Quantenpunkte sind so etwas wie künstliche Atome: Nur wenige Nanometer gross und aus Halbleitermaterialien bestehend, können sie Licht einer ganz bestimmten Farbe aussenden, im Extremfall gar einzelne Photonen, was für Quantentechnologien wichtig ist. Die Entdecker und Wegbereiter der kommerziellen Herstellung von Quantenpunkten, Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus und Aleksey Yekimov, wurden letztes Jahr mit dem Chemie-Nobelpreis geehrt.

In den letzten Jahren haben vor allem Quantenpunkte aus Perowskiten, einer Materialklasse mit einer ähnlichen Struktur wie das Mineral Perowskit (Kalziumtitanat), von sich reden gemacht. Hergestellt wurden solche Quantenpunkte erstmals 2014 von Forschenden um Maksym Kovalenko an der ETH Zürich und der Empa. Quantenpunkte aus Perowskit-Nanokristallen kann man in Flüssigkeiten zu einer Dispersion mischen, wodurch sie sich leicht weiterverarbeiten lassen. Zudem leuchten sie aufgrund ihrer besonderen optischen Eigenschaften heller als viele andere Quantenpunkte und sind günstiger herzustellen, was sie unter anderem für Anwendungen in Bildschirmen interessant macht.  

Wie man diese ohnehin schon vielversprechenden Eigenschaften von Perowskit-Quantenpunkten nochmals deutlich verbessern kann, hat Kovalenkos Team nun gemeinsam mit KollegInnen in der Ukraine und den USA gezeigt. Dabei kamen sowohl chemische Verfahren zur Oberflächenbehandlung als auch bislang in Perowskit-Quantenpunkten noch nie beobachtete quantenmechanische Effekte zum Einsatz. Ihre Ergebnisse haben die Forschenden kürzlich gleich in zwei Artikeln im renommierten Fachjournal «Nature» veröffentlicht.

«Unglückliche» Atome reduzieren Helligkeit

Die Helligkeit ist eine wichtige Masseinheit für Quantenpunkte und hängt damit zusammen, wie viele Photonen der Quantenpunkt pro Sekunde aussendet. Quantenpunkte geben Photonen einer bestimmten Farbe (also Frequenz) ab, nachdem sie zuvor zum Beispiel durch UV-Licht höherer Frequenz angeregt wurden. Dabei bildet sich ein so genanntes Exziton aus einem Elektronen, das sich nun freier bewegen kann, und einem Loch, also einem fehlenden Elektron in der energetischen Bandstruktur des Materials. Das angeregte Elektron kann danach wieder auf ein niedrigeres Energieniveau zurückfallen und sich so mit dem Loch rekombinieren. Wird die dabei freiwerdende Energie in ein Photon umgewandelt, so sendet der Quantenpunkt Licht aus.

Das funktioniert aber nicht immer. «An der Oberfläche der Perowskit-Nanokristalle befinden sich ‹unglückliche› Atome, denen ihr Nachbar im Kristallgitter fehlt», erklärt ETH-Forscher Gabriele Raino. Diese Randatome stören das Gleichgewicht der positiven und negativen Ladungsträger im Innern des Nanokristalls und können dazu führen, dass bei der Rekombination die Energie nicht als Licht abgegeben wird, sondern in Kristallschwingungen übergeht. Dadurch «blinkt» der Quantenpunkt, leuchtet also nicht durchgehend.

Ein Schutzmantel aus Phospholipiden

Um dies zu verhindern, haben Kovalenko und sein Team massgeschneiderte Moleküle entwickelt, so genannte Phospholipide. «Diese Phospholipide sind den Liposomen sehr ähnlich, mit denen zum Beispiel der mRNA-Impfstoff gegen das Coronavirus so eingebettet wird, dass er in der Blutbahn stabil bleibt und bis zu den Zellen gelangt», erklärt Kovalenko. Ein wichtiger Unterschied: Die Forschenden optimierten ihre Moleküle derart, dass der polare, also elektrisch empfindliche Teil des Moleküls an die Oberfläche der Perowskit-Quantenpunkte andockt und dort dafür sorgt, dass die «unglücklichen» Atome wieder einen (Ladungs-)Partner erhalten.

Der nach aussen abstehende, nichtpolare Teil des Phospholipids macht es zudem möglich, mit Quantenpunkten eine Dispersion in nichtwässrigen Lösungen, etwa in organischen Lösungsmitteln, herzustellen. Auch für die strukturelle Stabilität der Quantenpunkte ist der Lipidmantel auf der Oberfläche der Perowskit-Nanokristalle wichtig, wie Kovalenko betont: «Diese Oberflächenbehandlung ist essenziel für alles, was wir mit den Quantenpunkten machen wollen.» Bisher haben Kovalenko und Co. die Behandlung für Quantenpunkte aus Blei-Halogenid-Perowskiten demonstriert, sie lässt sich aber leicht an andere Metall-Halogenid-Quantenpunkte anpassen.

Noch heller dank Superradianz

Durch die Lipid-Oberfläche konnte das Blinken der Quantenpunkte so weit reduziert werden, dass in 95 Prozent der Elektron-Loch-Rekombinationen ein Photon ausgesandt wird. Um den Quantenpunkt noch heller zu machen, mussten die Forschenden allerdings die Geschwindigkeit der Rekombination selbst erhöhen – und das geht nur mit Hilfe der Quantenmechanik. Ein angeregter Zustand, zum Beispiel ein Exziton, zerfällt dadurch, dass ein Dipol – also gegeneinander verschobene positive und negative Ladungen – mit dem elektromagnetischen Feld des Vakuums in Wechselwirkung tritt. Je grösser dieser Dipol, desto schneller der Zerfall. Eine Möglichkeit, einen grösseren Dipol zu erzeugen, besteht darin, mehrere kleinere Dipole einheitlich aneinander zu koppeln. Das ist vergleichbar mit Pendeluhren, die mechanisch miteinander verbunden sind und dadurch nach einer gewissen Zeit im Takt schlagen.

