Magnetrecycling lohnt sich

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.07.2022

Magnete sind wertvolle Bauteile. Obwohl in den vergangenen Jahren funktionierende Magnetrecyclingmethoden entwickelt wurden, finden diese in der Praxis bisher keine Anwendung und Magnete werden weiterhin im Stahlschrott eingeschmolzen. Forschende der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS liefern gute Argumente, wieso sich dies in Zukunft ändern sollte: In ihrem Projekt »FUNMAG« zeigen sie, dass der Einsatz von recycelten Magneten in Bereich der E-Mobilität ohne Leistungseinbußen in der Motorleistung möglich ist und es sich lohnt, eine Wertschöpfungskette für großflächiges Magnetrecycling aufzubauen.

Die Welt setzt auf Elektromobilität. Die Branche wächst kontinuierlich und ist im Zuge der Energiewende auch politisch von großer Bedeutung. So plant beispielsweise die Bundesregierung, dass in Deutschland bis 2030 sieben bis zehn Millionen Elektrofahrzeuge zugelassen sind. Damit ein Elektromotor funktioniert, darf dabei ein Bestandteil auf keinen Fall fehlen: Neodym-Eisen-Bor-Hochleistungspermanentmagnete. Sie sind die leistungsstärksten Magnete, die es derzeit auf dem Markt gibt, machen etwa die Hälfte der Motorkosten aus und enthalten, wie der Name schon verrät, unter anderem Seltene Erden wie Neodym oder Dysprosium. Der wichtigste Lieferant für Seltene Erden ist China. Dort werden über 90 Prozent des weltweiten Bedarfs abgebaut – und das unter kritischen Bedingungen. So werden während der Förderung giftige Beiprodukte freigesetzt, die bei mangelnder Vorsicht zu einer Verunreinigung des Grundwassers führen. Dies schadet Mensch und Natur.

Trotz dieser teuren und problematischen Herstellung landen Magnete am Ende ihrer Nutzungszeit in der Regel auf dem Schrottplatz und werden dort zusammen mit dem Stahlschrott eingeschmolzen. Und das, obwohl es mittlerweile Methoden zum Recycling von Magneten gibt, die erwiesenermaßen funktionieren. Diese Lücke zwischen Theorie und Praxis wollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS in Hanau mit ihrem Projekt »Funktionelles Magnetrecycling für eine nachhaltige E-Mobilität – FUNMAG« schließen. Gefördert von der Hessen Agentur will das Forscherteam nachweisen, dass Elektromotoren mit recycelten Altmagneten dieselbe Leistung erbringen können wie mit ihren ursprünglichen Neumagneten, und es sich daher lohnt, kommerzielles Magnetrecycling im großen Maßstab durchzuführen.

Arbeit mit »bunten Blumensträußen«

Für die damit verbundenen Versuche habe sich das Institut unter anderem ein E-Bike, einen E-Scooter und ein Hoverboard angeschafft, erzählt Konrad Opelt, Leiter des Projekts und studierter Materialwissenschaftler: »Bei allen neuen Fahrzeugen haben wir zunächst ausführlich den Motor charakterisiert, um relevante Kennwerte zu erhalten, mit denen wir dann später die Leistung der Motoren mit den recycelten Magneten vergleichen können.«

Die Elektrofahrzeuge stellen den Rahmen des Projekts dar. Das Kernstück aber ist die Arbeit mit den Altmagneten. Diese konnten über bestehende Kontakte mit Industriepartnern im Tonnenmaßstab beschafft werden und unterscheiden sich in Leistung, Form und Beschaffenheit maßgeblich. »Uns war es enorm wichtig, den realistischen Fall abzubilden«, erklärt Opelt. »Wenn sich ein Schrotthändler dazu entschließt, die Magnete aus seinen deponierten Altmotoren zu separieren, wird das in der Regel ein bunter Blumenstrauß von unterschiedlichsten Magneten sein, deren genaue Eigenschaften niemand kennt. Unser Ziel war es daher zu zeigen, dass der Recyclingprozess auch mit undefiniertem Ausgangsmaterial, dieser Unbekannten im Prozess, umgehen kann. Und das hat vor uns noch niemand gemacht.«

