Revolution bei CO₂-Filtern: Wie ein neues Mehrweg-Material die Luftreinigung radikal günstiger machen könnte

Wenn das Klima an physikalischen Grenzen scheitert

CO₂ direkt aus der Umgebungsluft zu filtern, gilt als einer der Schlüssel, um die Erderwärmung zu begrenzen – und gleichzeitig ist es eine der teuersten Klimatechnologien überhaupt. Unternehmen investieren Milliarden in große DAC-Anlagen (Direct Air Capture), nur um dann festzustellen, dass sie mehr Geld für Hitze als für Hardware ausgeben. Der Flaschenhals liegt nicht beim Einfangen der CO₂-Moleküle, sondern dort, wo man sie wieder freilassen muss.​

Ein Forschungsteam der Universität Helsinki schlägt nun vor, diesen Engpass radikal zu entschärfen: mit einem neuartigen chemischen System, das CO₂ bei Raumtemperatur bindet, sich aber schon bei rund 70 Grad wieder regenerieren lässt. Wenn sich dieser Ansatz skalieren lässt, könnte er das Geschäftsmodell der CO₂-Entnahme aus der Luft komplett verändern – und aus einem Energiefresser eine Technologie machen, die mit Abwärme läuft.​

Warum Direct Air Capture so schwer bezahlbar ist

Dünne Luft, große Technik

CO₂ aus Schornsteinen abzuscheiden, ist anstrengend – aus der Atmosphäre ist es eine Herkulesaufgabe. In Industrieabgasen liegt der CO₂-Anteil bei etwa 10 bis 15 Prozent, in normaler Luft dagegen nur bei rund 0,04 Prozent, also etwa 420 ppm. Das zwingt Anlagen dazu, gigantische Luftmengen durch Filter zu pressen, nur um eine relativ kleine Menge Kohlendioxid einzusammeln.​

Für Betreiber bedeutet das:

• Große Lüfter und hohe Volumenströme
• Aufwendige Filterflächen
• Hohe Stromkosten allein für die Luftbewegung

Doch selbst das ist nicht der eigentliche Kostentreiber.

Das eigentliche Problem: CO₂ wieder loswerden

Moderne CO₂-Sorbentien funktionieren fast immer über chemische Bindung. Die Filtermaterialien – ob als feste Oberfläche oder flüssiger Waschlösung – gehen mit CO₂ eine stabile chemische Verbindung ein, die sich nicht von selbst wieder löst. Um diese Bindung zu knacken und das reine CO₂ zu gewinnen, müssen die Materialien stark erhitzt werden.​

In vielen industriellen Systemen liegen die Regenerationstemperaturen bei mehreren hundert Grad, im Extremfall sogar bei bis zu 900 Grad Celsius. Dafür braucht es:​

• Verbrennung von fossilen Brennstoffen
• oder sehr leistungsstarke elektrische Heizer

Beides frisst nicht nur Geld, sondern produziert – bei fossiler Energie – im Zweifel selbst wieder CO₂. Genau an diesem Punkt setzt die finnische Entwicklung an.​

Der neue Ansatz: CO₂ binden ohne Höllenhitze

Eine scheinbar einfache Mischung mit besonderem Verhalten

Die Studie aus Helsinki, veröffentlicht in Environmental Science & Technology, beschreibt ein neues organisches System, das CO₂ leicht einfängt – und es bei moderaten Temperaturen wieder freigibt. Nach einer langen Testreihe mit verschiedensten Kombinationen organischer Substanzen entschieden sich die Forschenden für eine zweikomponentige Lösung.​

Sie besteht im Kern aus:

• Benzylalkohol
• einem starken organischen Superbase namens 1,5,7-Triaza-bicyclo$\mathrm{4.3.0}$4.3.0non-6-en (abgekürzt TBN)​

Aus beiden Komponenten entsteht eine Flüssigkeit, die sich gegenüber CO₂ erstaunlich selektiv verhält. In Versuchen konnte ein Gramm dieses Reagenzes 156 Milligramm CO₂ direkt aus unbehandelter Umgebungsluft aufnehmen.​