Die Forschenden konnten im Experiment zeigen, dass diese kohärente Kopplung auch in Perowskit-Quantenpunkten funktioniert – und zwar mit einem einzigen Exziton-Dipol, der sich durch quantenmechanische Effekte im gesamten Volumen des Quantenpunkts ausbreitet und so gleichsam mehrere Kopien seiner selbst erzeugt. Je grösser der Quantenpunkt, desto mehr Kopien können entstehen. Diese können dann einen als Superradianz bezeichneten Effekt hervorrufen, durch den das Exziton viel schneller rekombiniert. Der Quantenpunkt ist daher auch schneller wieder bereit, ein neues Exziton aufzunehmen und kann so mehr Photonen pro Sekunde abgeben, er strahlt also noch heller. Wichtig dabei: Der schnellere Quantenpunkt sendet weiterhin einzelne Photonen aus (nicht mehrere zugleich) – und eignet sich damit für Quantentechnologien.

Die optimierten Perowskit-Quantenpunkte sind laut Kovalenko nicht nur für die Lichterzeugung und Displays interessant, sondern auch in anderen, weniger offensichtlichen Gebieten. So könnten sie beispielsweise als lichtaktivierte Katalysatoren in der organischen Chemie zum Einsatz kommen. An solchen und anderen Anwendungen forscht Kovalenko unter anderem im Rahmen des nationalen Forschungsschwerpunkts «NCCR Catalysis».

Fluglärm stellt für Anwohner von Flughäfen und in Flugschneisen oft ein Ärgernis dar – und schlimmstenfalls eine Gefahr für die Gesundheit: von Schlafstörungen bis hin zu Herz-Kreislauf-Erkrankungen. In Europa waren 2017 laut einem Bericht der Europäischen Umweltagentur rund vier Millionen Menschen zu hohen Fluglärmpegeln ausgesetzt. Als Hoffnungsträger, um diese Belastung zu lindern, gelten neuartige Flugzeuge mit «Blended Wing Body», deren Rumpf in die Flügel «fliessend» übergeht – mit weniger Luftwiderstand und Treibstoffverbrauch. Und mit geringeren Lärmemissionen zum Boden hin, wenn die Triebwerke oben auf dem Rumpf angebracht sind.

Zwar lassen sich die Geräuschemissionen solcher Flieger mit Simulationstools abschätzen – doch ihre störende und belastende Wirkung auf Menschen lässt sich nur realistisch erfassen, indem man die subjektive Wahrnehmung von Betroffenen berücksichtigt. Akustikfachleute der Empa verfolgen seit Jahren erfolgreich den Ansatz der sogenannten Auralisation für Höreindrücke, analog zur Visualisierung für das Auge – zum Beispiel, um die Auswirkungen von Bahnlärm auf Menschen zu untersuchen.

Dieses Knowhow nutzten Reto Pieren, Axel Heusser und Beat Schäffer von der Abteilung «Akustik / Lärmminderung» auch im europäischen Projekt «ARTEM» («Aircraft Noise Reduction Technologies and related Environmental iMpact», siehe Infobox), in dem zahlreiche Partner Konzepte für lärmarme Langstreckenflugzeuge entwickelten – mit einem eigens entworfenen «Blended Wing Body» (BWB) und unterschiedlichen Triebwerkvarianten.

Zusätzlich berücksichtigte das Konsortium weitere Technologien zur Lärmminderung wie eine Flügelhinterkante mit optimierten Krüger-Klappen oder moderne Getriebefan-Triebwerke mit einem grossen Verhältnis des Luftstroms ausserhalb der Brennkammer zum Luftstrom des heissen Abgasstrahls, was den Lärm deutlich reduziert.

Lärmsimulationen – rein rechnerisch

Wie würden solche neuartige Langstreckenflugzeuge für rund 400 Passagiere im Vergleich zu herkömmlichen Flugzeugen abschneiden? Das Empa-Team publizierte ihre Ergebnisse nun im Fachjournal «Aerospace Science and Technology». Auf der Basis von physikalischen Gesetzen erzeugten die Experten Lärmsimulationen von Überflügen – rein synthetisch mittels Computerprogrammen. Sie überprüften diese Simulationen mit Aufzeichnungen von heutigen Flugzeugen von An- und Abflügen rund um den Flughafen Zürich. Weil die simulierten Geräusche mit den Messdaten gut übereinstimmten, liessen sie sich für den Vergleich mit den Simulationen für das neuartige BWB-Flugzeugkonzept verwenden.

Um zu erfassen, wie störend die Lärmimmissionen der unterschiedlichen Verkehrsflugzeuge beim Überflug auf Menschen wirken, nahmen 31 Personen im Alter von 18 bis 61 Jahren an aufwändig gestalteten Versuchen im «AuraLab» der Empa teil. Die räumlichen Simulationen aus den präzise angeordneten Lautsprechern umfassten – nach einem Durchgang zur Gewöhnung – 36 Überflüge: Starts und Landungen der konventionellen und innovativen Flugzeugtypen, jeweils in unterschiedlichen Flugphasen. Diese Lärmszenarien umfassten auch Details wie Klappenstellungen oder die Position des Fahrwerks sowie atmosphärische Bedingungen wie Turbulenzen oder Schallreflexionen am Boden.

Nach dem Experiment füllten die Versuchspersonen Fragebögen aus, in denen sie ihre subjektiven Eindrücke wiedergaben – mit Hilfe einer gängigen und standardisierten 11-Punkte-Skala, die von 0 für «überhaupt nicht gestört oder belästigt» bis zu 10 für «äussert gestört oder belästigt» reichte. Zudem wurden sie befragt, wie vertraut das jeweilige Schallereignis für sie klang.

Deutlich geringere Belästigung empfunden

Die Resultate: Beim neuartigen BWB-Flugzeug wurde die Belästigung im besten Fall um 4,3 Einheiten schwächer bewertet als beim herkömmlichen Passagierjet. Ein deutlicher Unterschied also, der auch daran lag, dass der virtuelle Flieger in der Simulation mit weiteren Technologien zur Lärmminderung oder besonders emissionsarmen Triebwerken ausgestattet war. Zudem zeigten die Befragungen, dass Starts dieses Flugzeugtyps einen Klangeindruck hinterliessen, der den Teilnehmenden weniger vertraut war – ein Hinweis auf ungewöhnliche akustische Merkmale, die wahrscheinlich auch das Belästigungsempfinden positiv beeinflussen dürfte.

