Die katalytische Chemie in den Mittelpunkt der grünen Energiewende stellen
Plasma gilt nach fest, flüssig und gasförmig als vierter Aggregatzustand(öffnet in neuem Fenster). Es handelt sich dabei um ein überhitztes Gas, in dem Atome in freie Elektronen und positive Ionen aufgespalten sind. Durch ein schnelles Pulsieren (Modulieren) der Leistungszufuhr im Nanosekunden- bis Mikrosekundenbereich lässt sich die Erzeugung dieser hochenergetischen Elektronen exakt steuern. Zudem werden die umgebenden Gasmoleküle kühl gehalten, um die chemische und Energieeffizienz zu maximieren. Diese fortschrittliche Methode der elektrischen Anregung, die als schnellmoduliertes Plasma bezeichnet wird, kann kaltes Plasma oder Verfahren mit nicht-thermischem Plasma (NTP)(öffnet in neuem Fenster) erzeugen. Diese können für die chemische Umwandlung kleiner, wenig reaktiver Moleküle wie Kohlendioxid, zweiatomiger Stickstoff, Methan und Wasser bei Temperaturen und Drücken nahe der Umgebungstemperatur und dem Umgebungsdruck genutzt werden. Allerdings ist ein Katalysator erforderlich, um diese Reaktionen steuern und selektiv die gewünschten Verbindungen erzeugen zu können. Hierzu ist jedoch ein neuer Ansatz gefragt, da der Katalysator die Reaktion der plasmaaktivierten Moleküle auch stoppen kann, anstatt mit ihnen zusammenzuwirken.
Weniger Auswirkungen auf die Umwelt
Das ERC-finanzierte Projekt SCOPE(öffnet in neuem Fenster) widmete sich dieser Herausforderung, indem es die synergistische Wechselwirkung zwischen NTP und festen Katalysatoren untersuchte, modellierte und anwandte. Diese Kombination erzeugt einen Effekt, der die Summe der jeweiligen einzelnen Wirkungen übersteigt. Der Vorteil von NTP-Verfahren besteht darin, dass sie im Vergleich zu herkömmlichen thermischen katalytischen Verfahren einen Betrieb unter sehr milden Bedingungen ermöglichen. Die Technologie eignet sich zudem gut für die Kopplung mit erneuerbaren Energien und damit für die Elektrifizierung chemischer Verfahren. Im Rahmen des SCOPE-Projekts wurde NTP, das einen deutlich (bis zu über 90 %) geringeren CO2-Fußabdruck aufweist, in drei wichtigen industriellen Reaktionen eingesetzt. Dabei handelte es sich um die Stickstofffixierung, die Methanverwertung zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen mit längerer Kohlenstoffkette und die Umwandlung von Kohlendioxid in flüssige solare Brennstoffe. „Wir haben beispielsweise neue Verfahren entwickelt, um Düngemittel dezentral aus atmosphärischem Stickstoff herzustellen“, sagt Projektkoordinator Gabriele Centi von der Universität Messina(öffnet in neuem Fenster) in Italien. „Anorganische Düngemittel sind für die globale Ernährungssicherheit unverzichtbar, da sie den Stickstoff liefern, der für den Anbau von Nahrungsmitteln für nahezu die Hälfte der Weltbevölkerung benötigt wird.“
Breite Anwendbarkeit in verschiedenen Sektoren
Obwohl sich SCOPE auf die Verbesserung großmaßstäblicher chemischer Verfahren konzentrierte, bietet die spezifische Technologie ein Anwendungspotenzial, das weit über die chemische Industrie hinausgeht. „Kaltes Plasma ist unglaublich vielseitig und kann zu mehr Nachhaltigkeit in der Herstellung, der Landwirtschaft, der Gesundheitsversorgung, im Umweltschutz und sogar in der Lebensmittelindustrie beitragen“, bemerkt Centi. In der Landwirtschaft kann kaltes Plasma beispielsweise zur Behandlung von Saatgut vor der Pflanzung eingesetzt werden. „Dieses chemiefreie Verfahren verbessert die Wasseraufnahme, erhöht die Keimrate und fördert ein stärkeres frühes Pflanzenwachstum, damit Landwirtschaftsbetriebe ihre landwirtschaftlichen Erträge steigern und gleichzeitig den Bedarf an chemischen Behandlungen verringern können“, fügt Centi hinzu. In der Holzindustrie hingegen sorgt die Plasmabehandlung dafür, dass Holzoberflächen Schutzbeschichtungen besser aufnehmen. „Dadurch können Hersteller denselben Schutzgrad bei deutlich reduzierter Verwendung von Beschichtungsmaterial erreichen, was sowohl die Kosten als auch die Auswirkungen auf die Umwelt senkt“, fährt Centi fort.
Eine blühende Zukunft
Auch in der Nahrungsmittelerzeugung spielt Plasma eine Rolle: Es beeinflusst die Kristallbildung in Materialien wie Schokolade für die Herstellung von Produkten mit besserem Glanz, besserer Textur und dem charakteristischen „Knackgeräusch“, das die Erwartungen der Verbraucherschaft erfüllt. Dies lässt sich nun anstatt von Stunden, die bei herkömmlichen Bearbeitungsverfahren erforderlich sind, innerhalb von Minuten erreichen. Ähnliche Ansätze werden derzeit für die Sterilisation medizinischer Ausrüstung, die Entwicklung neuer Werkstoffe, die Reinigung von Luft- und Wasserverunreinigungen(öffnet in neuem Fenster) sowie für die Verbesserung der Energieeffizienz im Herstellungssektor untersucht. „Kaltes Plasma ist deshalb so interessant, da es die Durchführung vieler dieser Verfahren mit geringerem Energieverbrauch und weniger Chemikalieneinsatz ermöglicht, was es zu einer wichtigen Technologie für eine nachhaltigere Zukunft macht“, lautet das Fazit von Centi.