Aus Alt mach Neu

Am Fraunhofer IWKS beschäftigt man sich seit Jahren mit der Herstellung und dem Recycling von Magneten und entsprechende Räumlichkeiten und Geräte ermöglichen die Nachbildung des kompletten Herstellungsprozesses im Technikumsmaßstab. Bei der Herstellung eines neuen Magneten wird das Ausgangsmaterial zunächst bei etwa 1400 Grad geschmolzen und dann abgeschreckt, sodass metallische Flakes entstehen. Diese werden in eine Wasserstoffatmosphäre gegeben und durch das Eindringen des Wasserstoffs zerfällt das Material zu einem Granulat. Dieses wird mit einer Strahlmühle noch weiter zerkleinert und das resultierende metallische »Mehl« kann dann in Pressformen gegeben und gesintert, das heißt zum Magneten »gebacken« werden. Um einen Magneten zu recyceln, reicht es aus, den Altmagneten mit der Wasserstoffatmosphäre in Verbindung zu bringen und die nachfolgenden Prozessschritte zu durchlaufen. »Den umweltbelastenden Abbau der Rohstoffe und das energieintensive Aufschmelzen können wir so einfach überspringen«, fasst Opelt zusammen.

Im Rahmen des Recyclingprozesses können tausende Magnete gleichzeitig verarbeitet werden. »Es lässt sich kaum verhindern, dass die Magnete währenddessen etwas Sauerstoff aufnehmen, was zu leichten Qualitätseinbußen führt. Hier können wir aber gezielt entgegensteuern, indem wir beispielsweise zehn bis 20 Prozent neues Material hinzugeben oder die Mikrostruktur der Magnete noch weiter bearbeiten«, erklärt Opelt. Die Leistung der Recycle-Magnete lässt sich am fertigen Endprodukt oder auch schon im Pulverstadium bestimmen. Letztendlich soll aus diesen Untersuchungen ein Eigenschafts-portfolio abgeleitet werden, das zukünftigen Anwendern Handlungsempfehlungen dazu gibt, wie der Recyclingprozess so modifiziert werden kann, dass je nach Ausgangszusammensetzung die gewünschten Zieleigenschaften für die Magnete erreicht werden.

Der Aufbau einer neuen Wertschöpfungskette

Derzeit sind die Forschenden noch dabei, den Aufbereitungsprozess während des Recyclingvorgangs weiter zu optimieren. Konrad Opelt ist aber zuversichtlich, dass sie die recycelten Magnete schon bald in die E-Motoren einbauen können und freut sich schon darauf, mit dem Hoverboard über den Institutshof zu flitzen.

Ist dieser Schritt geschafft, wäre das der sichtbare Beweis für den Erfolg des Recyclings. »Damit langfristig eine Wertschöpfungskette für Magnetrecycling aufgebaut werden kann, muss sich jeder Akteur auf den anderen verlassen können«, betont Opelt. »Wir demonstrieren mit FUNMAG, dass die Idee auch wirklich funktioniert und tragen so einen entscheidenden Teil zum Aufbau der Wertschöpfungskette bei.«

Das Interesse von Wirtschaft und Politik an dem Ansatz ist groß, denn er verspricht mehr Nachhaltigkeit bei gleichzeitig weniger Ressourcenabhängigkeit. Konrad Opelt hofft, dass dies dazu führt, dass Hersteller zukünftig schon bei der Produktion von Elektromotoren gezielt darauf achten, dass sich die Magnete gut aus- und wieder einbauen lassen. Dasselbe gilt über die E-Mobilität hinaus auch für alle Elektrogeräte unseres täglichen Bedarfs, vom Rasenmäher über den Akkuschrauber bis hin zum Handy. Sie alle enthalten Neodym-Eisen-Bor-Hochleistungspermanentmagnete, die so ebenfalls lohnenswert recycelt werden könnten.