Welche Variante eines BWB-Flugzeugs sich in Zukunft durchsetzen kann, ist angesichts vieler möglicher Varianten freilich kaum vorherzusagen. Sicher ist laut Empa-Forscher Reto Pieren aber eines. «Der stärkste Beitrag zur Lärmminderung stammt zweifellos von der Form des Flugzeugs, die den Triebwerkslärms nach unten abschirmt», so der Akustiker, «weitere Technologien zur Lärmminderung machen nur etwa 15 Prozent der Reduzierung der Belästigung aus.»

Grosse EU-Studie zu Fluglärm

«ARTEM» («Aircraft noise Reduction Technologies and related Environmental iMpact») war ein fünfjähriges Forschungsprojekt, das sich ab Ende 2017 mit neuartigen Technologien zur Lärmreduzierung für Flugzeugkonfigurationen ab 2035 und 2050 befasste. Zum einen wurden innovative Ansätze entwickelt, um den Fluglärm an der Quelle zu mindern. Zum zweiten befasste sich das Projekt mit Konzepten, um Triebwerkslärm und andere Lärmquellen durch neue Materialien effektiv zu dämpfen. Die neuen Technologien mündeten in das Design eines künftigen Jets mit «Blended Wing Body». Beteiligt an dem Grossprojekt waren 24 Partner aus zehn europäischen Ländern, darunter das französische «Office national d’études et de recherches aérospatiales» (ONERA) und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), das das Projekt koordinierte, die Universität Rom III und die EPFL. Finanziert wurde «ARTEM» im Rahmen des EU-Förderprogramms Horizon 2020.

Irgendwann vor mehr als 5000 Jahren kam der Mensch auf die Idee, eine Wunde mit Nadel und Faden zu vernähen. Seither hat sich an diesem chirurgischen Prinzip nicht viel geändert: Abhängig vom Fingerspitzengfühl der operierenden Person und der Ausrüstung lassen sich Schnitte oder Risse im Gewebe mehr oder weniger perfekt aneinanderfügen. Sind dann beide Seiten einer Wunde sauber aufeinander fixiert, kann der Körper beginnen, die Gewebelücke auf natürliche Weise dauerhaft zu schliessen.

Doch nicht immer erreicht die Naht, was sie soll: Bei sehr weichen Geweben kann der Faden durch das Gewebe schneiden und zusätzliche Verletzungen verursachen. Und wenn der Wundverschluss an inneren Organen nicht dichthält, können durchlässige Nähte ein lebensbedrohliches Problem darstellen. Forschende der Empa und der ETH Zürich haben nun einen Weg gefunden, Wunden mittels Laser zu verlöten.

 Temperatur in Echtzeit steuern

Beim Löten werden üblicherweise Werkstoffe mittels Hitze über ein schmelzendes Verbindungsmittel aneinandergefügt. Dass diese thermische Reaktion bei biologischen Materialien in engen Grenzen bleiben muss und gleichzeitig die Temperatur auf nicht-invasive Weise schwierig zu messen ist, war bisher ein Problem für die Anwendung von Lötverfahren in der Medizin. Das Team um Oscar Cipolato und Inge Herrmann vom «Particles Biology Interactions»-Labor der Empa in St. Gallen und dem «Nanoparticle Systems Engineering Laboratory» der ETH Zürich tüftelte daher an einem smarten Wundverschluss-System, bei dem sich das Laser-Löten schonend und effizient steuern lässt. Sie entwickelten hierzu ein Verbindungsmittel mit Metall- und Keramik-Nanopartikeln und setzten ein Nanothermometrie-Verfahren zur Temperaturkontrolle ein.

Die Eleganz des neuen Lötverfahrens beruht dabei auch auf dem Zusammenspiel der zwei Nanopartikel-Arten in der verbindenden Eiweiss-Gelatine-Paste. Während die Paste mittels Laser bestrahlt wird, wandeln Titannitrid-Nanopartikel das Licht in Wärme um. Die eigens synthetisierten Bismutvanadat-Partikel in der Paste wirken hingegen als winzige fluoreszierende Nanothermometer: Sie strahlen temperaturabhängig Licht spezifischer Wellenlänge ab und erlauben so eine äusserst präzise Temperaturregulierung in Echtzeit. Damit ist die Methode besonders geeignet für die Anwendung in der minimal invasiven Chirurgie, da sie ohne Berührung auskommt und Temperaturdifferenzen mit feinster räumlicher Auflösung in oberflächlichen und tiefen Wunden ermittelt.

 Schonendes Infrarotlicht

Nachdem das Team die Bedingungen für das «iSoldering» (Englisch für «intelligentes Löten») über mathematische Modellierungen «in silico» optimiert hatte, konnten die Forschenden die Leistungsfähigkeit des Kompositmaterials untersuchen. Gemeinsam mit Chirurgen und Chirurginnen des Universitätsspital Zürich, der «Cleveland Clinic» (USA) und der tschechischen Karls-Universität erzielte das Team in Labortests mit verschiedenen Gewebeproben eine schnelle, stabile und bioverträgliche Verbindung von Wunden beispielsweise an Organen wie der Bauchspeicheldrüse oder der Leber. Ebenso erfolgreich und schonend verlief das Versiegeln von besonders anspruchsvollen Gewebestücken etwa der Harnröhre, des Eileiters oder des Darms mittels iSoldering. Mittlerweile ist das Nanopartikel-Kompositmaterial denn auch zum Patent angemeldet.

Doch damit gaben sich die Forschenden noch nicht zufrieden: Es gelang ihnen, die Laser-Lichtquelle durch schonenderes Infrarotlicht zu ersetzen. Dies bringt die Löttechnologie einen weiteren Schritt näher zur Anwendung im Spital: «Würde mit bereits medizinisch zugelassenen Infrarotlampen gearbeitet, liesse sich die innovative Löttechnik ohne zusätzliche Laser-Schutzmassnahmen in herkömmlichen Operationssälen verwenden», sagt Empa-Forscherin Inge Herrmann.

