbare Materialien herstellen.

In ihrer umfassenden Untersuchung des Fachgebiets bewerteten die Forscher die verschiedenen Herstellungsverfahren und Eigenschaften, die für optische Anwendungen erforderlich sind, z. B. Transparenz, Reflexionsvermögen, UV-Lichtfilterung und Strukturfarben.

Durch die Kombination der Eigenschaften von Lignozellulose könnten wir lichtreaktive Oberflächen für Fenster oder Materialien schaffen, die auf bestimmte Chemikalien oder Dampf reagieren. Wir könnten sogar UV-Schutzmittel herstellen, die die Strahlung aufsaugen und wie ein Sonnenschutzmittel auf Oberflächen wirken", erklärt Vapaavuori.

Wir können Lignozellulose mit Funktionen ausstatten und sie leichter anpassen als Glas. Wenn wir zum Beispiel das Glas in Solarzellen durch Lignozellulose ersetzen könnten, könnten wir die Lichtabsorption verbessern und einen besseren Wirkungsgrad erzielen", sagt Kati Miettunen, Professorin für Werkstofftechnik an der Universität Turku.

Da Waldbiomasse bereits stark nachgefragt wird und riesige Kohlenstoffsenken für die Gesundheit des Planeten entscheidend sind, verweisen die Forscher als Quelle für Lignozellulose auf das, was nicht genutzt wird: mehr als eine Milliarde Tonnen Biomasseabfälle, die jedes Jahr von Industrie und Landwirtschaft erzeugt werden.

Es gibt ein riesiges ungenutztes Potenzial in den Lignozellulose-Resten aus anderen Industrien", betont Vapaavuori.

Im Moment sind die Forscher noch dabei, biobasierte Materialien zu untersuchen und Prototypen zu entwickeln. An der Aalto-Universität zum Beispiel haben Wissenschaftler leichte Fasern und lichtreaktive Stoffe entwickelt.

Vapaavuori sagt, dass der Sprung zur Skalierung und Kommerzialisierung auf zwei Arten erreicht werden könnte.

Entweder schaffen wir durch staatliche Vorschriften neue Verwendungsmöglichkeiten für biobasierte Abfälle, oder die Forschung bringt so coole Demos und Durchbrüche hervor, dass die Nachfrage nach erneuerbaren Alternativen für optische Anwendungen steigt. Wir glauben, dass wir beides brauchen: eine politische Richtung und solide Forschung.

Ein Haupthindernis für die Entwicklung und Kommerzialisierung von Innovationen auf Lignozellulosebasis waren die Herstellungskosten. Die Nanocellulose wurde bereits Anfang der 2000er Jahre in Betracht gezogen, aber erst jetzt sind der Energieverbrauch und die Produktionskosten so weit gesunken, dass eine industrielle Nutzung möglich ist. Eine weitere anhaltende Herausforderung liegt in einem einfachen, aber grundlegenden Bestandteil der Verarbeitung: Wasser.

Zellulose liebt Wasser. Um sie für optische Anwendungen nutzen zu können, müssen wir einen Weg finden, sie unter feuchten Bedingungen stabil zu machen", sagt Vapaavuori.

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