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Dünnschicht-Photovoltaik: Effizient und vielseitig im Doppelpack

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 14.06.2022

Forschende am KIT entwickeln Perowskit/CIS-Tandem-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von fast 25 Prozent – Materialkombination ermöglicht mobile Anwendungen

Solarzellen übereinander zu stapeln, steigert den Wirkungsgrad. Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben gemeinsam mit Partnern im EU-Projekt PERCISTAND nun Perowskit/CIS-Tandem-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von fast 25 Prozent hergestellt – dem bis jetzt höchsten für diese Technologie. Zudem sorgt die Materialkombination für Leichtigkeit und Vielseitigkeit, sodass der Einsatz dieser Tandem-Solarzellen auch an Fahrzeugen, tragbaren Geräten sowie falt- oder rollbaren Vorrichtungen vorstellbar ist. Die Forschenden stellen ihre Arbeit in der Zeitschrift ACS Energy Letters vor.

Perowskit-Solarzellen haben in nur zehn Jahren eine steile Entwicklung durchlaufen. Vom Wirkungsgrad her lassen sie sich bereits mit den seit langem etablierten Silizium-Solarzellen vergleichen. Bei Perowskiten handelt es sich um innovative Materialien mit einer speziellen Kristallstruktur. Forschende arbeiten weltweit derzeit daran, die Perowskit-Photovoltaik reif für die praktische Anwendung zu machen. Für die Endverbrauchenden sind Solarzellen desto attraktiver, je mehr Strom pro Flächeneinheit sie erzeugen.

Der Wirkungsgrad lässt sich durch das Stapeln von zwei oder mehr Solarzellen erhöhen. Wenn dabei jede Solarzelle besonders effizient einen anderen Teil des Sonnenlichtspektrums absorbiert, lassen sich inhärente Verluste reduzieren und der Wirkungsgrad steigt. Dieser gibt an, wie viel vom einfallenden Licht in Strom umgewandelt wird. Perowskit-Solarzellen eignen sich dank ihrer Vielseitigkeit hervorragend als Bestandteil solcher Tandems. So haben Tandem-Solarzellen aus Perowskiten und Silizium einen Rekordwirkungsgrad von über 29 Prozent erreicht – deutlich höher als der von Einzelzellen aus Perowskiten (25,7 Prozent) und Silizium (26,7 Prozent).

Kombination von Perowskiten mit CIS – Mobilität und Flexibilität

Zusätzliche Vorteile verspricht die Kombination von Perowskiten mit anderen Materialien, wie Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS). Dadurch werden flexible und leichte Tandem-Solarzellen möglich, die sich nicht nur an Gebäuden, sondern auch an Fahrzeugen und tragbaren Geräten anbringen lassen. Solche Solarzellen könnten sogar zur Aufbewahrung gefaltet oder gerollt und bei Bedarf ausgefahren werden, beispielsweise auf Jalousien oder Markisen, die vor Sonne schützen und gleichzeitig Strom erzeugen.

Einem internationalen Team aus Forschenden unter Leitung von Dr. Marco A. Ruiz-Preciado und Tenure-Track-Professor Ulrich W. Paetzold vom Lichttechnischen Institut (LTI) und Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT ist es nun gelungen, Perowskit/CIS-Tandem-Solarzellen mit einem Spitzenwirkungsgrad von 24,9 Prozent (23,5 Prozent zertifiziert) herzustellen. „Dies ist der höchste gemeldete Wirkungsgrad für diese Technologie und der erste hohe Wirkungsgrad überhaupt, der mit einer fast galliumfreien Kupfer-Indium-Diselenid-Solarzelle in einem Tandem erreicht wurde“, erklärt Ruiz-Preciado. Die Verringerung der Galliummenge führt zu einer schmalen Bandlücke von etwa einem Elektronenvolt eV, was dem Idealwert von 0,96 eV für die untere Solarzelle in einem Tandem sehr nahekommt.

