Insbesondere Chemie-Ingenieure und Verfahrenstechniker stehen vor interessanten Zeiten: Das wachsende Umweltbewusstsein kreiert eindeutige Herausforderungen an eine Branche, die sich zunehmend einem „chemisch-toxischem“ Image stellen muss. HI:TECH CAMPUS präsentiert aktuelle Forschungsthemen und Projekte vor, die die Welt zum Positiven verändern könnten.
Seltene Erden wiedergewinnen
Umweltschutz und Nachhaltigkeit sind zwei sehr wichtige Themen, an denen insbesondere chemische Industrien nicht vorbeikommen (sollten). Dazu gehört nicht nur, Produktionsprozesse effizienter zu gestalten, sondern mit den bereits verwendeten Ressourcen schonend umzugehen und sie nach Möglichkeit wieder aufzubereiten. Im Fokus dieses Projekts: Seltene Erden. Ihre Verwendung in Geräten wie Smartphones, Solaranlagen, zunehmend in Hybridantrieben und zur Kraftstoffeffizienzsteigerung sorgt dafür, dass der Bedarf stetig ansteigt. Die Gewinnung, beziehungsweise der Abbau jedoch ist aus besagtem Umweltschutz zunehmend umstritten. Genauso wie die Länder, von denen mit steigender Nachfrage eine gewisse Abhängigkeit entstehen kann: China, Russland, die USA und Australien. Eine Methode, die Kristallisation und ein Magnetfeld kombiniert, ändert zwar nichts am Abbau, soll aber zur Wiedergewinnung aus Altgeräten beitragen. Die Herausforderung ist, dass sich die 17 Seltenen Erden aus chemischer Sicht kaum unterscheiden – diese bis dato jedoch die Grundlage für ihre Trennung von anderen Metallen waren. Stattdessen reduzierten Forscher der University of Pennsylvania die Temperatur der Säurelösung und fügten ein Magnetfeld hinzu – die Metallsalze kristallisierten und waren in dieser Form per Filter einfach von der Säure zu trennen.
Mehr unter: penntoday.upenn.edu/news/magnets-sustainably-separate-mixtures-rare-earth-metals
Der Atmosphäre CO2 entziehen
Sahag Voskian, Chemie-Ingenieur am MIT, hat für seine Promotion ein neues Verfahren entwickelt, um Kohlendioxid aus der Luft zu entfernen. Dazu nutzte er das Funktionsprinzip von Batterien. Luft wird bei diesem Vorgehen durch elektrochemische Platten geleitet, die durch die Aufnahme des Kohlendioxid ‚geladen‘ würden. Als Ergebnis enthält die Luft kein CO2 mehr und würden die Platten anschließend entladen, wäre das Ergebnis CO2 in seiner reinen Form. ‚Electro-swing adsorption‘ nennt Voskian seine Methode – nicht zu verwechseln mit dem grausigen Musikstil Electro Swing. Diese Art der Abscheidung erfordere keine weiteren chemischen Schritte und sei daher maximal umweltverträglich. Bleibt die Frage: Wohin mit dem CO2? Geht man nach Voskian, kommt das Gas zurück in Getränke, als Pflanzendünger zum Einsatz oder wird unter Tage gelagert.
Volles Video unter vimeo.com/368583616
Effektivere Produktion chemischer Substanzen
Genauer gesagt: In diesem Fall Formaldehyd, die zugehörige Forschung fand an der LMU durch Professor Oliver Trapp statt. Die bisherige Produktion erfordert nicht nur hohe Temperaturen, sondern auch fossile Ressourcen. Industriell wird Formaldehyd erzeugt, indem Synthesegas – eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff – zu Methanol umgesetzt wird, das in einem nächsten Schritt mithilfe von Katalysatoren oxidiert wird. Im neuen Verfahren wird stattdessen CO2 (siehe Projekt oben!) eingesetzt, was im Endeffekt einige Prozessschritte eliminiert und geringere Temperaturen erfordert. Wie die Forscher auf das tolle Ergebnis kamen? Dank Machine Learning. Im Fokus standen sieben Parameter, die die Formaldehyd-Synthese in dem neuen System beeinflussen – welche Parameter-Kombinationen die vielversprechendsten Ergebnisse liefern, das wurde in München mithilfe eines Algorithmus untersucht.