Um das Ziel einer klimaneutralen Schweiz bis 2050 zu erreichen, sind Strategien und Prozesse nötig, die eine negative CO₂-Bilanz aufweisen. Diese sogenannten Negativemissionstechnologien (NET) bilden das Gegengewicht zu den voraussichtlich verbleibenden Emissionsausstössen im Jahr 2050 und sollen dazu beitragen, dass das Resultat der Emissionsrechnung letztlich «Netto Null» sein wird. Gerade der Baubereich ist als einer der Hauptemittenten besonders in der Pflicht. Rund acht Prozent der globalen Treibhausgasemissionen werden durch die Zement-Herstellung verursacht. Gleichzeitig keimen erste Bestrebungen, den Bausektor mit seinem massiven Ressourcenverbrauch als mögliche Kohlenstoffsenke zu nutzen. Was paradox klingt, gelingt dann, wenn wir beginnen «mit CO₂ zu bauen» – beziehungsweise den Kohlenstoff zur Herstellung von Baumaterialien zu verwenden und dadurch langfristig der Atmosphäre zu entziehen. Damit solche Visionen dereinst Realität werden, braucht es grosse wissenschaftliche Vorarbeit – so wie sie momentan im «Concrete & Asphalt Lab» der Empa geleistet wird. Ein Team rund um Abteilungsleiter Pietro Lura entwickelt ein Verfahren, wie Pflanzenkohle praxistauglich in Beton integriert werden kann. 

Schwierigkeiten aufgrund der Porosität

Pflanzenkohle entsteht durch einen pyrolytischen Verkohlungsprozess unter Luftabschluss und besteht zu einem sehr grossen Teil aus reinem Kohlenstoff – jenem Kohlenstoff, den die Pflanzen beim Wachsen in Form von CO₂ der Atmosphäre entnommen haben. Während bei der Verbrennung von Pflanzen das CO₂ wieder entweicht, bleibt es in der Pflanzenkohle langfristig stabil. Bereits heute gibt es erste Betonprodukte mit integrierter Pflanzenkohle auf dem Markt. Dabei wird die Kohle aber häufig unbehandelt in den Beton eingebracht, was zu einigen Schwierigkeiten führen kann. «Die Pflanzenkohle ist sehr porös und absorbiert deshalb nicht nur viel Wasser, sondern auch teure Zusatzmittel, die bei der Betonherstellung verwendet werden», erklärt der Empa-Forscher Mateusz Wyrzykowski. «Ausserdem ist die Handhabung schwierig und auch nicht ganz ungefährlich. Der Kohlenstaub ist problematisch für die Atemwege und birgt eine gewisse Explosionsgefahr.»

Aus diesen Gründen schlagen die Forschenden in ihrem eben erschienenen Paper im «Journal of Cleaner Production» die Verarbeitung der Pflanzenkohle in Pellets vor. «Solche leichten Gesteinskörnungen gibt es heute bereits aus anderen Materialien wie Blähton oder Flugasche. Das Know-how im Umgang mit diesen Stoffen ist in der Branche vorhanden und damit steigen auch die Chancen, dass das Konzept in die Praxis übergeht», sagt Wyrzykowski.

Netto-Null bei 20% Anteil

Zur Fertigung der Pellets nutzte das Team einen Rotationsmischer, vermengte darin die Pflanzenkohle mit Wasser und Zement und erhielt durch die Rotation kleine Kügelchen mit einem Durchmesser zwischen 4 und 32 Millimetern. Diese Pellets wiederum nutzten sie zur Herstellung von Normalbeton der Festigkeitsklassen C20/25 bis C30/37 – jener Klassen, die heute die grösste Verbreitung im Hoch- und Tiefbau haben. «Bei einem Anteil von 20 Volumenprozent Kohlenstoffpellets im Beton erreichen wir Netto-Null-Emissionen», sagt Mateusz Wyrzykowski. Das heisst, die gespeicherte Menge Kohlenstoff kompensiert alle Emissionen, die bei der Produktion der Pellets wie auch des Betons anfallen. Während man wohl auch beim Normalbeton (Dichte zwischen 2000 bis 2600 kg/m³) mit 20 Volumenprozent die Grenze noch nicht erreicht hat, wird das negative Emissionspotenzial bei Leichtbeton (Dichte ca. 1800 kg/m³) besonders sichtbar: Ein Anteil von 45 Volumenprozent Kohlenstoffpellets im Beton führen zu insgesamt negativen Emissionen von minus 290 kg CO₂/m³. Zum Vergleich: Ein herkömmlicher Beton schlägt mit plus 200 kg CO₂/m³ zu Buche. 

Kohlenstoff aus der Atmosphäre

Für Abteilungsleiter Pietro Lura ist die Forschung in seinem Labor ein entscheidender Beitrag zur Erreichung der Klimaziele. Als wichtigste Kohlenstoffquelle sieht er nicht in erster Linie die Pflanzenkohle, die bei der aktuellen Forschung als Modellmaterial gedient hat. Vielmehr lenkt er den Blick auf das breit angelegte Konzept «Mining the Atmosphere», das mehrere Forschungsabteilungen an der Empa verfolgen: die Produktion von synthetischem Methangas mithilfe von Sonnenenergie, Wasser und CO₂ aus der Atmosphäre in sonnenreichen Regionen der Erde und die anschliessende Pyrolyse des Gases. «Dadurch erhält man Wasserstoff, den man als Energieträger in der Industrie oder der Mobilität nutzen kann und festen Kohlenstoff, den wir – wie die Pflanzenkohle – zu Pellets verarbeiten und in den Beton einbringen können», erklärt Lura.

Billige Energie in Form von Kohle, Erdöl und Erdgas ist seit dem 19. Jahrhundert der Katalysator für einen Entwicklungsschub, wie er in so kurzer Zeit in der Geschichte der Menschheit noch nie erfolgte – und der bis heute andauert. Die Produktivität ist förmlich explodiert, die Lebenserwartung stieg in Europa um mehrere Jahrzehnte, und global war die Armutsrate noch nie so tief wie heute (auch wenn sie in vielen Regionen der Erde immer noch zu hoch ist). Gleichzeitig führte das rasante Wachstum aber auch zu einer Überbeanspruchung der natürlichen Ressourcen unseres Planeten. Die Folgen sind die schwindende Biodiversität und die Klimaerwärmung, beides stellt unsere heutige Lebensgrundlage langfristig in Frage.