CIS-Solarzellen mit schmaler Bandlücke – Perowskit-Solarzellen mit wenig Brom

Bei der Bandlücke handelt es sich um eine Materialeigenschaft, die denjenigen Teil des Sonnenspektrums bestimmt, den eine Solarzelle absorbieren kann, um Strom zu erzeugen. In einer monolithischen Tandem-Solarzelle müssen die Bandlücken so beschaffen sein, dass die beiden Zellen ähnliche Ströme erzeugen können, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen. Ändert sich die Bandlücke der unteren Zelle, muss die Bandlücke der oberen Zelle daran angepasst werden; umgekehrt ebenso.

Um die Bandlücke für eine effiziente Tandem-Integration einzustellen, werden üblicherweise Perowskite mit hohem Bromgehalt verwendet. Dies führt jedoch häufig zu Spannungsverlusten und Phaseninstabilität. Da die Forschenden am KIT und ihre Partner für ihre Tandems unten CIS-Solarzellen mit schmaler Bandlücke einsetzen, können sie die oberen Solarzellen aus Perowskiten mit niedrigem Bromgehalt herstellen, sodass sie effizienter und stabiler sind.

„Unsere Studie demonstriert das Leistungspotenzial von Perowskit/CIS-Tandem-Solarzellen und definiert die Basis für zukünftige Entwicklungen, die den Wirkungsgrad weiter verbessern können“, so Paetzold. „Erreicht haben wir diesen Meilenstein dank der hervorragenden Zusammenarbeit im EU-Projekt PERCISTAND und besonders dank der engen Kooperation mit der Netherlands Organisation for Applied Scientific Research.“ Wichtige Vorarbeiten gelangen zudem im nationalen Projekt CAPITANO, gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK). (or)

Originalpublikation:
Marco A. Ruiz-Preciado, Fabrizio Gota, Paul Fassl, Ihteaz M. Hossain, Roja Singh, Felix Laufer, Fabian Schackmar, Thomas Feeney, Ahmed Farag, Isabel Allegro, Hang Hu, Saba Gharibzadeh, Bahram Abdollahi Nejand, Veronique S. Gevaerts, Marcel Simor, Pieter J. Bolt, and Ulrich W. Paetzold: Monolithic Two-Terminal Perovskite/CIS Tandem Solar Cells with Efficiency Approaching 25%. ACS Energy Letters, 2022. DOI: 10.1021/acsenergylett.2c00707

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Fraunhofer-Verfahren erhöht Methanausbeute von Biogasanlagen

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.06.2022

Biogasanlagen erzeugen Methan – und etwa 40 Prozent CO2, das bislang ungenutzt entweicht. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM wandeln dieses Abfallprodukt nun ebenfalls in Methan um und erhöhen die Methanausbeute von Biogasanlagen somit drastisch. Das Verfahren läuft, derzeit skaliert das Forscherteam die Demonstrationsanlage auf fünf Kubikmeter Methan pro Stunde hoch.

Deutschland ist auf dem Weg zur Klimaneutralität, bereits bis 2030 sollen die Emissionen von Kohlenstoffdioxid um 65 Prozent sinken – verglichen mit den Werten von 1990. Ein Element der Defossilisierung sind Biogasanlagen: In ihnen bauen Bakterien Biomasse unter Ausschluss von Sauerstoff zu Biogas ab, das durchschnittlich aus etwa 60 Prozent Methan und 40 Prozent CO2 besteht. Während das Biogas in Blockheizkraftwerken Strom und Wärme erzeugt oder aber auf Erdgasqualität aufbereitet ins Erdgasnetz eingespeist werden kann, entweicht das CO2 bislang ungenutzt in die Luft.

Biogas in vollem Umfang nutzen

Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer IMM wollen dies nun ändern. »Wir wandeln das CO2 mit Hilfe von grünem Wasserstoff in Methan um«, erläutert Dr. Christian Bidart, Wissenschaftler am Fraunhofer IMM, den Ansatz des neuen Verfahrens. Das entstehende Biogas kann also nicht nur wie bisher zu etwa 60 Prozent, sondern in vollem Umfang genutzt werden. Die zugrundeliegende Reaktion ist bereits seit etwa hundert Jahren bekannt, blieb allerdings bislang meist auf Laborniveau. Erst die anstehende Energiewende rückt mögliche Anwendungen in den Fokus, die Forschenden überführen die Reaktion daher erstmals in einen industriellen Prozess.

