Kohlefasern aus Treibhausgas

Kohlenstofffasern werden als Leichtbaumaterial immer begehrter und finden sich bereits in Autos, Flugzeugen oder Windradflügeln. Mit einem energieintensiven Pyrolyseprozess werden derzeit knapp 100 000 Tonnen jährlich produziert. Chemiker haben nun ein neues Verfahren entwickelt, um Nanofasern aus Kohlenstoff aus dem wichtigsten Treibhausgas in der Atmosphäre – Kohlendioxid – zu gewinnen. Wie sie auf der Jahrestagung der American Chemical Society in Boston berichten, könnten mit ihrer Methode signifikante Mengen CO₂ aus der Atmosphäre beseitigt werden. Auch den Strom für diesen Prozess gewannen sie klimafreundlich mit hocheffizienten Solarzellen.

Kohlenstofffasern unter Mikroskop

„Nanofasern aus Kohlenstoff können große Mengen Treibhausgas aus der Atmosphäre in kompakten, stabilen Produkten speichern“, sagt Stuart Licht von der George Washington University in Washington. Zusammen mit seinen Kollegen entwickelte er ein relativ einfaches Syntheseverfahren, eine sogenannte Eintopfreaktion. In einen hitzefesten Tiegel aus Aluminiumoxid füllten sie Lithiumcarbonat, schmolzen es bei über 723 Grad und mischten lösliches Lithiumoxid hinzu. In die Schmelze hielten sie Elektroden aus Stahl und Nickel.

Mehrere Reaktionen liefen nun in diesem Tiegel ab. Lithiumoxid reagierte mit dem Kohlendioxid in der Luft zu weiterem Lithiumcarbonat. Floss nun ein Strom über die Elektroden durch die Schmelze, spaltete sich Lithiumcarbonat elektrolytisch auf. An der Stahlelektrode lagerte sich – unterstützt durch winzige Nickelteilchen – reiner Kohlenstoff in Form von extrem dünnen Fasern ab. Die Länge dieser Kohlenstofffasern schwankte zwischen 20 und 200 Mikrometern bei Durchmessern von 200 bis 300 Nanometern. Parallel entwich der Schmelze Sauerstoff. Nach dieser Elektrolyse blieb Lithiumoxid zurück, das wiederum mit CO₂ zu neuem Lithiumcarbonat reagierte.

Um eine größtmögliche Ausbeute an Kohlenstofffasern zu erhalten, variierte Stuart Licht zahlreiche Parameter dieser Elektrolysereaktion. Er senkte den Schmelzpunkt durch Zugabe anderer Metallcarbonate, tauschte die Elektroden aus und veränderte systematisch Temperatur der Schmelze und Stromfluss. Analysen der Kohlenstoffablagerungen an der Stahlelektrode zeigten, dass diese zu über 80 Prozent die gewünschten Fasern enthielten. Diese ließen sich auswaschen und zur weiteren Produktion hochwertiger Kohlefaserwerkstoffe nutzen.

Von zentraler Bedeutung ist der Energiebedarf, um Kohlenstofffasern zu produzieren. Heute liegt er fast um das Hundertfache höher als der von der Produktion von Aluminium, welcher selbst schon sehr energieintensiv ist. Lichts Verfahren könnte diesen Energiebedarf deutlich senken. Zudem reichte für seine Elektrolyse der Strom aus, der von hocheffizienten Solarzellen erzeugt werden konnte. Auch die Hitze zum Schmelzen des Lithiumcarbonats könnte von solarthermischen Kraftwerken kommen.

Licht schätzt die Energiekosten für seine Faserproduktion auf etwa 1000 Dollar pro Tonne, wenn Strom und Wärme ausschließlich aus Sonnenlicht gewonnen werden. Das sei nur ein Hundertstel der gängigen Marktpreise. Weiter schlägt er vor, große Elektrolyse-Anlagen in sonnigen Wüstenregionen aufzubauen.

„Anlagen auf einem Areal von kaum einem Zehntel der Sahara könnten den CO₂-Anteil in der Atmosphäre binnen zehn Jahren auf einen vorindustriellen Wert senken“, sagt Licht. Das ist allerdings immer noch zweieinhalb Mal die Fläche Deutschlands. Trotzdem sei diese Art der Faserproduktion weitaus effizienter und sinnvoller als die umstrittene und immer noch in Entwicklung stehende Lagerung von Kohlendioxid in tiefen Erdschichten.