Emissionen aktiv reduzieren

Die Klimaerwärmung – und damit auch ein Teil der abnehmenden Biodiversität – ist auf die durch den Menschen verursachten Treibhausgasemissionen zurückzuführen, vor allem in Form von CO₂ und Methan. Mit dem Paris-Abkommen aus dem Jahr 2015, das die Klimaerwärmung begrenzen soll, haben sich zahlreiche Staaten inklusive der Schweiz das Ziel gesetzt, ihre Treibhausgasemissionen bis 2050 auf Netto Null zu senken. Um dies zu erreichen, müssen wir sowohl die Energieeffizienz zahlreicher Prozesse unseres gesamten Lebens deutlich steigern als auch fossile Energieträger durch erneuerbare Energien ersetzen. Einige Emissionen werden indes kaum zu verhindern sein, etwa in der Landwirtschaft und anderen Bereichen; um diese zu kompensieren – und unterm Strich tatsächlich bei Netto-Null zu landen –, sind «Negativemissionstechnologien» (NET) unabdingbar, mit denen sich die Menge an Treibhausgasen in der Atmosphäre aktiv reduzieren lässt.

Klar ist: Netto Null bis 2050 benötigt gewaltige Anstrengungen, die weit über das hinausgehen, was die Schweiz oder auch andere Länder bis heute beschlossen und umgesetzt haben. Kommt dazu, dass Netto Null lediglich ein erster Schritt ist; in der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts müssen wir weltweit eine negative CO₂-Bilanz im Umfang von etwa 10-20 Milliarden Tonnen erzielen – pro Jahr! Der Grund dafür ist die Langlebigkeit von CO₂ in der Atmosphäre. Während das viel potentere Treibhausgas Methan innert weniger Jahrzehnte vollständig abgebaut ist, wird einmal emittiertes CO₂ auf natürlichem Weg erst im Verlauf von vielen Jahrhunderten wieder aus der Atmosphäre eliminiert. Folglich wird die Klimaerwärmung auch bei Netto Null nicht «über Nacht» haltmachen oder gar zurückgehen. Lassen wir die Temperaturen allerdings weiterhin auf einem deutlich erhöhten Niveau, dürfte es zu irreversiblen Veränderungen im Klimasystem der Erde mit kaum abschätzbare Konsequenzen kommen, etwa das Abschmelzen des Eisschildes von Grönland, was alleine einen Anstieg des Meeresspiegels um knapp sieben Meter zur Folge hätte.

CO₂ als Ressource

Doch selbst, wenn es unserem Energiesektor gelingt, sich von Kohle, Öl und Gas zu lösen, ist eine weitere Herausforderung zu meistern: Erdöl und Co. dienen als Ausgangsmaterialien für die unterschiedlichsten kohlenstoffhaltigen Materialien, angefangen bei Kerosin über Polymere und Medikamente bis hin zu Bitumen für die Asphaltierung unserer Strassen. All diese Materialien aus Biomasse herzustellen ist rein technisch kaum möglich und würde wohl auch das nachhaltig zur Verfügung stehende Angebot an Biomasse weit übersteigen. Will heissen: Wir benötigen eine neue Kohlenstoffquelle.

Die Antwort auf diese zweifache Herausforderung lautet «Mining the Atmosphere». Die Idee: Das vom Menschen verursachte überschüssige CO₂ wird der Atmosphäre wieder entzogen und als Ausgangsmaterial für kohlenstoffhaltige Materialien verwendet. Diese verwenden wir dann möglichst lange in geschlossenen Kreisläufen, bevor sie in finalen Senken landen. So stellen wir eine Fixierung des Kohlenstoffs für mehr als 1000 Jahren sicher. Die dazu notwendige Entwicklung von Materialien und Prozessen fördert so letztlich den Übergang von einer CO₂-emittierenden zu einer CO₂-bindenden Gesellschaft.

Die Empa-Forschungsinitiative «Mining the Atmosphere» ist – dem Forschungsthema entsprechend – langfristig ausgelegt und umfasst verschiedene «Pfeiler»: CO₂-Gewinnung, dessen Umwandlung, Anwendungen der neuartigen Materialien in verschiedensten Bereichen und systemische Betrachtungen wie Lebenszyklusanalysen. Egal, welche Lösungswege wir künftig auch entwickeln, eines dürfen wir dabei nie aus den Augen verlieren – die Einhaltung der planetaren Grenzen.

Ein Schlüsselelement ist die ausschliessliche Verwendung erneuerbarer Energie in allen Bereichen bzw. die Frage, ob diese in ausreichender Menge zur Verfügung steht. Unsere Überlegungen gehen davon aus, dass dies in einigen Jahrzehnten der Fall sein wird. Das Potential ist zweifellos vorhanden: Die Sonne schickt rund 10’000-mal mehr Energie zur Erde, als wir heute brauchen. Dazu kommt, dass rund 99% unseres Planeten heisser sind als 1’000 Grad – um nur die zwei der wichtigsten nachhaltigen Energiequellen zu nennen.

Die drei Quellen des Kohlenstoffs

Den «atmosphärischen Rohstoff» CO2 kann man aus drei Quellen gewinnen: direkt aus der Luft mittels «Direct Air Capture» (DAC), durch elektrolytische Verfahren aus den Ozeanen, die rund ein Drittel des anthropogenen CO2 absorbieren, und aus Biomasse. CO2 aus der Luft und aus den Ozeanen kann dann direkt in geeignete geologische Formationen eingelagert werden («Carbon Capture and Storage», CCS). Mit «Mining the Atmosphere» verfolgen wir allerdings einen alternativen Weg, bei dem CO2 mittels Wasserstoff in kurz- oder längerkettige Kohlenwasserstoffe umgewandelt wird und damit die bisherigen fossilen Rohstoffe ersetzen kann. Gleichzeitig können bestehende Logistikketten weiterverwendet werden, es sind ja chemisch gesehen die gleichen Verbindungen. Schlüsselelemente für eine erfolgreiche Umsetzung dieser Idee sind katalytische Prozesse für die diversen chemischen Umwandlungsreaktionen und vor allem das Energiemanagement. Denn das «Gesamtpacket» benötigt jede Menge Energie. Viele dieser Prozesse werden daher kaum in der Schweiz ablaufen, sondern eher dort, wo erneuerbare Energie im Übermass vorhanden ist, etwa im Sonnengürtel der Erde.