Eine Demonstrationsanlage entwickelte das Forscherteam bereits im Projekt ICOCAD I: Diese wandelt einen Kubikmeter Biogas pro Stunde in einen Kubikmeter Methan um, ihre thermische Leistung beträgt zehn Kilowatt. Im Folgeprojekt ICOCAD II skalieren die Forschenden diese Anlage derzeit auf die fünffache Größe, also auf eine thermische Leistung von 50 Kilowatt. Eine der Herausforderungen, die dabei auf der Agenda stehen: der hochdynamische Prozess. Denn die Strommenge, die aus Wind- und Photovoltaikanlagen erzeugt wird, schwankt stark – und damit auch die Menge des grünen Wasserstoffs, der mittels Strom in Elektrolyseuren aus Wasser gewonnen wird. Die Anlage muss also schnell auf schwankende Mengen an Wasserstoff reagieren können. Zwar wäre auch eine Speicherung von Wasserstoff möglich, jedoch aufwändig und teuer. »Wir arbeiten daher daran, die Anlage flexibel zu gestalten, um die Speicherung von Wasserstoff möglichst zu umgehen«, sagt Bidart. Dazu gehören unter anderem CO2-Speicher: Denn die Menge an CO2, das aus den Biogasanlagen strömt, ist gleichbleibend.

Entwicklung effizienter Katalysatoren

Eine weitere Herausforderung lag in der Entwicklung effizienter Katalysatoren für die Reaktion. Die Forschenden des Fraunhofer IMM haben dafür eine Mikrobeschichtung aus Edelmetallen verwendet. Das Prinzip: Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid strömen durch zahlreiche Mikrokanäle, in denen sie miteinander reagieren können und deren Wände mit einer Beschichtung des Katalysators versehen sind. »Auf diese Weise können wir die Kontaktfläche der Gase mit dem Katalysatormaterial vergrößern und die benötigte Katalysatormenge reduzieren«, weiß Bidart. Im Reaktionsreaktor werden zahlreiche solcher Mikrostrukturen übereinandergestapelt.

Weitere Skalierungen geplant

Derzeit arbeiten die Forscherinnen und Forscher daran, die größere Anlage umzusetzen und den dynamischen Betrieb zu realisieren. 2023, so hofft das Team, könnte diese dann in Betrieb gehen und an einer Biogasanlage real getestet werden. Damit ist die Hochskalierung jedoch keineswegs abgeschlossen – schließlich sind die CO2-Mengen, die an den Biogasanlagen entstehen, groß. Bis zum Jahr 2025 planen die Forschenden daher eine Hochskalierung auf 500 Kilowatt, bis 2026 soll die Anlage gar ein bis zwei Megawatt Leistung erzeugen.

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Baumaschinen mit Hybridantrieb: Spritsparend baggern

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 28.04.2022

Rückgewinnung von Bewegungsenergie des Baggerarms steigert Effizienz und spart Kraftstoff

Rohstoffe und Energie verteuern sich drastisch – und damit auch das Bauen. Neben dem Klimawandel sind die hohen Kosten ein weiterer Grund, Treibstoff bei Baumaschinen einzusparen. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben Möglichkeiten für einen effizienteren Betrieb am Beispiel eines Hydraulikbaggers mit Hybridantrieb untersucht. Dabei haben sie Einsparpotenziale von rund zehn Prozent gefunden. Eine spezielle Software zur Steuerung des Einsatzes unterschiedlicher Antriebe könnte die Effizienz weiter steigern.

