Wie passt die Fläche eines Fußballfeldes in ein Gramm Material? Die Antwort liegt in winzigen, porösen Kristallen, mit denen sich das Forschungsprojekt „CO₂ Separation“ an der Hochschule Schmalkalden beschäftigt. Das Team um Harshil Mistry, Manuela Rios und Martin Elsmann untersucht, wie sich damit Kohlenstoffdioxid aus industriellen Abgasen effizienter herausfiltern lässt. Im Mittelpunkt stehen sogenannte metallorganische Gerüstverbindungen, kurz MOFs, die künftig einen Beitrag zur klimafreundlicheren Industrie leisten könnten.
Ein wichtiger Anwendungsbereich ist die Zementproduktion. Bei der Herstellung von Zementklinker wird Kalkstein auf etwa 1.450 Grad Celsius erhitzt. Dabei entstehen erhebliche CO₂-Emissionen, die sich nicht allein durch den Einsatz erneuerbarer Energien vermeiden lassen. Verfahren zur Abscheidung des Treibhausgases gewinnen deshalb an Bedeutung.
Winzige Poren mit großer Wirkung
MOFs bestehen aus anorganischen Knotenpunkten und organischen Verbindungselementen. Ihre besondere Struktur bildet ein Netzwerk winziger Poren, in denen Gasmoleküle aufgenommen werden können. Die innere Oberfläche dieser Materialien ist außergewöhnlich groß: Ein Gramm MOF-200 verfügt über rund 6.000 Quadratmeter Oberfläche, bei MOF-210 sind es sogar mehr als 10.000 Quadratmeter. Das entspricht mehr als der Fläche eines Fußballfeldes.
Diese Eigenschaften will das Schmalkalder Forschungsteam für die Entwicklung leistungsfähiger Filtermembranen nutzen. Dafür werden die porösen MOFs mit organischen Polymeren kombiniert. Solche sogenannten Mixed-Matrix-Membranen sollen CO₂ gezielt abtrennen und zugleich eine effiziente Gasdurchleitung ermöglichen. Im Vergleich zu herkömmlichen Trennverfahren besteht das Potenzial, den Energiebedarf zu reduzieren.
Bis zum industriellen Einsatz sind allerdings noch einige Herausforderungen zu bewältigen. Die Membranen müssen unter anderem dauerhaft stabil, selektiv und durchlässig sein sowie hohen thermischen, mechanischen und chemischen Belastungen standhalten.
Von der Forschung zur Gründung
Erste MOFs konnten im Projekt bereits hergestellt werden. Auch erste Tests mit einer vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) in Hermsdorf bereitgestellten Membran verliefen erfolgreich. Als nächster Schritt soll ein Verfahren entwickelt werden, mit dem die Membranen bedruckt und die porösen Materialien gezielt integriert werden können. Dabei kommt es insbesondere darauf an, den Herstellungsprozess zuverlässig zu beherrschen und eine gleichbleibende Qualität sicherzustellen.
Langfristig verfolgt das Projekt auch eine unternehmerische Perspektive. Die Technologie soll möglichst einfach in bestehende Industrieanlagen integrierbar sein. Neben der Entwicklung und Herstellung der Membranen könnten perspektivisch auch Installation und Wartung Geschäftsmöglichkeiten eröffnen.
Gefördert wird „CO₂ Separation“ durch das EXIST-Programm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie sowie der Europäischen Union über den Europäischen Sozialfonds Plus. Das Programm unterstützt innovative Gründungsvorhaben aus Hochschulen und Forschungseinrichtungen auf dem Weg zu marktfähigen Unternehmen.
Das Projekt verdeutlicht zugleich, wie wichtig die Zusammenarbeit unterschiedlicher Fachrichtungen ist: Chemie, Materialwissenschaften, Ingenieurwesen und Wirtschaftswissenschaften greifen ineinander, um wissenschaftliche Erkenntnisse in technische Anwendungen und tragfähige Geschäftsmodelle zu überführen. Damit zeigt „CO₂ Separation“ beispielhaft, welches Potenzial in der Fächervielfalt der Hochschule Schmalkalden liegt – und wie interdisziplinäre Forschung zur nachhaltigen Transformation der Industrie beitragen kann.