Damit liegen zwei zentrale Eigenschaften vor:

• Hohe Aufnahmekapazität pro Gramm Material
• Deutliche Bevorzugung von CO₂ gegenüber Stickstoff, Sauerstoff und anderen Luftbestandteilen​

Gerade diese Selektivität ist für DAC-Systeme entscheidend: Würde das Material nennenswert Stickstoff binden – der immerhin rund 78 Prozent der Luft ausmacht –, wäre das Verfahren praktisch unbrauchbar.​

Regeneration bei 70 Grad: eine andere Energiewelt

Das eigentliche Highlight der Arbeit ist nicht die Aufnahmekapazität, sondern die niedrige Temperatur, bei der sich das Material wieder „entleeren“ lässt. Um das gebundene CO₂ in reiner Form freizusetzen, genügt es, die Flüssigkeit auf etwa 70 Grad Celsius zu erwärmen – für ungefähr 30 Minuten.​

Zum Vergleich:

• Klassische Hochtemperatur-Sorbentien: bis zu 900 Grad Celsius
• Neuer Ansatz: rund 70 Grad Celsius​

Temperaturen um 900 Grad gehören in die Welt von Brennöfen, Industrieverbrennung und Hochtemperaturprozessen. 70 Grad dagegen liegen im Bereich von Warmwasser, moderater Prozesswärme oder einfacher Solarthermie.​

Diese Verschiebung hat massive Konsequenzen:

• Die notwendige Energie stammt nicht länger zwingend aus „teuren“ Quellen wie Gas oder Hochspannungsheizungen.​
• Stattdessen lässt sich CO₂-Regeneration mit Niedertemperatur-Abwärme betreiben – etwa aus Rechenzentren, industriellen Kühlkreisläufen oder solarthermischen Kollektoren.​

Was bislang ein Kosten- und CO₂-Treiber war, könnte so zu einem Abfallprodukt der ohnehin vorhandenen Infrastruktur werden.

Abwärme statt Brennstoff: neue Geschäftsmodelle für CO₂-Filter

Vom Energieloch zur Abwärme-Nutzung

In vielen Industrieparks verpuffen enorme Energiemengen ungenutzt in die Umgebung – als warmes Kühlwasser, heiße Luft aus Serverräumen oder niedrigtourige Prozesswärme. Bisher lohnt sich deren Nutzung oft nicht, weil Temperatur und räumliche Verfügbarkeit schlecht zu klassischen Anwendungen passen.​

Ein CO₂-Filter, der bei rund 70 Grad regeneriert, passt dagegen ideal in dieses Fenster. Mögliche Szenarien:​

• Eine DAC-Anlage neben einem großen Rechenzentrum nutzt die Abwärme der Server, um das Filtermaterial in Zyklen zu regenerieren.​
• Chemie- oder Lebensmittelbetriebe koppeln ihre Niedertemperatur-Abwärme an CO₂-Entnahmemodule, die auf dem Werksgelände die Luft reinigen.​
• Solarthermie-Kollektoren auf Dächern von Industriehallen liefern genug Wärme, um die Filter tagsüber zyklisch zu regenerieren.​

Damit verschieben sich die Betriebskosten: Instead of primarily paying for high-quality energy, operators could tap into heat that bisher schlicht in der Atmosphäre landet.​

Weg zur wirtschaftlichen Machbarkeit

Die Energiekosten sind einer der Hauptgründe, warum viele CO₂-Abscheidungsprojekte nur mit massiven staatlichen Subventionen funktionieren. Senkt man die benötigte Temperatur um mehr als eine Größenordnung, verschiebt sich auch die Kostenstruktur deutlich.​

Ein Material, das sich mit Abwärme regenerieren lässt, könnte:

• laufende Energiekosten drastisch senken
• den CO₂-Fußabdruck der Anlage selbst reduzieren
• die Technologie für private und kommunale Betreiber attraktiv machen​

Noch ist dieser Punkt allerdings theoretisch – denn das Material kämpft mit einer Schwäche, die jede schöne Rechnung zunichtemachen kann.