Bei Autos sind Hybridantriebe, also die Kombination verschiedener Antriebsprinzipien und Energiespeicher, längst gebräuchlich, etwa die Verbindung von Benzin- oder Diesel- mit Elektroantrieb. Baumaschinen verfügen ohnehin meist über mehrere Antriebe, wie etwa Fahrantrieb, Schwenkantrieb und Arbeitsantrieb, die jeweils hybridisiert werden könnten. Allerdings kommt in den meisten Baggern die Energie für sämtliche Antriebe vom Dieselmotor. „Wir haben jetzt unterschiedliche Hybridisierungsmaßnahmen auf ihr Potenzial zur Effizienzsteigerung hin untersucht“, sagt Niklas Bargen vom Institut für Fahrzeugsystemtechnik des KIT. Das Ergebnis: „Der elektrische Betrieb des Schwenkwerks eines Hydraulikbaggers, also des Motors zur seitlichen Drehung, bringt beispielsweise eine Effizienzsteigerung beim Laden von Erdreich oder Schutt auf einen Lastwagen um elf Prozent und eine Kraftstoffeinsparung von rund acht Prozent.“ Mit zusätzlicher Rückgewinnung von Bewegungsenergie beim Absenken des Baggerarms – ähnlich wie bei regenerativen Bremssystemen in E-Autos – seien sogar Effizienzsteigerungen von insgesamt 12,5 Prozent und neun Prozent weniger Spritverbrauch zu erwarten, meint Bargen. „Wir gehen davon aus, dass sogar noch weiteres Potenzial vorhanden ist. Zum Beispiel durch eine Software, die bedarfsgerecht und nach Effizienzgesichtspunkten entscheidet, mit welchem Antrieb die unterschiedlichen Funktionen des Baggers gerade am besten betrieben werden sollen.“

Für ihre Untersuchungen haben die Forscher vom Institutsteil Mobile Arbeitsmaschinen (Mobima) einen Bagger mit zahlreichen Sensoren ausgestattet und die 15 Tonnen schwere Maschine so während hundert Tagen bei der Arbeit auf unterschiedlichen Baustellen genau überwacht. „Anschließend haben wir verschiedene Varianten der Hybridisierung am Rechner simuliert und ermittelt, welches Potenzial zur Effizienzsteigerung sie im realen Betrieb haben würden“, erläutert Bargen.

Hybridisierung als Brückentechnologie

In Anbetracht des geschätzten Verbrauchs eines mittelschweren Baggers von 100 000 Litern Diesel über seinen gesamten Lebenszyklus, steckt in den Hybridantrieben für Baumaschinen ein erhebliches Energiesparpotenzial. „Dennoch sehen wir die Hybridisierung mehr als Brückentechnologie auf dem Weg zur vollständigen Elektrifizierung von Baumaschinen, die wegen des hohen Energiebedarfs der Maschinen und mangelnder Speichertechnologie noch vor großen Hürden steht.“

Am Forschungsprojekt war die Firma Stoba E-Systems GmbH beteiligt. Es wurde vom Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus des Landes Baden-Württemberg mit 300 000 Euro gefördert. (mex)

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Wasseraufbereitung: Licht hilft beim Abbau von Hormonen

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 13.04.2022

Forschende des KIT setzen mit Titandioxid beschichtete Polymermembranen zur photokatalytischen Reinigung ein – Nature Nanotechnology veröffentlicht Ergebnisse

Bei Mikroverunreinigungen im Wasser handelt es sich häufig um Hormone, die sich in der Umwelt ansammeln und sich negativ auf Menschen und Tiere auswirken können. Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und am Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung (IOM) in Leipzig haben ein Verfahren zum photokatalytischen Abbau dieser Verunreinigungen im Durchfluss durch Polymermembranen entwickelt und in der Zeitschrift Nature Nanotechnology vorgestellt. Durch Bestrahlung mit Licht, das eine chemische Reaktion auslöst, werden Steroidhormone auf den mit Titandioxid beschichteten Membranen zersetzt.

