Mit Licht Kunststoffe bauen und brechen
TU/e-Chemiker stellt bahnbrechende, mit LED-Licht betriebene Kreislauftechnologie vor.
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Was wäre, wenn das Recycling von Kunststoffen so einfach wäre wie das Umlegen eines Schalters? An der TU/e lässt Assistenzprofessor Fabian Eisenreich diese Vision Wirklichkeit werden, indem er LED-Licht verwendet, um eine neue Klasse von Hochleistungskunststoffen zu erzeugen und abzubauen. Dieses innovative Material ermöglicht ein echtes Kreislaufrecycling, da dieser Prozess ohne Qualitätsverluste immer wieder wiederholt werden kann. Die in der Rising Stars-Ausgabe von Advanced Materials veröffentlichte Forschungsarbeit stellt einen Durchbruch in der nachhaltigen Chemie dar und könnte die Art und Weise, wie wir in Zukunft mit Kunststoffabfällen umgehen, neu gestalten.
Die Doktorandin Ahsen Sare Yalin (links) und Assistenzprofessor Fabian Eisenreich arbeiteten gemeinsam an einer Kreislauftechnologie unter Verwendung eines Photoreaktors.
Roegaya Sabera
Durch Lichteinwirkung werden stabile chemische Bindungen in der Polymerkette gespalten, wodurch die ursprünglichen Bausteine wiederhergestellt werden können.
Fabian Eisenreich
"Wir sind eigentlich Molekulardesigner", so beschreibt Eisenreich sich und seine Kollegen aus der Forschungsgruppe Polymer Performance Materials. In ihren Labors am Fachbereich Chemieingenieurwesen und Chemie geht es genau darum: "Unser Forschungsschwerpunkt ist das 'Design for Recycling'. Wir entwickeln neue Polymere, um innovative Recyclingstrategien für Kunststoffe zu ermöglichen. Gleichzeitig verwenden wir organische (biobasierte) Materialien, vermeiden giftige Stoffe und minimieren den Abfall, um den gesamten Prozess so nachhaltig wie möglich zu gestalten."
Qualität der Polymerketten verschlechtert sich
Diese Polymere werden entwickelt, um ein chemisches Kreislaufrecycling zu ermöglichen, das oberste Ziel der Forschungsgruppe. "Kunststoffe bestehen in der Regel aus formbaren Polymerketten. Durch die derzeitige Art und Weise, wie Kunststoffe üblicherweise recycelt werden - kurz gesagt: Erhitzen, Schmelzen und Umformen - verschlechtert sich die Qualität dieser Polymerketten mit der Zeit. Man kann also nicht unbegrenzt so weitermachen, was bedeutet, dass irgendwann ohnehin neuer Kunststoff hergestellt werden muss.
Chemisches Recycling in geschlossenen Kreisläufen ist daher die ideale Alternative, so Eisenreich: "Mit der richtigen chemischen Reaktion kann eine Polymerkette selektiv in ihre ursprünglichen Bausteine zerlegt werden. Diese können dann wiederverwendet werden, um genau das gleiche Polymer mit identischen Eigenschaften und gleicher Qualität herzustellen." Um dies zu erreichen, müssen Polymere entwickelt werden, die genau dieser Reaktion unterzogen werden können - daher der Schwerpunkt der Forschung der Gruppe Polymer Performance Materials.
Selektive Aufspaltung eines Polymers mit Licht
In diesem Zusammenhang verweist Eisenreich auf seine eigene Forschung zum photochemischen Recycling, das mit LED-Licht betrieben wird. "Die Herstellung von Polymeren mit Hilfe von Licht ist relativ einfach. Aber sie zu spalten und auf dieselbe Weise wieder herzustellen, also zu recyceln, ist viel komplizierter und daher ein ganz neuer Forschungszweig. Die Herausforderung besteht darin, mit Hilfe von Licht stabile chemische Bindungen innerhalb des Polymers selektiv zu spalten, so dass die ursprünglichen Bausteine wiedergewonnen werden können."
Kürzlich haben Eisenreich und Ahsen Sare Yalin, ein Doktorand im dritten Jahr in seiner Gruppe, diesen Trick in seinem Labor erstmals erfolgreich angewendet. Dies ist zu Recht eine Premiere und daher eine Veröffentlichung in der Rising Stars-Ausgabe der führenden wissenschaftlichen Zeitschrift Advanced Materials wert. Zwei großartige Leistungen, auf die man stolz sein kann, die aber auch den Auftakt zu den weiteren Vorteilen dieser neuen Recyclingtechnologie bilden.
Durch Lichteinwirkung werden stabile chemische Bindungen in der Polymerkette gespalten, wodurch die ursprünglichen Bausteine wiedergewonnen werden können. Illustration: Fabian Eisenreich
Die Art und Weise, wie wir mit Kunststoffabfällen umgehen, neu gestalten
"Wir sehen darin einen Durchbruch in der nachhaltigen Chemie, der die Art und Weise, wie wir in Zukunft mit Kunststoffabfällen umgehen, neu gestalten kann", sagt Eisenreich. "Im Moment ist unser Designerpolymer noch ein Nischenmaterial und daher nicht für alltägliche Kunststoffanwendungen geeignet. Stattdessen zielt es auf spezielle Anwendungen ab, zum Beispiel als recycelbarer Klebstoff, der stark an Glas und andere Kunststoffe bindet."
Letztlich soll die weitere Entwicklung die Anwendungsmöglichkeiten erweitern. Darüber hinaus sieht Eisenreich viel Potenzial in der Kreislaufwirtschaft mit Licht. "Ich arbeite auch daran, recycelbare Polymere mit Licht in 3D zu drucken, was ein sehr interessantes Verfahren ist. Man beginnt mit einem flüssigen Material, das eine feste Form annimmt, sobald Licht auf es fällt. Mit diesem Verfahren kann man komplexe 3D-Objekte drucken."
Sein heiliger Gral ist es, eines Tages das photochemische Recycling von herkömmlichen Kunststoffen nur mit Sonnenlicht zu realisieren. "Dann braucht man keine andere Energiequelle mehr, wie cool wäre das denn?" Eisenreichs chemischer Durchbruch wirft also nicht nur ein neues Licht auf das Kunststoffrecycling, sondern auch auf sein gesamtes Fachgebiet. "Es handelt sich nicht nur um ein neues Material. Es ist ein neuer Weg in die Zukunft."
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