Dringend benötigte Technik: Membran filtert Kohlendioxid aus der Luft

In der Atmosphäre ist zu viel Kohlendioxid, das die Klimaerwärmung befeuert. Man könnte es aus der Luft filtern. Doch bisher schlucken solche Verfahren viel Energie, etwa weil das Gasgemisch für die Trennung stark abgekühlt oder erhitzt werden muss. Viel sparsamer könnten spezielle neu entwickelte Membranen einzelne Gase aus der Luft filtern, schreiben jetzt Zachary Smith vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, USA, und Yan Xia von der Stanford Universität in Kalifornien im Fachblatt „Science“.

Die Idee, Gase über Membranen zu filtern, ist nicht neu, doch bislang waren die porösen Folien nicht allzu effektiv. Entweder strömte die Luft gut durch die Poren, aber die Gase wurden kaum voneinander getrennt, oder die Trennung funktionierte gut, dauerte aber viel zu lange. Erst mit der Entwicklung von „PIM-Membranen“ – Polymere mit integrierten Mikroporen – durch Neil McKeown von der Universität Edinburgh und Peter Budd von der Universität Manchester besserte sich die Situation. 2019 gelang es damit zum ersten Mal, nennenswerte Mengen Kohlendioxid aus der Luft zu fischen.

Mit Drill filtert es sich besser

PIM-Membranen bestehen aus langen organischen Molekül-Ketten, die ein wenig den beiden Strängen der Erbsubstanz DNA ähneln. So wie die beiden Holme einer Leiter mit Sprossen verbunden sind, halten chemische Bindungen auch die beiden Stränge der DNA oder eben der PIM-Ketten zusammen. Obendrein ist die Leiter auch noch verdrillt, was im Fall der PIM-Moleküle in der Membran offenbar entscheidend dafür ist, die Gase effektiver, energiesparender und damit kostengünstiger voneinander zu trennen als bisherige Methoden.

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Zachary Smith, Yan Xia und ihr Team hatten solche verdrillten Leiter-Moleküle zunächst mit einer chemischen Reaktion namens „Canal“ (catalytic arene-norbornene annulation) hergestellt. Dabei entstanden Membranen, die in der Fläche verdreht waren und Bändern ähnelten. Diese Strukturen lassen Gas zwar sehr gut durch ihre Mikroporen strömen, trennen die Komponenten dieser Mischung aber nur mäßig gut voneinander. Schon deutlich besser wurde die Selektivität zwischen verschiedenen Gasen, als die US-Forscher mit weiteren chemischen Bindungen diese zweidimensionalen Bänder zusätzlich in die dritte Dimension verdrehten. Die winzigen Mikroporen einer solchen Struktur vergrößern die Oberflächen einer Membran und lassen daher auch viel Gas durchströmen, erklärt Peter Budd, der an den Experimenten nicht beteiligt war.

Membranen könnten auch "grünen" Wasserstoff abtrennen

Die verdrehten Leitern solcher dreidimensionalen Strukturen sind zwar recht stabil, werden aber mit der Zeit gestaucht. Dieses „physikalische Altern“ verkleinert auch die Poren und damit die Oberfläche, so dass der Gasstrom sinkt. Bei den Canal-Strukturen aber passen gleichzeitig auch bestimmte Gas-Komponenten gerade noch durch die Poren, während andere sich kaum noch durchquetschen können. „Ähnlich wie ein guter Wein mit der Zeit noch besser wird, werden also auch die Gase mit dem Altern solcher Membranen effektiver getrennt“, kommentiert Budd die Membran-Technik der Kollegen in „Science“.

Die Canal-Membranen könnten daher künftig eine Technik sein, mit deren Hilfe zumindest ein wenig des Kohlendioxids wieder aus der Atmosphäre geholt werden könnte, das die industrialisierten Gesellschaften in den vergangenen Jahrhunderten in die Luft geblasen haben. Auch der Weltklimarat IPCC hält solche Techniken neben den Energiespar- und Energiewendemaßnahmen für notwendig, um den Anstieg der durchschnittlichen Temperaturen auf der Erde zu begrenzen.

Zumal die Membranen auch nachhaltig produzierten „grünen“ Wasserstoff von anderen Gasen abtrennen könnten, der für energieintensive Prozesse wie die Stahlproduktion benötigt wird. Dafür ist die Canal-Membran mit einer Dicke von 40 Mikrometer allerdings noch zu dick. Es bräuchte zwei Mikrometer dünne Folien. Es bleibt also noch Forschungs- und Entwicklungsbedarf.