Überall wo Menschen leben, gelangen Hormone, wie sie in Arzneimitteln zur Empfängnisverhütung und in der Landwirtschaft eingesetzt werden, in das Abwasser. Steroidhormone wie Sexualhormone und Corticosteroide können sich in der Umwelt ansammeln und sich negativ auf Menschen und Tiere auswirken, indem sie die Verhaltensentwicklung und die Fortpflanzungsfähigkeit beeinträchtigen. Sexualhormone können beispielsweise dazu führen, dass männliche Fische weibliche Geschlechtsmerkmale entwickeln. Umso wichtiger ist es, neben anderen Mikroverunreinigungen auch Hormone aus dem Abwasser zu entfernen, bevor diese in den natürlichen Wasserkreislauf zurückgelangen, aus dem wiederum das Trinkwasser kommt. „Die Menschen mit sauberem Trinkwasser zu versorgen, gehört weltweit zu den wichtigsten Herausforderungen der Gegenwart“, sagt Professorin Andrea Iris Schäfer, Leiterin des Institute for Advanced Membrane Technology (IAMT) des KIT. „Spurenschadstoffe sind eine enorme Bedrohung für unsere Zukunft, da sie unsere Fruchtbarkeit und Gehirnfunktion beeinträchtigen.“

Inspiration aus der Solarzellentechnologie

Schäfer befasst sich seit Jahren mit der Wasseraufbereitung über Nanofiltration. Dazu setzt sie Polymermembranen mit nanometerkleinen Poren ein. Allerdings arbeitet die Nanofiltration mit hohem Druck und benötigt daher viel Energie. Außerdem kann es passieren, dass sich Mikroverunreinigungen in den polymeren Membranmaterialien ansammeln und allmählich in das gefilterte Wasser übergehen. Selbst wenn die Entfernung der Verunreinigungen vollständig gelingt, entsteht dabei ein Strom mit konzentrierten Schadstoffen, der weiterbehandelt werden muss.

Inspiriert von der Solarzellentechnologie, mit der sich der ebenfalls am KIT tätige Professor Bryce S. Richards befasst, kam Schäfer auf die Idee, Polymermembranen mit Titandioxid zu beschichten und photokatalytische Membranen zu entwickeln: Photokatalytisch aktive Titandioxid-Nanopartikel werden auf Mikrofiltrationsmembranen aufgebracht, deren Poren etwas größer sind als bei der Nanofiltration. Durch Bestrahlung mit Licht, das eine chemische Reaktion auslöst, werden Steroidhormone auf den Membranen zersetzt. Nun hat Schäfer ihre Idee mit ihrem Team am IAMT des KIT und mit Kolleginnen am Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung (IOM) in Leipzig verwirklicht und die neue Technologie in der Zeitschrift Nature Nanotechnology vorgestellt.

Katalysator für Wasser

„Wir haben sozusagen einen Katalysator für Wasser entwickelt“, resümiert Schäfer. Mit den photokatalytischen Polymermembranen gelang es, Steroidhormone im kontinuierlichen Durchfluss so weit zu entfernen, dass die analytische Nachweisgrenze von vier Nanogramm pro Liter erreicht wurde – die Werte kamen sogar ziemlich nah an ein Nanogramm pro Liter heran, was der neuen Trinkwasserrichtlinie der WHO entspricht. Die Forschenden arbeiten daran, ihre Technologie weiterzuentwickeln, um den Zeitbedarf und den Energieverbrauch zu senken sowie die Verwendung von natürlichem Licht zu ermöglichen. Vor allem aber zielt die weitere Forschung darauf ab, auch andere Schadstoffe mithilfe der Photokatalyse abzubauen, beispielsweise Industriechemikalien wie per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) oder Pestizide wie Glyphosat. Eine weitere Herausforderung besteht darin, die Technologie in größerem Maßstab zu verwirklichen. (or)

Originalpublikation:
Shabnam Lotfi, Kristina Fischer, Agnes Schulze and Andrea I. Schäfer: Photocatalytic degradation of steroid hormone micropollutants by TiO2-coated polyethersulfone membranes in a continuous flow-through process. Nature Nanotechnology, 2022. DOI: 10.1038/s41565-022-01074-8

Externer Link: www.kit.edu