Plastikabfälle werden mit Sonnenlicht zu Wasserstoff und Kraftstoffbestandteilen

Weggeworfenes Plastik kann zu Wasserstoff und anderen nutzbaren Kraftstoffbestandteilen werden, wenn Sonnenlicht die chemischen Reaktionen antreibt, wie neue Forschungsergebnisse zeigen.

Die Studie betrachtet diesen schwer beherrschbaren Abfallstrom neu: als gespeicherte Quelle für Kohlenstoff und Wasserstoff. Zugleich macht sie die Hürden sichtbar, die einer Nutzung im industriellen Maßstab noch im Weg stehen.

Plastikabfälle werden zu Kraftstoff

In kontrollierten Laborbehältern treffen zerkleinerte Tüten, Flaschen und andere Kunststoffe auf Wasser, Licht und reaktive Partikel – unter Bedingungen, die deutlich weniger extrem sind als die Verbrennung.

Xiao Lu, Doktorand an der Universität Adelaide, beschrieb, wie sich die im Kunststoff gespeicherte Energie in sauberere Kraftstoffbausteine lenken lässt.

Frühere Versuche zeigten bereits, dass Kunststoff Kohlenstoff liefern kann, während das Wasser den Wasserstoff bereitstellt.

Das Ziel ist kein unmittelbares Recycling, sondern ein saubererer Verwertungsweg für Kunststoffe, die von Sortieranlagen übersehen werden oder sich wirtschaftlich nicht recyceln lassen.

Sonnenlicht treibt chemische Reaktionen an

Chemiker bezeichnen diesen Ansatz als solarbetriebene Photoreformierung: Lichtaktivierte Materialien ordnen unerwünschte Moleküle bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen neu.

Das Licht löst Elektronen in Photokatalysatoren, also lichtaktivierten reaktionsauslösenden Materialien, und diese Elektronen unterstützen die Umwandlung von Wasser in Wasserstoff.

Die zurückbleibenden positiven Ladungen greifen Kunststoffbindungen an. Dadurch zerfallen lange Ketten in kleinere Chemikalien, statt unverändert bestehen zu bleiben.

„Kunststoff wird oft als großes Umweltproblem betrachtet, stellt aber auch eine bedeutende Chance dar“, sagte Lu.

Plastikabfälle nehmen weiter zu

Die weltweite Produktion lag 2019 bereits bei rund 460 Millionen Tonnen Kunststoff, während die Abfallsysteme nicht Schritt halten konnten.

In diesem Jahr wurden letztlich nur neun Prozent der Kunststoffabfälle recycelt, während etwa 21,8 Millionen Tonnen in die Umwelt gelangten.

Ausgetretenes Material zerfällt in immer kleinere Teile, verbreitet sich über Böden und Gewässer und lässt sich mit der Zeit schwerer einsammeln.

Die Umwandlung eines Teils dieser Abfälle in Rohstoffe würde die Verschmutzung nicht beseitigen, könnte aber Ablagerungen dort verringern, wo die Märkte für Recycling schwach sind.

Kunststoff erleichtert die Wasserstoffproduktion

Die Herstellung von Wasserstoff benötigt gewöhnlich zusätzliche Energie, weil sich Wasser unter normalen Bedingungen nur schwer aufspalten lässt.

Kunststoff senkt einen Teil dieser Hürde, da seine kohlenstoffreichen Ketten Elektronen leichter abgeben als Wasser.

Dadurch kann der Katalysator Kunststoff bei geringeren Temperaturen aufbrechen, sodass während der Verarbeitung möglicherweise weniger aggressive Einsatzstoffe erforderlich sind.

Die Effizienz hängt jedoch weiterhin von einer sauberen Lichtaufnahme, einer konstanten Katalysatorleistung und einem Reaktor ab, der bei langer Laufzeit nur wenig Energie verliert.

Sonnenlichtbetriebene Abfallumwandlung

In einem früheren Versuch wurde aus Plastiktüten in Wasser Synthesegas erzeugt, ein Kraftstoffbausteingemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid.

Während dieser Reaktion lieferte Wasser den Wasserstoff, während der Kohlenstoff des Kunststoffs zunächst zu Kohlendioxid und anschließend zu Kohlenmonoxid wurde.

