CO₂ direkt aus der Luft zu filtern, gilt als wichtiger Baustein auf dem Weg zu Netto-Null-Emissionen. So genannte «Direct Air Capture»-Technologien verwenden dafür Ventilatoren, die grosse Luftmengen durch poröse Filtermaterialien blasen. Dabei bleibt das Kohlendioxid im Adsorber hängen. Anschliessend wird dieser abgetrennt und – häufig im Vakuum und mithilfe von Wasserdampf – erhitzt, damit das CO₂ wieder freigesetzt und «eingesammelt» werden kann. Das funktioniert, ist aber komplex, energieintensiv und teuer: Die Konzentration von CO₂ in der Luft liegt nur bei rund 430 ppm («parts per million») – für die Abscheidung eine sehr geringe Konzentration, für das Klima jedoch bereits deutlich zu hoch. Entsprechend müssen enorme Luftmengen bewegt werden, um relevante Mengen des Treibhausgases zu gewinnen.
Der neue Ansatz der Empa ist deshalb bewusst anders gedacht als bestehende Verfahren. Er setzt nicht auf möglichst hohe Speicherkapazität pro Zyklus, sondern auf Geschwindigkeit. «Wir sammeln pro Durchgang deutlich weniger CO₂ und kompensieren dies durch schnellere Zyklen», sagt Empa-Forscherin Sandra Galmarini. Statt mehrere Minuten soll ein Zyklus weniger als eine Sekunde dauern.

Dünne Beschichtung statt poröser Filter
Möglich werden soll dies dank ultradünner Beschichtungen aus amin-haltigen Materialien. Anders als herkömmliche Filtermaterialien nehmen sie CO₂ nicht tief in ihrem Innern auf, sondern binden es direkt an der Oberfläche. «Wenn man das Adsorptionsmaterial auf eine Fläche oder sehr wenig Volumen reduziert, bindet zwar weniger CO₂ pro Zyklus, aber der Prozess lässt sich dank der geringen thermischen Masse deutlich beschleunigen », sagt Empa-Forscher Dirk Hegemann. Der Vorteil: Beim Freisetzen des CO₂ muss deutlich weniger Material erwärmt werden als bei herkömmlichen Adsorbern. Dadurch sinkt der Energiebedarf pro abgeschiedenem CO₂-Molekül. Gleichzeitig werden die schnellen Wechsel zwischen Aufnahme und Freisetzung erst möglich, weil die dünnen Schichten rasch aufgeheizt und wieder abgekühlt werden können.
Laut den Empa-Forschenden lässt sich der neue Ansatz anschaulich mit einem Förderband vergleichen: Eine dünn beschichtete Oberfläche bewegt sich – etwa über rotierende Zylinder – kontinuierlich durch zwei getrennte Bereiche. Auf der einen Seite strömt Umgebungsluft vorbei und CO₂ lagert sich an der Oberfläche an. Auf der anderen Seite wird die Beschichtung erwärmt und einem reduzierten Druck ausgesetzt, sodass das CO₂ wieder freigesetzt und angereichert werden kann. Danach ist die Oberfläche bereit für die nächste Runde. Ein entscheidender Vorteil liegt darin, dass Adsorption und Desorption zwar räumlich getrennt, aber durch das bewegte Material nahtlos miteinander verbunden sind. Um CO₂ aufzunehmen, sind grosse Luftvolumen und genügend Platz nötig, damit Luft am Material vorbeiströmen kann. Für die Freisetzung dagegen ist ein möglichst kleines Gasvolumen vorteilhaft, weil dann weniger Energie für Vakuum und Aufheizen benötigt wird.

Baukastensystem mit Potenzial
Die Idee entstand im Rahmen der gross angelegten Forschungsinitiative «Mining the Atmosphere». Dort untersuchten Empa-Forschende aus den Teams von Sandra Galmarini, Dirk Hegemann und Dorina Opris sowie Manfred Heuberger verschiedene ultradünne Beschichtungen und führten erste Strömungs- und Prozesssimulationen durch. Die Resultate zeigten: Eine schnelle Aufnahme von CO₂ könnte prinzipiell möglich und konkurrenzfähig sein. Allerdings fehlen bisher die experimentellen Möglichkeiten, um die entscheidenden Prozesse in Sekundenbruchteilen tatsächlich zu messen. Im Zentrum steht deshalb zunächst die Entwicklung einer neuartigen Messplattform. Mit ihr wollen die Forschenden erstmals verfolgen, wie schnell CO₂ an ultradünnen Schichten gebunden und wieder freigesetzt wird. «Anhand dieser Daten wollen wir zeigen, ob wir auf genug CO₂ pro Volumen und Zeiteinheit kommen, um mit aktuellen Technologien mithalten zu können», sagt Galmarini. Während sich Dirk Hegemann der Funktionalisierung der Oberflächen mittels Plasmabeschichtung widmet, ist eine Testanlage letztlich essenziell. Mit ihr sollen unter anderem die Stabilität der Dünnschichten über viele Zyklen hinweg sowie Dichtungen und Druckzonen bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten untersucht werden.
Neben der Geschwindigkeit sehen die Empa-Forschenden weitere Vorteile. Dünn beschichtete Oberflächen benötigen weniger Material und lassen sich einfacher austauschen als heutige hochspezialisierte Adsorbermaterialien. Zudem könnte die rotierende Bewegung des beschichteten Materials selbst dazu beitragen, Luft zu transportieren und damit den Energieaufwand für Ventilatoren verringern. Auch ist der Ansatz laut Hegemann als modularer Baukasten gedacht: «Statt solche Anlagen immer grösser und technisch komplexer zu bauen, könnten viele kleinere Einheiten kombiniert werden.» Galmarini ergänzt: «Heutige Technologien machen vor allem in grossen Anlagen Sinn. Mit unserem Ansatz hätten wir auch die Möglichkeit, kleinere und somit flexiblere Anlagen zu betreiben.» Obwohl noch vieles offen ist, sehen die Forschenden grosses Potenzial. Ziel ist letztlich nicht nur die CO₂-Abscheidung, sondern eine gesamtheitliche Prozesskette ganz im Sinne von «Mining the Atmosphere», um aus eingefangenem Kohlenstoff wieder verwertbare Materialien und Chemikalien herzustellen.