Es gibt zu viel Kohlendioxid in der Atmosphäre, das die globale Erwärmung antreibt. Sie könnten es aus der Luft filtern. Doch bisher verbrauchen solche Prozesse viel Energie, weil zum Beispiel das Gasgemisch für die Trennung stark gekühlt oder erhitzt werden muss. Spezielle neu entwickelte Membranen könnten einzelne Gase deutlich wirtschaftlicher aus der Luft filtern, schreiben Zachary Smith vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, USA, und Yan Xia von der Stanford University in Kalifornien im Fachblatt „Wissenschaft“.
Die Idee, Gase mithilfe von Membranen zu filtern, ist nicht neu, aber bisher waren die porösen Filme nicht sehr effektiv. Entweder strömte die Luft gut durch die Poren, aber die Gase wurden kaum getrennt, oder die Trennung funktionierte gut, dauerte aber viel zu lange. Erst mit der Entwicklung von „PIM-Membranen“ – Polymeren mit integrierten Mikroporen – durch Neil McKeown von der University of Edinburgh und Peter Budd von der University of Manchester verbesserte sich die Situation. 2019 gelang es erstmals, nennenswerte Mengen Kohlendioxid aus der Luft zu fischen.
Es filtert besser mit Bohrer
PIM-Membranen bestehen aus langen Ketten organischer Moleküle, die den zwei Strängen des genetischen Materials DNA etwas ähneln. So wie die beiden Arme einer Leiter mit Sprossen verbunden sind, halten auch chemische Bindungen die beiden DNA-Stränge oder die PIM-Ketten zusammen. Obendrein wird der Leiter verdrillt, was im Fall der PIM-Moleküle in der Membran offenbar entscheidend dafür ist, die Gase effektiver, energieeffizienter und damit kostengünstiger als bisherige Methoden voneinander zu trennen.
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Zachary Smith, Yan Xia und ihr Team stellten erstmals solche verdrillten Leitermoleküle mithilfe einer chemischen Reaktion namens „Canal“ (katalytische Aren-Norbornen-Anellierung) her. Dies führte zu Membranen, die über die Oberfläche verdreht waren und Bändern ähnelten. Diese Strukturen lassen zwar sehr gut Gas durch ihre Mikroporen strömen, trennen die Bestandteile dieser Mischung aber nur mäßig voneinander. Deutlich besser wurde die Selektivität zwischen verschiedenen Gasen, als die US-Forscher diese zweidimensionalen Bänder mit zusätzlichen chemischen Bindungen in die dritte Dimension verdrehten. Die winzigen Mikroporen einer solchen Struktur vergrößern die Oberfläche einer Membran und lassen daher viel Gas durchströmen, erklärt Peter Budd, der nicht an den Experimenten beteiligt war.
Membranen könnten auch „grünen“ Wasserstoff abtrennen
Obwohl die verdrillten Leiter solcher dreidimensionalen Strukturen recht stabil sind, werden sie mit der Zeit komprimiert. Diese „physikalische Alterung“ verkleinert auch die Poren und damit die Oberfläche, so dass der Gasfluss abnimmt. In den Kanalstrukturen passen jedoch bestimmte Gasbestandteile gerade so durch die Poren, während andere sich kaum durchquetschen können. „Ähnlich wie ein guter Wein mit der Zeit noch besser wird, werden mit der Alterung solcher Membranen auch die Gase besser getrennt“, kommentiert Budd die Membrantechnik der Kollegen in „Wissenschaft“.
Die Kanalmembranen könnten daher eine Zukunftstechnologie sein, die zumindest einen Teil des Kohlendioxids aus der Atmosphäre entfernen könnte, das Industriegesellschaften in den letzten Jahrhunderten in die Luft geblasen haben. Auch der Weltklimarat (IPCC) hält solche Technologien neben Energiespar- und Energiewendemaßnahmen für notwendig, um den Anstieg der Durchschnittstemperaturen auf der Erde zu begrenzen.
Zumal die Membranen auch nachhaltig produzierten „grünen“ Wasserstoff von anderen Gasen trennen könnten, der für energieintensive Prozesse wie die Stahlherstellung benötigt wird. Allerdings ist die Kanalmembran mit einer Dicke von 40 Mikrometern immer noch zu dick. Filme mit einer Dicke von zwei Mikrometern wären erforderlich. Es besteht also noch Forschungs- und Entwicklungsbedarf.