Die Achillesferse: Materialstabilität und Lebensdauer

50 Zyklen, 100 Zyklen – und dann?

In der chemischen Industrie gelten Tausende von Zyklen als Mindestmaß, wenn ein Sorbens in großem Maßstab genutzt werden soll. Niemand möchte alle paar Wochen die Füllung ganzer Filterbatterien austauschen müssen.​

Bei dem neuen System sieht die Bilanz bislang so aus:

• Nach 50 Zyklen „Aufnahme – Regeneration“ bleibt noch rund 75 Prozent der ursprünglichen Kapazität.​
• Nach 100 Zyklen fällt die Effizienz auf etwa die Hälfte.​

Für ein Laborergebnis ist das respektabel – für die Industrie ist es viel zu wenig. Eine großtechnische DAC-Anlage arbeitet im Dauerbetrieb, häufig mit täglichen oder sogar mehrmals täglichen Regenerationszyklen. Ein Material, das nach wenigen Hundert Zyklen deutlich abbaut, erzeugt:​

• hohe Materialkosten
• zusätzlichen Wartungsaufwand
• Entsorgungs- und Recyclingfragen​

Das Forschungsteam benennt die Stabilität deshalb klar als prioritäres Entwicklungsziel.​

Flüssig ist gut – fest wäre besser

Neben der chemischen Haltbarkeit steht ein zweiter Punkt auf der To-do-Liste: der Aggregatzustand. Im Labor ist es praktisch, mit Flüssigkeiten zu arbeiten – Dosierung, Durchmischung, Analytik lassen sich gut kontrollieren. In großen Luftreinigungsanlagen sind Flüssigkeiten dagegen in mehrfacher Hinsicht anspruchsvoll:​

• Sie können verdampfen.
• Sie brauchen Pumpen, Leitungen, Dichtungen und komplexe Kreisläufe.
• Sie sind anfällig für Leckagen und Verschmutzung.​

Aus technischen Gründen arbeiten viele CO₂-Filter daher lieber mit festen Materialien, die in Kartuschen, Waben oder porösen Strukturen eingebaut werden.​

Genau dahin soll die Entwicklung gehen: Die Forschenden planen, die aktiven TBN-Moleküle auf porösen Trägermaterialien wie Siliziumdioxid oder Graphenoxid zu verankern. So entstünde ein fester Kompositfilter mit:​

• sehr großer innerer Oberfläche
• eingebetteten aktiven Zentren
• einfacher Integration in klassische Filtergehäuse​

Gelingt dieser Schritt, ließen sich die Vorteile der niedrigen Regenerationstemperatur mit der Robustheit und Handhabbarkeit fester Filter kombinieren.​

Chemie hinter der Innovation: organische Superbasen im Klimadienst

Warum TBN eine Schlüsselrolle spielt

TBN gehört zu einer Klasse starker organischer Basen, die in der organischen Synthese schon länger bekannt sind. Ihre besondere Stärke liegt darin, Protonen sehr effektiv zu binden und damit Reaktionen zu ermöglichen, die mit schwächeren Basen nicht oder nur sehr langsam ablaufen.​

Im Kontext der CO₂-Abscheidung übernimmt TBN eine andere Aufgabe:

• Es ermöglicht, dass CO₂ mit der Lösung eine reversible Bindung eingeht.
• Diese Bindung ist stark genug zum Einfangen, aber schwach genug, um sich bei moderater Erwärmung wieder zu lösen.​

In Kombination mit Benzylalkohol entsteht eine Art maßgeschneiderte CO₂-Falle: selektiv, reversibel und prinzipiell wiederverwendbar.​

Selektivität als unterschätzter Vorteil

Neben der Regenerationstemperatur ist die hohe Selektivität gegenüber CO₂ ein entscheidender Pluspunkt. Ein Reagenz, das „blind“ alles aus der Luft aufnimmt, würde schnell durch Wasser, Sauerstoff oder Stickstoff deaktiviert oder verunreinigt.​

Die hier entwickelte Flüssigkeit ignoriert hingegen den Großteil der atmosphärischen Bestandteile und konzentriert sich chemisch fast ausschließlich auf CO₂. Für DAC-Systeme bedeutet das:​