In einer ersten Phase fokussieren wir auf zwei «Use cases» für die Anwendung CO2-basierter Materialien: Massenprodukte mit dem Potential, Milliarden Tonnen Kohlenstoff zu binden, und Produkte mit einer hohen Wertschöpfung, die dadurch einen massgeblichen Beitrag zu Finanzierung des Vorhabens beisteuern. Baumaterialien haben den mit Abstand grössten Anteil an den globalen Materialflüssen. Kohlenstoff-basierte Zuschlagstoffe für Beton und Asphalt sowie thermische Isolationsmaterialien stehen daher derzeit im Zentrum unserer Forschung. Die Kohle kann entweder über die Pyrolyse von Biomasse oder von synthetischem Methan gewonnen werden, was zudem Wasserstoff für energetische Anwendungen liefert.

Schon ein Schritt weitergedacht

Mit «Mining the Atmosphere» wollen wir einen gangbaren Weg aufzeigen, wie sich Klimaveränderungen mit unkalkulierbaren Risiken vermeiden lassen. Damit wir auf diesem Weg aber auch unser Ziel erreichen, müssen wir zunächst einmal unsere Treibhausgasemissionen schnell und massiv senken und den Ausbau erneuerbarer Energien deutlich beschleunigen. Mit «Mining the Atmosphere» bereiten wir bereits den nächsten Schritt vor – das grosse Saubermachen unserer CO2-verschmutzten Atmosphäre. 

Neue NEST-Unit «Beyond Zero»

Die NEST-Unit «Beyond Zero» fördert vielversprechende CO₂-reduzierte und CO₂-negative Innovationen im Baubereich und zeigt, ob und wie Gebäude als Kohlenstoffsenken wirken können. In der Unit werden neuartige, an der Empa entwickelte Baumaterialien wie Beton oder Isolationsmaterial verbaut, die Kohlenstoff aus der Atmosphäre binden können. Das Projekt analysiert dabei auch die globale Machbarkeit derartiger Technologien und liefert Hinweise, wie die Transformation der Baubranche gelingen kann. «Beyond Zero» befindet sich derzeit in der Planungsphase. Weitere Informationen: nest.empa.ch/beyondzero

Anlässlich des Besuchs des schweizerischen Bundespräsidenten Alain Berset in Oman wurde ein "Memorandum of Understanding" zu nachhaltiger Energie und Energietechnologien unterzeichnet und Empa-Forscher Christian Bach konnte als Co-Koordinator von reFuel.ch einen entsprechenden "Letter of Interest" des omanischen Botschafters in der Schweiz, H.E. Mahmood Al Hassani, für eine entsprechende Zusammenarbeit im Empfang nehmen; das reFuel.ch-Konsortium kommt also genau zur rechten Zeit. Obwohl dies nur die ersten Schritte auf dem langen Weg zur Versorgung der Schweiz mit nachhaltig erzeugten Treibstoffen und Grundchemikalien sind, zeigt sich darin die internationale Dimension von reFuel.ch, das mehr als 60 Projektpartner aus der ganzen Wertschöpfungskette zusammenbringt.

Der Unterzeichnung folgen bereits erste konkrete Schritte. So wird eine reFuel.ch-Delegation mit 15 Wirtschafts- und Forschungsvertretern im Dezember in den Oman reisen, um am Rande des dortigen "Green Hydrogen Summits" Gespräche mit dem omanischen Ministerium für Energie und Mineralien zu führen. Inhalt wird die Entwicklung von Ansätzen zur Produktion nachhaltiger Energieträger und Grundchemikalien sowie regulatorische und markttechnische Lösungen sein.

Ein weiteres – europäisches – Fallbeispiel läuft demnächst in Südspanien an. Parallel dazu sollen die Wirkungsgrade und damit auch die Kosten der heute verfügbaren Verfahren zur Herstellung nachhaltiger Energieträger signifikant verbessert werden. Die Schweiz als Forschungs- und Technologiestandort kann dabei einen wichtigen Beitrag zur Lösung des globalen Klimaproblems leisten. Internationale Zusammenarbeit für effizientere HerstellungDas vom BFE finanzierte Konsortium untersucht, wie fossile Kraftstoffe zum Beispiel im Flugverkehr und bei industriellen Prozessen durch nachhaltige Energieträger ersetzt werden können. Diese werden zu einem überwiegenden Teil aus dem Ausland stammen. Dabei könnten Länder im Sonnengürtel der Erde eine wichtige Rolle spielen. Die Forschenden werden sich dementsprechend stark mit ausländischer Produktion, regulatorischen und rechtlichen Rahmenbedingungen auseinandersetzen sowie mit der Frage der Abhängigkeit. Damit die Schweiz ihren Bedarf an nachhaltigen Treibstoffen und Grundchemikalien im Umfang von 30 bis 60 Terrawattstunden (ca. 3 bis 6 Milliarden Liter Dieseläquivalent) decken kann, benötigt sie vor Ort eine PV-Fläche von 200 bis 400 km², was etwas weniger als der Fläche des Bodensees entspricht. Pro Quadratmeter PV-Fläche können im Sonnengürtel zwei- bis dreimal mehr Strom erzeugt werden als in der Schweiz. So gewonnener Strom soll künftig die energetische Grundlage für die Herstellung nachhaltiger Treibstoffe und Grundchemikalien sein.

Innerhalb der Schweiz fokussiert sich das Konsortium auf die verstärkte energetische Nutzung von Hofdünger (vor allem Gülle) für die Weiterentwicklung in gasförmige oder flüssige Energieträger und die Effizienzsteigerung der Herstellungsverfahren für synthetische Treibstoffe.

