CO₂-Abscheidung aus der Luft mittels Lebensmittelabfällen
Ein Forschungsteam der ETH Zürich hat ein innovatives Direct Air Capture (DAC)-Verfahren entwickelt, das CO₂ direkt aus der Atmosphäre entfernt. Dabei kommen Proteinkügelchen zum Einsatz, die aus Nebenprodukten der Käse- und Tofuproduktion hergestellt werden. Dieses Verfahren benötigt weniger Energie als herkömmliche Methoden und könnte dadurch kosteneffizienter sein.
Notwendigkeit von CO₂-Entfernungstechnologien
Um die globale Erwärmung dauerhaft unter 1,5 Grad Celsius zu halten, ist neben der Reduktion von Treibhausgasemissionen auch die Entfernung großer Mengen von CO₂ aus der Luft erforderlich. Dies wird in den Szenarien des letzten Sachstandsberichts des Weltklimarats (IPCC) betont. Seit Jahren arbeiten Forschungseinrichtungen und Unternehmen an Technologien zur direkten CO₂-Abscheidung aus der Luft, sogenannten Direct Air Capture-Verfahren. Das Unternehmen Climeworks, ein Spin-off der ETH Zürich, zählt zu den ersten kommerziellen Anbietern dieser Technologie. Allerdings sind bestehende Verfahren bislang mit hohem Energieaufwand und Kosten verbunden.
Herstellung poröser Proteinkügelchen aus Lebensmittelabfällen
In einer aktuellen Studie, veröffentlicht in der Fachzeitschrift PNAS, beschreibt ein Team um Prof. Raffaele Mezzenga eine neuartige Methode zur CO₂-Absorption. Dabei werden proteinhaltige Nebenprodukte aus Molke und der Tofuproduktion genutzt, die ansonsten als Abfall anfallen. Aus diesen Rohstoffen isolieren die Forschenden Proteine, die zu fadenförmigen Amyloidfibrillen verarbeitet werden. Anschließend werden diese mit Kaliumhydroxid behandelt und zu porösen Kügelchen mit einem Durchmesser von 0,5 bis 1 Zentimeter geformt.
Diese Kügelchen wirken wie ein Schwamm, der durch das Kaliumhydroxid große Mengen CO₂ aufnehmen kann. Bei Kontakt mit Luft reagiert das Kaliumhydroxid mit CO₂ und bildet Hydrogencarbonat, wodurch das Gas effektiv aus der Atmosphäre gebunden wird. In Laborversuchen konnten mit einem Gramm des Materials bis zu 97 Milligramm CO₂ absorbiert werden, was eine um 10 bis 50 Prozent höhere Kapazität als bei konventionellen DAC-Methoden darstellt.
Recycling und Energieeffizienz im Fokus
Die Freisetzung des gebundenen CO₂ erfolgt bei diesem Verfahren durch abwechselndes Besprühen der Kügelchen mit milder Säure und Base bei Raumtemperatur über etwa zehn Minuten. Dieser Prozess löst die chemischen Bindungen, sodass das CO₂ isoliert und für eine dauerhafte Speicherung oder Weiterverarbeitung genutzt werden kann. Säure, Base und die Proteinkügelchen können mehrfach wiederverwendet werden.
Im Gegensatz zu synthetischen Materialien, die in anderen DAC-Verfahren eingesetzt werden und sich schnell zersetzen, bleiben die Proteinkügelchen über viele Zyklen stabil. Laboruntersuchungen zeigten, dass nach 30 Wiederholungen keine signifikanten Effizienzverluste auftraten. Nach mehreren tausend Zyklen könnte das Material ausgetauscht werden, wobei die Kügelchen als biologisch abbaubares organisches Material beispielsweise als Dünger oder zur Biotreibstoffproduktion weiterverwendet werden könnten. Damit bietet das System Ansätze für eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft.
Umweltbilanz und Skalierbarkeit
Die eingesetzten Materialien sind ungiftig und für den Lebensmittelbereich zugelassen. Eine Lebenszyklusanalyse ergab, dass das neue Verfahren über den gesamten Lebenszyklus hinweg eine geringere Umweltbelastung verursacht als bestehende DAC-Technologien.
Ob die Technologie in größerem Maßstab angewendet werden kann und die hohe CO₂-Aufnahmekapazität erhalten bleibt, wird Gegenstand weiterer Untersuchungen sein. In ersten Laborversuchen wurden mit wenigen Gramm Proteinkügelchen etwa 50 Gramm CO₂ gebunden und isoliert.
Prof. Mezzenga, der seit fast zwei Jahrzehnten mit Amyloidfibrillen arbeitet, sieht gute Chancen für eine Skalierung. Das verwendete Sprühsystem orientiert sich an industriell etablierten Verfahren. Der Postdoktorand Zhou Dong wird die Skalierbarkeit in zukünftigen Studien weiter erforschen.
Kosteneinschätzung und Zukunftsperspektiven
Obwohl noch keine detaillierten Kostenanalysen vorliegen, erwartet Mezzenga, dass die Methode deutlich günstiger als herkömmliche DAC-Verfahren sein wird. Die Vorteile liegen in einem geringeren Energiebedarf und der Verwendung eines weitverbreiteten Abfallprodukts. Diese Eigenschaften könnten das Verfahren zu einem wichtigen Baustein für die CO₂-Entfernung aus der Atmosphäre machen.
Kontakt für wissenschaftliche Rückfragen
Prof. Dr. Raffaele Mezzenga
ETH Zürich
E-Mail: raffaele.mezzenga(at)hest.ethz.ch
Telefon: +41 44 632 91 40
Originalpublikation
Dong Z et al.: Circular and athermal atmospheric CO2 capture by waste-derived amyloid sorbents. PNAS 2026, DOI: 10.1073/pnas.2535689123