• Weniger Nebenreaktionen
• Weniger unerwünschte Nebenprodukte
• Längere Standzeiten zwischen Wartungen (sofern die chemische Stabilität verbessert wird)​

Damit erfüllt das System zwei selten kombinierte Anforderungen: hohe Spezifität und vergleichsweise milde Betriebsbedingungen.​

Umweltaspekte: Giftige Lösungsmittel sind nicht mehr zeitgemäß

Abgrenzung zu klassischen Amin-Wäschern

Viele etablierte Verfahren zur CO₂-Abtrennung nutzen aminbasierte Lösungsmittel. Diese können effektiv sein, bringen aber eine Reihe von Problemen mit sich:​

• Korrosionsgefahr in Anlagen
• Bildung unerwünschter Nebenprodukte
• zum Teil toxische oder umweltbelastende Eigenschaften​

Im neuen Ansatz sieht das Bild anders aus: Sowohl Benzylalkohol als auch TBN gelten nicht als exotische, extrem teure oder schwer zugängliche Spezialchemikalien. Nach Angaben der Entwickler ist die resultierende Mischung zudem nicht toxisch.​

Das ist aus mehreren Gründen wichtig:

• Geringere Umweltgefahr bei Leckagen
• Einfachere Genehmigungsverfahren
• Bessere Akzeptanz bei Einsatz in städtischen oder sensiblen Umgebungen​

Eine CO₂-Filteranlage mitten im Stadtgebiet lässt sich deutlich leichter vermitteln, wenn darin keine aggressiven oder gefährlichen Lösungsmittel zirkulieren.

Rohstoffverfügbarkeit und Kostenperspektive

Für eine globale Anwendung muss eine Klimatechnologie nicht nur funktionieren, sie muss auch skalierbar sein. Entscheidend sind daher Verfügbarkeit und Preis der eingesetzten Chemikalien.​

Die Autoren betonen, dass:

• beide Komponenten industriell zugänglich sind
• keine extrem knappen oder mit hohem geopolitischem Risiko behafteten Rohstoffe benötigt werden​

Damit unterscheidet sich der Ansatz von Verfahren, die auf seltene Metalle oder komplizierte Spezialkatalysatoren angewiesen sind.​

Perspektiven für Städte, Industrie und Energiewirtschaft

Mögliche Einsatzfelder

Selbst wenn das neue Material zunächst nur als Demonstrator dient, lassen sich schon jetzt denkbare Einsatzfelder skizzieren.​

Dazu gehören:

• Rechenzentren: Serverfarmen erzeugen enorme Mengen Abwärme, während sich viele Betreiber gleichzeitig Klimaneutralität auf die Fahnen schreiben. Eine Kombination aus Abwärme-Nutzung und CO₂-Filterung wäre naheliegend.​
• Industrieparks: Chemiebetriebe, Raffinerien oder Lebensmittelproduktion besitzen komplexe Wärmeflüsse, in denen sich 70-Grad-Fenster finden lassen. Hier könnten modulare CO₂-Filter an bestehende Prozesse andocken.​
• Gebäudetechnik: Langfristig könnten Lüftungsanlagen großer Gebäude oder urbaner Infrastrukturen Filtermodule erhalten, die mit Fernwärme oder lokaler Abwärme betrieben werden.​

In allen Szenarien gilt: Die Technologie ersetzt nicht die Vermeidung von CO₂-Emissionen, sie ergänzt sie.

Autonome Klimamodule als Zukunftsbild

Die Autoren zeichnen das Bild einer möglichen nächsten Generation von Klimasystemen: autonome CO₂-Entnahmemodule, die direkt in Infrastruktur eingebettet sind und sich aus der Umgebung mit Energie versorgen. Anstatt große, zentrale DAC-Farmen in entlegenen Regionen zu bauen, könnten viele kleinere Einheiten dort arbeiten, wo ohnehin Wärme anfällt.​

Voraussetzung bleibt jedoch, dass:

• die Materialstabilität drastisch verbessert wird
• praktikable feste Kompositfilter entwickelt werden
• die Gesamtbilanz aus Energie, Material, Wartung und CO₂-Gewinnung stimmig ist​

Erst dann wird aus einem Laborerfolg eine belastbare Klimatechnologie.