Unzählige Male pro Tag berühren Patienten, Besucherinnen oder medizinisches Personal im Spital Oberflächen jeglicher Art. Dabei können diese Türgriffe, Geländer oder Liftknöpfe als Transportvehikel für Krankheitserreger wie Spitalkeime oder Viren dienen. Glatte Oberflächen lassen sich zwar nach einer Kontamination vergleichsweise einfach reinigen. Bei porösen Strukturen wie Textilien ist dies dagegen nicht so trivial. Dieses Problem haben Empa-Forschende zusammen mit Experten der BASF, des Labor Spiez und der Technischen Universität Berlin gelöst: Mit einem Beschichtungsverfahren können nun Stoffe so behandelt werden, dass bakterielle und virale Krankheitserreger abgetötet oder im Wachstum gehemmt werden. In Spitälern könnten die imprägnierten Textilien künftig beispielsweise als antimikrobiell-wirkende Vorhänge zwischen Patientenbetten eingesetzt werden.

Monatelang aktiv

«Wir haben ein Verfahren gesucht, das Keime zuverlässig daran hindert, Textilien zu kontaminieren, die während des Gebrauchs mit einer Vielzahl von Menschen in Kontakt kommen», erklärt Peter Wick vom «Particles-Biology Interactions» Labor der Empa in St. Gallen. So könne man Infektionsketten unterbrechen, bei denen sich etwa multiresistente Bakterien oder virale Krankheitserreger auf Spitalvorhängen festsetzen und sich dann von Menschen weitertragen lassen.

Die Forschenden entwickelten schliesslich ein Beschichtungsverfahren, bei dem Benzalkoniumchlorid-haltiges Desinfektionsmittel gleichmässig in die Spitalvorhänge eingearbeitet wurde. Nachdem Variablen wie Konzentration, Einwirkzeit, Verarbeitungsdruck und Trocknung optimiert waren, haftete die Beschichtung stabil auf den Textilien. Doch wirkten die beschichteten Textilien auch keimtötend? Das sollten Analysen der antimikrobiellen Aktivität der ersten Stoffproben zeigen.

«Die Ergebnisse der Laboruntersuchungen waren sehr erfreulich», so Wick. Denn als die Bakterienkulturen einiger typischer Problemkeime mit den Stoffproben inkubiert wurden, hemmten die beschichteten Textilproben das Wachstum beispielsweise von Staphylokokken und Pseudomonas-Bakterien. «Die Spitalkeime wurden bereits nach zehn Minuten deutlich reduziert oder sogar abgetötet», so der Empa-Forscher. Ausserdem war die Beschichtung auch gegen virale Erreger aktiv: Über 99 Prozent der untersuchten Viren konnten durch die beschichteten Stoffproben abgetötet werden.

Ein weiterer Pluspunkt: Auch nach mehrmonatiger Lagerung blieben die Beschichtungen wirksam. Dies erlaubt eine Produktion auf Vorrat. Mit dem neuen Verfahren könnten künftig zudem auch andere Textilien respektive Filter oder Reinigungsutensilien bei Bedarf zügig und sicher antimikrobiell ausgerüstet werden, etwa bei einer anrollenden Epidemie, betont Empa-Forscher Wick.

Das Kniegelenk ist eine äusserst komplexe biomechanische Errungenschaft der Evolution. Wer je selbst eine Verletzung dort erlitten hat, kennt die schmerzvollen Geduldsproben bei Diagnostik und Therapie. Ein nicht trivialer Mitspieler im anatomischen Orchester des zusammengesetzten Gelenks ist der Meniskus. Empa-Forscherinnen erstellen jetzt eine «3D-Landkarte» des kostbaren Knorpels.

3D-Modelle für die Operation

Als Mondsichel-förmiges Gleitkissen dämpft der Meniskus Erschütterungen und ermöglicht die reibungslose Bewegung zwischen Ober und Unterschenkel. Allerdings sind die beiden Menisken pro Knie anfällig für Verschleiss und Verletzungen. So weist etwa jedes dritte Knie in der Bevölkerung ab 40 Jahren einen deutlichen Meniskus-Verschleiss auf, und rund 15 Prozent aller Unfälle des Kniegelenks betreffen den Meniskus. Allein diese Unfälle verursachen laut der Unfallversicherung Suva in der Schweiz jährlich Gesundheitskosten von über 650 Millionen Franken.

Soll zur Behandlung ein operativer Eingriff am Knie erfolgen, ist der Meniskus grundsätzlich kein dankbarer Kandidat, denn sein Gewebe wird nur in bestimmten Abschnitten mit Blut versorgt. Für gute Heilungschancen ist eine genaue Kenntnis dieses wertvollen Gefässgeflechts hilfreich. Bislang basieren die Informationen allerdings auf zweidimensionalen Bildern von Gewebeschnitten. Hierdurch gehen wertvolle Daten etwa zur Verformbarkeit des Knorpels oder zur Vernetzung der Gefässe verloren.

«Wir wollen eine dreidimensionale «Landkarte» durch den Meniskus in hoher Präzision erstellen», erklärt Federica Orellana vom «Center for X-ray Analytics» der Empa in Dübendorf. Dies könne die Behandlung optimieren und massgeschneiderte Therapien im Sinne einer personalisierten Medizin ermöglichen, so die Biophysikerin.

Verästelte Äderchen

Das Team um Federica Orellana und Projektleiterin Annapaola Parrilli strebt dabei eine Genauigkeit an, die mit Apparaturen in Spitälern nicht zu erreichen ist. Gegenüber einer Auflösung im Millimeterbereich bei einer klinischen Computertomographie (CT), können die Mikro- und Nano-Computertomographen der Empa-Labors sogar die Mikrometergrenze unterschreiten. Aus diesen radiologischen Aufnahmen erstellen die Forscherinnen mathematische Modelle, mit denen sich die Dichte, die Struktur, die biomechanische Verformbarkeit und das Gefässnetz des Knorpels im Raum erfassen und kartieren lassen.