Mehr unter https://www.cup.lmu.de/oc/trapp/
Ölbohrungen sicherer machen
Bei Ölbohrungen kommt Zement eine besondere Bedeutung zu. Ist das Stahlgehäuse im Bohrloch platziert, wird der Zwischenraum, also der Übergang zum Erdreich, mit Zementschlamm gefüllt, damit das Öl nicht entweichen kann und das Stahlgehäuse außerdem vor Korrosion geschützt wird. Da jede Bohrumgebung einzigartig ist, muss der Zementschlamm jedes Mal andere Bedingungen erfüllen und darf beispielsweise nicht zu schnell aushärten.
Forscher des Oak Ridge National Laboratory nehmen jetzt Neutronen zur Hilfe, um die Aushärtungssituation im Bohrloch zu untersuchen: Sie bauten kurzerhand den Nanoscale Ordered Materials Diffractometer (NOMAD).
Mit Hilfe der Neutronen werden die atomaren Bedingungen des Bohrlochs im Labor untersuchbar, da sie tief in die Probe eindringen und so mehr Informationen liefern, als Elektronenstrahlung es bisher tat. Denn Neutronen seien deutlich empfindlicher gegenüber beispielsweise Wasserstoff, womit gerade das Ausgangsproblem untersucht werden kann – die Aushärtung des Zements im Bohrloch.
Mehr unter neutrons.ornl.gov/nomad
Studienpreis Wirtschaftschemie 2019
Julian Vogel – Absolvent des Masterstudiengangs Wirtschaftschemie an der Universität Ulm mit einem Schnitt von 1,1 – beschäftigte sich in seiner Abschlussarbeit mit der Synthese eines neuartigen molekularen Rings. Mit den Ergebnissen lieferte er Grundlagen für eine internationale Publikation und möglicherweise auch für Fortschritte in der organischen Photovoltaik. Daher wurde er von der Vereinigung für Chemie und Wirtschaft mit dem mit 1.000 Euro dotierten Studienpreis ausgezeichnet. Organische Solarzellen sind aktuell ein heißes Forschungsthema, da sie als „Plastiksolarzellen“ sehr günstig hergestellt werden können. Jedoch müssen sowohl die Effizienz als auch die Langzeitstabilität noch deutlich gesteigert werden.
Mini-Chemielabor auf einem Chip
Was nach Science-Fiction klingt, könnte bald Realität sein. Bei den Begriffen ‚Labor‘ und ‚Chemische Experimente‘ denkt man intuitiv an einen großen Raum mit vielen Naturwissenschaftlern und Geräten. Normalerweise werden im Labor Chemikalien und ihre Reaktionen untersucht, das könnte allerdings jetzt in Miniaturform auf einem kleinen Microchip stattfinden.
Praktisch werden dort chemische Experimente durch miteinander verbundene Röhren, welche die Größe eines Haares haben, durchgeführt. Krasse Sache.
Besonders interessant ist dieses Verfahren aktuell für die Medizin. Es kann aber noch nicht zu 100 Prozent effektiv genutzt werden, da die chemischen Reaktionen oft einer größeren Steueranlage außerhalb des Chips bedürfen. Die Saint Louis University arbeitet deshalb daran, solch interne Steuerungen in mikrofluidische Netzwerke zu programmieren.
Der Einsatz der Technik wäre vor allem denkbar in der Entwicklung von Devices, die der Gesundheit dienen und auch zur Durchführung chemischer Tests auf einem anderen Planeten. Wenn die Chemiker also diese Welt gerettet haben, erobern sie auch noch neue.
Mehr unter www.chemie.de.
Weitere Chancen und coole Projekte könnt ihr euch hier durchlesen.