Leichtbau : Kohlefasern aus Treibhausgas

Kohlenstofffasern sind beliebt im Fahrzeug- und Flugzeugbau. Ein neues Verfahren könnte die Herstellung billiger und klimafreundlich machen.

Federleicht. Für moderne Flugzeuge wie die Boeing-787 werden Kohlenstofffasern verwendet, um Gewicht zu sparen.
Federleicht. Für moderne Flugzeuge wie die Boeing-787 werden Kohlenstofffasern verwendet, um Gewicht zu sparen.Foto: REUTERS

Kohlenstofffasern werden als Leichtbaumaterial immer begehrter und finden sich unter anderem in Autos, Flugzeugen oder Windradflügeln. Weltweit werden jährlich knapp 100 000 Tonnen produziert, mit einem energieintensiven Pyrolyseverfahren. Amerikanische Chemiker haben nun eine Technik entwickelt, um Nanofasern aus Kohlenstoff aus dem Treibhausgas Kohlendioxid zu gewinnen. Wie sie auf der Jahrestagung der American Chemical Society in Boston berichten, könnten mit ihrer Methode nennenswerte Mengen an CO2 aus der Atmosphäre beseitigt werden. Auch den Strom für diesen Prozess gewannen sie klimafreundlich mit hoch effizienten Solarzellen.

Simple Herstellung im "Eintopf"

„Nanofasern aus Kohlenstoff können große Mengen Treibhausgas aus der Atmosphäre in kompakten, stabilen Produkten speichern“, sagt Stuart Licht von der George-Washington-Universität in Washington. Zusammen mit seinen Kollegen entwickelte er ein relativ einfaches Herstellungsverfahren, eine „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.

In diesem Tiegel liefen mehrere Reaktionen 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. zugleich entwich aus der Schmelze Sauerstoff. Nach dieser Elektrolyse blieb Lithiumoxid zurück, das wiederum mit CO2 zu neuem Lithiumcarbonat reagierte.

Herstellung bei Kohlefasern 100-mal höher als bei Aluminium

Analysen der Kohlenstoff-Ablagerungen an der Stahlelektrode zeigten, dass diese zu über 80 Prozent die gewünschten Fasern enthielten. Diese ließen sich auswaschen und zur weiteren Produktion hochwertiger Kohlefaser-Werkstoffe nutzen.

Maßgeblich für die Herstellung von Kohlenstofffasern ist der Energiebedarf. Heute liegt er fast um das Hundertfache höher als bei der bereits energieintensiven Aluminiumproduktion. Lichts Verfahren könnte diesen Energiebedarf deutlich senken. Zudem reichte für seine Elektrolyse der Strom aus, der von effizienten Solarzellen erzeugt wurde. Auch die Hitze zum Schmelzen des Lithiumcarbonats könnte mit solarthermischen Kraftwerken bereitgestellt werden, berichtet der Forscher.

Faserproduktion ist effektiver als CCS

Licht schätzte 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. Darüber hinaus sei diese Art der Faserproduktion weitaus effektiver und sinnvoller als die umstrittene und immer noch in Entwicklung stehende Lagerung von Kohlendioxid in tiefen Erdschichten. Dieses CCS-Verfahren (Carbon Capture and Storage) wird vor allem in Kanada vorangetrieben. (wsa)

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