Einordnung im Kontext der Klimapolitik

CO₂-Vermeidung bleibt Priorität

Kritiker von Direct Air Capture warnen regelmäßig davor, CO₂-Entnahme als Freifahrtschein für weitere Emissionen zu betrachten. Auch im Kommentarbereich zum Originalartikel taucht diese Skepsis auf: Warum nicht einfach aufhören, Kohle oder Schweröl zu verbrennen, statt komplexe Anlagen zu bauen, die das CO₂ hinterher wieder aus der Luft holen sollen?​

Fachlich ist die Antwort klar:

• Emissionsvermeidung ist immer effizienter als nachträgliche Entfernung.
• Es wird aber selbst bei ambitionierten Klimaszenarien Restemissionen geben – etwa aus Landwirtschaft, Industrieprozessen oder Luftverkehr.​

Für diese Restemissionen braucht es Technologien, die CO₂ wieder aus der Atmosphäre holen können – und zwar möglichst effizient. Ein Material, das diese Aufgabe mit Niedertemperatur-Wärme bewältigt, passt gut in diesen Baustein der Klimastrategie.​

Chancen und Grenzen des neuen Ansatzes

Pro:

• Deutlich niedrigere Regenerationstemperatur (ca. 70 Grad).
• Hohe Selektivität für CO₂ aus Umgebungsluft.
• Potenzial zur Nutzung von Abwärme und Niedertemperaturquellen.
• Nicht toxische, vergleichsweise gut verfügbare Komponenten.​

Contra bzw. Herausforderungen:

• Deutlicher Kapazitätsverlust nach 50 bis 100 Zyklen – für die Industrie bislang nicht akzeptabel.​
• Bisher flüssiges System, das in der Großtechnik aufwendige Kreisläufe erfordern würde.​
• Noch keine Demonstration im Kilogramm- oder Pilotanlagenmaßstab.​

Der Ansatz zeigt damit eher eine Richtung als ein sofort marktreifes Produkt.

Ausblick: Vom Labortrick zur Infrastrukturkomponente

Die Forschung steht an einem Übergangspunkt: Vom reinen Grundlagenexperiment hin zu ingenieurtechnischen Tests im größeren Maßstab. Der nächste Schritt wird darin bestehen, eine Pilotanlage aufzubauen, die nicht mit Gramm, sondern mit Kilogramm des Materials arbeitet – und dabei typische Betriebsbedingungen simuliert.​

Zu klären sind dann Fragen wie:

• Wie verhält sich das Material unter wechselnden Luftfeuchtigkeiten?
• Welche Nebenprodukte entstehen über Hunderte oder Tausende Zyklen?
• Wie gut lassen sich TBN-basierte Kompositfilter produzieren, regenerieren und recyceln?​

Gelingt es, die chemische Stabilität signifikant zu erhöhen und einen robusten festen Träger zu entwickeln, könnte die heute vorgestellte Lösung zu einem neuen Standard in der CO₂-Abscheidung aus der Luft werden.​

Ein interessanter Baustein – kein Wundermittel

Das in Helsinki entwickelte Mehrweg-Material ist kein magischer Staubsauger, der das Klimaproblem allein löst, aber es adressiert einen der größten Schmerzpunkte existierender DAC-Technologien: den Energiehunger bei der Regeneration. Ein System, das CO₂ aus der Luft holt und sich mit 70-Grad-Wärme wieder „entlädt“, öffnet die Tür zu völlig neuen Kombinationen aus Abwärmenutzung, Stadtinfrastruktur und industrieller Klimastrategie.​

Entscheidend wird nun, ob die Forschenden die Lebensdauer und Form des Materials so weiterentwickeln können, dass es den harten Alltag in großtechnischen Anlagen übersteht. Gelingt das, könnte aus einem vielversprechenden Laborergebnis ein Baustein werden, der in künftigen Klimaszenarien eine spürbare Rolle spielt – nicht als Ersatz, sondern als Ergänzung zur konsequenten Reduktion von Emissionen.