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Graphen-Filter macht Kohlenstoffabscheidung effizienter und billiger
Einer der Hauptverursacher der globalen Erwärmung ist die grosse Menge an Kohlendioxid, die vor allem durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe und die Produktion von Stahl und Zement in die Atmosphäre gepumpt wird. Als Reaktion darauf haben Wissenschaftleinnen ein Verfahren erprobt, mit dem das überschüssige Kohlendioxid abgeschieden, in ein Lager transportiert und dann an einem Ort deponiert werden kann, an dem es nicht in die Atmosphäre gelangen kann.
Das Problem ist, dass die Abscheidung von Kohlenstoff aus Kraftwerken und industriellen Emissionen nicht sehr kosteneffizient ist. Der Hauptgrund dafür liegt darin, dass das Kohlendioxid nicht in reiner Form ausgestossen wird, sondern mit Stickstoff und anderen Gasen vermischt ist, und dass die Extraktion aus den Industrieabgasen zusätzlichen Energieverbrauch erfordert – was teuer werden kann.
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben versucht, einen energieeffizienten Kohlendioxid-Filter zu entwickeln. Diese als «Membran» bezeichnete Technologie extrahiert Kohlendioxid aus dem Gasgemisch, das dann entweder gespeichert oder in nützliche Chemikalien umgewandelt werden kann. «Die Leistung aktueller Kohlendioxidfilter wurde jedoch durch die grundlegenden Eigenschaften der derzeit verfügbaren Materialien begrenzt», erklärt Professor Kumar Varoon Agrawal von der Fakultät für Grundlagenwissenschaften der EPFL (EPFL Valais Wallis).
Jetzt hat Agrawal mit einem Team von Chemieingenieurinnen den weltweit dünnsten Filter aus Graphen entwickelt, dem weltberühmten «Wundermaterial», das 2010 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Doch der Graphen-Filter ist nicht nur der dünnste der Welt, er kann auch Kohlendioxid aus einem Gasgemisch abtrennen, beispielsweise aus Industrieabgasen, und das mit einer Effizienz und Geschwindigkeit, die die meisten aktuellen Filter übertrifft. Die Arbeit wurde in Science Advances veröffentlicht .
«Unser Ansatz war einfach», sagt Agrawal, «wir haben kohlendioxidgrosse Löcher in Graphen erzeugt, durch die Kohlendioxid hindurchströmen konnte, während andere Gase wie Stickstoff, die grösser als Kohlendioxid sind, blockiert wurden.» Das Ergebnis ist eine rekordverdächtige Kohlendioxid-Abscheideleistung.
Zum Vergleich: Derzeitige Filter müssen mehr als 1000 Gaspermeationseinheiten (GPUs) aufweisen, während ihre kohlenstoffabfangende Spezifität, die als «Kohlendioxid/Stickstoff-Trennfaktor» bezeichnet wird, über 20 liegen muss. Die von den EPFL-Forschenden entwickelten Membranen weisen mit 11.800 GPUs eine mehr als zehnfach höhere Kohlendioxid-Permeanz auf, während ihr Trennfaktor bei 22,5 liegt.
«Wir schätzen, dass diese Technologie die Kosten für die Kohlendioxidabscheidung auf fast 30 Dollar pro Tonne Kohlendioxid senken wird, im Gegensatz zu kommerziellen Verfahren, bei denen die Kosten zwei- bis viermal so hoch sind», sagt Agrawal. Sein Team arbeitet nun an der Skalierung des Prozesses durch die Entwicklung eines Pilotanlagen-Demonstrators zur Abscheidung von 10 kg Kohlendioxid pro Tag, in einem von der Schweizer Regierung und der Schweizer Industrie finanzierten Projekt.