Mit der Unterstützung des Schweizerischen Nationalfonds (SNF) und gemeinsam mit den klinischen Partnern des «Istituto Ortopedico Rizzoli» in Bologna, des Kantonsspitals Winterthur und der Universität Zürich arbeiten die Forschenden derzeit mit einer Vielzahl von Laborproben, um eine möglichst aussagekräftige Datengrundlage aufzubauen. Erste Computersimulationen zeigen die verästelten Äderchen im Meniskus bereits in vielversprechender Präzision. Die Mikro-CT-Bilder übermitteln die strukturelle Komplexität des Gewebes und erlauben in den mathematischen Modellierungen auch weitere Informationen wie die Porosität oder wie stark die Blutgefässe gewunden sind.

Derzeit arbeitet Federica Orellana an einem 3D-Atlas mit gesunden Meniskus-Gewebeproben. In einem nächsten Schritt werden CT-Aufnahmen von Verletzungen und Abnutzungen aller Art in die Modelle integriert. So könnten Betroffene direkt während einer Untersuchung essenzielle Informationen zum Selbstheilungspotenzial des Gewebes erhalten und die Strategien für eine individuelle Behandlung könnte optimiert werden. Dabei, so betont die Biophysikerin, solle die 3D-Landkarte sowohl für Unfallpatientinnen und -patienten als auch bei Abnutzungsprozessen im Alter eingesetzt werden können.

Zwei farbige Flüssigkeiten, die durch Röhrchen blubbern: Sieht so die Batterie der Zukunft aus? Diese Frage will Empa-Forscher David Reber in den nächsten vier Jahren beantworten mit der Unterstützung eines «Ambizione»-Grants des Schweizerischen Nationalfonds (SNF).

So genannte Redox-Flow-Batterien sind bereits seit den 1970er-Jahren bekannt. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus speichern sie die Energie nicht in festen Elektroden, sondern in Tanks mit flüssigen Elektrolytlösungen. Der Lade- und Entladevorgang geschieht nicht in den Tanks selbst: Dafür werden die Elektrolyte durch eine elektrochemische Zelle gepumpt.

Für Handys, Laptops oder Autos sind die Flüssigbatterien unpraktisch. Sehr vielversprechend sind sie hingegen für stationäre Speicherlösungen. Da die Energie ausserhalb der eigentlichen Zelle gespeichert wird, lassen sich Flow-Batterien besonders einfach und gezielt skalieren. Soll die Batterie schneller laden und entladen, braucht es eine grössere elektrochemische Zelle. Soll sie eine grössere Speicherkapazität bekommen, müssen grössere Tanks her.

«Mit zunehmender Nutzung von erneuerbaren Energien werden wir Energiespeicher im grossen Massstab brauchen – auch in urbanen Gebieten», sagt Reber. Ein weiterer Pluspunkt für Flow-Batterien: Verwendet man Elektrolyte auf Wasserbasis, sind sie im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus grundsätzlich nicht brennbar.

Ausgelagerte Energiedichte

Dennoch hat sich die Technologie bisher nicht durchgesetzt. Reber kennt das Hauptproblem: «Flow-Batterien haben eine rund zehnmal geringere Energiedichte als Batterien aus festen Speichermaterialien», erklärt er. Je mehr Speichermaterial sich im Elektrolyt auflösen lässt, desto höher die Energiedichte einer Flow-Batterie. «Allerdings machen hohe Konzentrationen die Lösung dickflüssig, und man braucht viel mehr Energie, um sie durch die Zelle zu pumpen», so der Forscher.

Genau dieses Problem will Reber in seiner Arbeit im Empa-Labor «Materials for Energy Conversion» nun lösen – mit einem ungewöhnlichen Ansatz. Während sich die meisten Projekte zu Flow-Batterien auf besser lösliche Speichermaterialien fokussieren, will er die Energiespeicherung komplett von der Elektrolytlösung entkoppeln. «Meine Vision ist, eine Art Hybrid aus einer Flow-Batterie und einer Lithium-Ionen-Batterie zu entwickeln», sagt der Forscher. Dafür will er feste Speichermaterialien, wie sie etwa in Handybatterien verwendet werden, in den Tank der Flow-Batterie geben. «Wenn das gelöste Material und das feste Speichermaterial genau aufeinander abgestimmt sind, können sie untereinander Energie transferieren», führt Reber aus. «So lässt sich die Skalierbarkeit von Flow-Batterien mit der hohen Energiedichte von Batterien mit festen Speichermaterialien kombinieren.»

Materialien gesucht

Zuerst muss der Forscher allerdings geeignete Paare von Materialien finden, die den Energieaustausch ermöglichen und auch über eine längere Zeit stabil bleiben. «Eine Redox-Flow-Batterie sollte idealerweise etwa 20 Jahre betrieben werden können», sagt er.

Ob ein Materialpaar zusammenpasst, hängt von dem sogenannten Redox-Potenzial der Stoffe ab: bei welcher Spannung sie Elektronen abgeben oder aufnehmen. «Ich habe bereits einige mögliche Paare im Sinn», sagt Reber. Und sollte ein vielversprechendes Paar nicht ganz genau übereinstimmen, können seine Redox-Potenziale mit bestimmten chemischen Handgriffen manipuliert werden. Eine von Rebers Ideen ist, als gelöstes Speichermaterial ein Chelat zu verwenden: ein mehrarmiges organisches Molekül, das sich um ein Metallion «schlingt». Je nachdem, wie viele Arme das organische Molekül – der Ligand – hat, verändert sich das Redox-Potenzial. An Chelat-basierten Redox-Flow-Batterien forschte Reber bereits während seiner Postdoc-Zeit an der «University of Colorado» in Boulder; dafür wird er im Oktober am Jahresmeeting der «Electrochemical Society» in Göteborg mit dem prestigeträchtigen «Battery Division Postdoc Award» ausgezeichnet.

Am Ende seiner «Ambizione»-Förderungszeit von vier Jahren hofft Reber, eine gut funktionierende Batterie mit einem zusätzlichen festen Speicher zu haben. «Wenn dieser Ansatz funktioniert, sind die Einsatzmöglichkeiten sehr vielfältig», sagt er. So könnten kompakte Flow-Batterien mit flexiblem Formfaktor im urbanen Raum deutlich einfacher integriert werden. «Alles, was es dafür braucht, wären Pumpen und ein paar Schläuche», ergänzt der Forscher.