Kraftstoffe aus Sonnenlicht?
"Es funktioniert wie ein perfekt synchronisierter Staffellauf"
Der Ozean ist die größte dynamische Kohlenstoffsenke der Erde und absorbiert jährlich 400 Millionen Tonnen Kohlendioxid (CO₂) durch den kontinuierlichen Austausch mit der Atmosphäre. Forscher in Yale haben nun ein effizientes System zur Gewinnung und Umwandlung von gelöstem CO₂ in saubere Kraftstoffe und nützliche industrielle Rohstoffe entwickelt. Dieser in Nature Communications veröffentlichte Durchbruch könnte das Meerwasser in eine nachhaltige Quelle für kohlenstoffbasierte Produkte verwandeln und gleichzeitig dazu beitragen, den CO₂-Gehalt im Meer auszugleichen.
Professor Shu Hu von der Abteilung für Chemie- und Umwelttechnik und Mitglied des Yale Energy Sciences Institute leitete das Projekt und beschreibt das System als "solarbetriebene, ozeanbasierte Kohlenstoffabscheidung und -umwandlung". Oder, einfacher ausgedrückt, es stellt "Kraftstoffe aus Sonnenlicht" her. Das Team nutzt Sonnenlicht, um den im Meerwasser gelösten Kohlenstoff in Synthesegas umzuwandeln - ein Synthesegas, das aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff besteht. Diese vielseitige Verbindung dient als wichtiger Baustein für die Herstellung wertvoller industrieller Chemikalien und Kraftstoffe.
Bisherige Versuche, die Sonnenenergie für die Umwandlung des im Meerwasser gelösten Kohlenstoffs in nützliche Produkte zu nutzen, standen vor großen Herausforderungen. Die extrem niedrige Konzentration von Karbonat-Ionen im Meerwasser macht es schwierig, sowohl eine hohe Energieeffizienz als auch eine selektive Produktbildung zu erreichen. Außerdem sind die vorhandenen Reaktoren auf Experimente im Labormaßstab beschränkt. Neben Katalysatoren wird ein Reaktordesign benötigt, das einen kontinuierlichen, großtechnischen Betrieb ermöglicht, um Kohlendioxid aus Meerwasser wirklich nutzen zu können.
Auf der Grundlage des Fachwissens der Hu-Gruppe bei der Entwicklung der Photokatalyse und des Reaktors, die die Nutzung von Licht für die chemische Umwandlung maximieren, entwickelten sie ein neues photoelektrochemisches Gerät. Sie nutzt ausschließlich Sonnenlicht, um im Meerwasser gelösten Kohlenstoff - hauptsächlich Bikarbonat - in Synthesegas zu verwandeln. Der Prozess ahmt nach, wie die Photosynthese in Meeresökosystemen funktioniert, und erreicht einen Wirkungsgrad von 0,71 % bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Treibstoff, was in etwa dem Wirkungsgrad von Algen bei der Umwandlung von Kohlenstoff entspricht. Noch bemerkenswerter ist die Entdeckung des Teams, dass die Selektivität der Reaktion trotz der nahezu Null-Konzentration von Karbonat im Meerwasser durch das Strömungsfeld im Reaktor stark beeinflusst werden kann. In statischem Meerwasser betrug der CO-Gehalt im Produkt nur 3 %. Unter den kontrollierten Strömungsbedingungen im Reaktor stieg der CO-Anteil jedoch auf 21 % an.
"Es funktioniert wie ein perfekt synchronisierter Staffellauf", erklärt Xiang Shi, Mitautor der Studie und Doktorand in Hus Labor. "Die Anode gibt Protonen und CO₂ an die Kathode ab, die dann zur Ziellinie sprintet - der Umwandlung. Durch diese Teamarbeit wird die gesamte Reaktion effizient zu Ende geführt. Wir haben dies erreicht, indem wir den Reaktor so konstruiert haben, dass der Strom zunächst durch die Anoden strömt, wo Wasser oxidiert wird und Protonen freigesetzt werden. Diese Protonen werden von der Strömung mitgerissen und lösen auf dem Weg eine Kaskade von Reaktionen aus, die Bikarbonat in gelöstes CO₂ umwandeln, das dann zu den nachgeschalteten Kathoden transportiert und reduziert wird."
Mit diesem Ansatz haben sie den Massentransferprozess der Reaktion gesteuert und den Fluss, der die Elektrodenoberfläche erreicht, reguliert. Auf diese Weise gelang es ihnen nicht nur, Kohlendioxid aus dem Meerwasser zu entfernen, sondern auch Sonnenlicht zu nutzen, um Treibstoff direkt aus dem Meer zu gewinnen.
Als Nächstes planen die Forscher, die Technologie des Systems zu verfeinern und es schließlich zu einem großtechnischen Reaktor auszubauen. Dank des modularen Reaktordesigns können diese Durchflusszellen zu schwimmenden Arrays im Quadratmetermaßstab zusammengesetzt werden. Diese schwimmenden Reaktoren nutzen die natürlichen Gezeiten und Meeresströmungen, um Meerwasser passiv durch das System zirkulieren zu lassen. Während das Meerwasser durch die Reaktoren fließt, wandeln sie unter Sonnenlicht kontinuierlich gelöstes CO₂ in Synthesegas um, das aufgefangen und zu Industrieanlagen transportiert werden kann, um es anschließend für die chemische Synthese oder die Kraftstoffherstellung zu nutzen.
"Wir hoffen, die großen schwimmenden Reaktoren auf dem Meer zu bauen, damit wir das Sonnenlicht und das Meerwasser direkt zur Herstellung von Solartreibstoffen nutzen können", sagte Hu.
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