In diesem Laboraufbau verloren die Plastiktüten unter simuliertem Sonnenlicht innerhalb von 48 Stunden 81 Prozent ihres Gewichts.

Solche Ergebnisse belegen noch keine kommerzielle Einsatzreife, verdeutlichen aber, warum die sonnenlichtbetriebene Abfallumwandlung über das herkömmliche Recycling hinaus zunehmend Aufmerksamkeit erhält.

Nutzbare Kraftstoffe und Chemikalien entstehen

Eine weitere Untersuchung zu Polyethylen, einem verbreiteten Verpackungskunststoff, verlagerte das Ziel von Gasen hin zu flüssigen Kraftstoffbestandteilen.

Zwei benachbarte reaktive Metallstellen hielten aufgebrochene Kohlenstofffragmente lange genug fest, damit Essigsäure entstehen konnte – eine wichtige Industriechemikalie.

Andere Forschungsgruppen erzeugten gezielt Kohlenwasserstoffe im Dieselkraftstoffbereich aus Kunststoffabfällen, also kraftstoffgroße Moleküle, die Dieselbestandteilen ähneln.

Die Wahl des Produkts ist entscheidend: Ein Verfahren, das einen wertvollen Stoffstrom erzeugt, lässt sich in Industrieanlagen leichter reinigen und vermarkten.

Gemischte Plastikabfälle bringen Herausforderungen

An einem Verarbeitungsstandort trifft echter Müll nur selten als sauberer, eindeutig gekennzeichneter Kunststofftyp ein.

Verschiedene Polymere, die langkettigen Moleküle, aus denen Kunststoffe bestehen, zerfallen auf unterschiedliche Weise. Deshalb kann ein erfolgreiches Rezept bei einem anderen Behältertyp scheitern.

Farbstoffe, Stabilisatoren, Lebensmittelreste und Schmutz können Licht abschirmen, Katalysatoren vergiften oder Reaktionen in Richtung unerwünschter Produkte lenken.

Sortierung und Vorbehandlung – also das Reinigen oder Vorbereiten von Abfällen vor der Reaktion – bestimmen daher die Kraftstoffqualität, noch bevor Sonnenlicht den Reaktor erreicht.

Katalysatoren können an Effizienz verlieren

Selbst sauberes Ausgangsmaterial hilft nicht, wenn der Katalysator bei wiederholten Durchläufen im Reaktor zerfällt.

Aggressive Chemikalien können aktive Oberflächen beschädigen, und beschädigte Oberflächen leiten Elektronen nicht mehr zu den richtigen Bindungen.

Auch die Produktsteuerung stellt eine zusätzliche Anforderung dar, weil das Material nutzbare Ergebnisse statt eines ungeordneten Gemischs begünstigen muss.

Langlebige Katalysatoren könnten darüber entscheiden, ob diese Chemie ein kluger Versuch bleibt oder zu verlässlicher Industrieausrüstung statt zu kurzen Demonstrationen wird.

Systeme im großen Maßstab fehlen noch

Nach der Reaktion stellt die Produkttrennung Ingenieure vor Gemische aus Gasen, Flüssigkeiten, Feststoffen und verbleibendem Katalysator.

Die Reinigung dieses Gemischs verbraucht Energie, und eine energieintensive Aufbereitung kann den Klimavorteil einer saubereren Kraftstoffherstellung abschwächen.

Fabriken könnten Durchflussreaktoren benötigen – Systeme, die Abfälle kontinuierlich durch lichtgefüllte Bereiche transportieren –, wobei Sensoren Durchfluss und Temperatur anpassen.

Die sonnenlichtbetriebene Abfallumwandlung verbindet inzwischen drei praktische Ziele: eine sauberere Abfallbehandlung, Chemie bei niedrigeren Temperaturen und neue Rohstoffe für Kraftstoffe und Chemikalien.

Der Fortschritt wird davon abhängen, ob das Verfahren gemischte Abfälle bewältigen, langlebige Katalysatoren erhalten und Trennungsschritte nutzen kann, die die Gesamtvorteile bewahren.