CO₂-Entnahme aus der Luft CO₂-Schwämmchen aus Molke und Tofuabfällen

Was in der Milch- und Tofuproduktion als Abfall endet, könnte bald Kohlendioxid aus der Atmosphäre filtern. Forschende der ETH Zürich zeigen, dass Proteinkügelchen aus Lebensmittelresten CO₂ effizienter binden als bisherige Verfahren – bei einem Bruchteil des Energieaufwands.

Um die globale Erhitzung längerfristig auf unter 1,5 Grad Celsius zu stabilisieren sind neben der drastischen Reduktion der Treibhausgasemissionen Technologien nötig, um hunderte Milliarden Tonnen Kohlendioxid (CO₂) aus der Luft zu entfernen und zu speichern. Davon gehen auch die Szenarien im letzten Sachstandbericht des Weltklimarats IPCC aus.

Forschungsgruppen und Start-ups arbeiten deshalb seit Jahren an Möglichkeiten, um CO₂ direkt aus der Luft zu entfernen – an sogenannten Direct Air Capture (DAC)-Verfahren. Das Unternehmen Climeworks, das 2009 als ETH-Spin-off gegründet wurde, gehört zu den weltweit ersten kommerziellen DAC-Anbietern. Bis heute ist die direkte Entnahme von CO₂ aus der Luft jedoch energieintensiv und teuer.

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Poröse Eiweißkügelchen binden Kohlendioxid

In einer soeben in der Fachzeitschrift PNAS erschienenen Studie präsentieren Forschende einen neuen, vielversprechenden Weg für DAC. Eine Gruppe um den Materialwissenschaftler Raffaele Mezzenga, Professor am Departement Gesundheitswissenschaften und Technologie der ETH Zürich, nutzt Molke und Reste aus der Tofuproduktion für die CO₂-Absorption.

Bei der Milch- und Tofuproduktion entstehen große Mengen an proteinhaltigen Lösungen. Nur ein kleiner Teil wird in der Nahrungsmittelproduktion weiterverarbeitet, der Rest fällt als Abfall an. Aus diesem isolieren die Forschenden Proteine und bilden damit lange, fadenförmige Ketten, sogenannte Amyloidfibrillen. Diese bestücken sie anschließend mit Kaliumhydroxid und verarbeiten sie zu Kügelchen mit einem Durchmesser von einem halben bis zu einem Zentimeter. „Das resultierende Material ist wie ein Schwamm, der über das Kaliumhydroxid sehr viel CO₂ aufnehmen kann“, erklärt Mezzenga.

Werden die porösen Kügelchen der Umgebungsluft ausgesetzt, reagiert das Kaliumhydroxid mit CO₂ und bildet Hydrogencarbonat, ein Salz der Kohlensäure. Dadurch wird das CO₂ der Luft entzogen. „In unseren Tests mit Umgebungsluft konnten wir mit einem Gramm Material 97 Milligramm CO₂ entziehen“, erklärt Zhou Dong, Postdoc in Mezzengas Gruppe und Erstautor der Studie. Das sei sehr hoch, und liege 10 bis 50 Prozent über der Kapazität herkömmlicher DAC-Methoden. Dong geht davon aus, dass mit einem Kilogramm Proteinkügelchen pro Verfahrenszyklus theoretisch rund 100 Gramm CO₂ gebunden und isoliert werden könnten.

Verfahren für Kreislaufwirtschaft

Herkömmliche DAC-Verfahren nutzen meist Wärme und Unterdruck, um das Kohlendioxid wieder vom Absorbtionsmaterial zu lösen. Dies ist nötig, um das CO₂ anschließend einzulagern oder zu anderen Stoffen weiterzuverarbeiten und damit längerfristig der Atmosphäre zu entziehen. Dieser Prozess benötigt jedoch viel Energie, weshalb DAC heute meist nur dort energetisch und ökonomisch sinnvoll ist, wo viel erneuerbare Energie vorhanden ist.

Auch hier gehen die Forschenden um Mezzenga einen anderen Weg: Um das Kohlendioxid wieder von den Proteinkügelchen zu lösen, werden diese bei Raumtemperatur während rund zehn Minuten alternierend mit einer milden Säure und Base besprüht. Dadurch werden die chemischen Bindungen aufgelöst und das CO₂ kann isoliert werden.

Säure, Base und die Kügelchen können anschließend wiederverwendet werden. „Die synthetischen Materialien, die heute bereits zum Auffangen von CO₂ genutzt werden, zersetzen sich rasch“, erzählt Dong. „Unsere Proteinkügelchen hingegen bleiben über längere Zeit stabil.“

Die Forschenden haben im Labor 30 Zyklen der CO₂-Adsorption und Freigabe getestet, ohne deutliche Effizienzverluste. Mezzenga geht davon aus, dass das Material nach einigen tausend Zyklen trotzdem ausgewechselt werden müsste, weil die Adsorptionsleistung abnimmt. Die Proteinkügelchen könnten dann jedoch als Dünger in der Landwirtschaft genutzt oder zu Biotreibstoff verarbeitet werden, erklärt der Forscher. Sie bestünden vollumfänglich aus organischem Material und seien gut abbaubar. Damit könnte das System Teil einer Kreislaufwirtschaft werden.

„Die Materialien, die wir für den Prozess einsetzen, sind nicht giftig und für den Lebensmittelbereich zugelassen“, betont Mezzenga. In einer Lebenszyklusanalyse zeigen die Forschenden, dass ihre Methode über den ganzen Lebensweg hinweg weniger Umweltbelastung verursacht als andere DAC-Verfahren.

Voraussichtlich günstiger als andere Methoden

Ob sich die Technologie für den Einsatz in der Praxis skalieren lässt und die hohe Aufnahmekapazität von CO₂ auch in größerem Maßstab bestehen bleibt, wird sich erst in weiteren Tests zeigen. Für die soeben publizierte Studie haben die Forschenden das Verfahren in einer kontrollierten Laborumgebung mit wenigen Gramm Proteinkügelchen getestet und damit rund 50 Gramm CO₂ gebunden und isoliert.

Mezzenga ist zuversichtlich. Er arbeitet seit fast 20 Jahren mit Amyloidfibrillen und ist mit dem Material vertraut. In der Vergangenheit hat er damit biologisch abbaubare Alternativen zu Plastik und Verfahren für die Wasserreinigung entwickelt. „Wir sind überzeugt, dass sich die Technologie skalieren lässt“, sagt er. Das Sprühsystem, mit welchem das CO₂ von den Proteinkügelchen getrennt wird, orientiere sich an bestehenden Verfahren, die in der Industrie bereits verwendet werden, so Mezzenga. Postdoc Zhou Dong wird die Skalierbarkeit nun weiter prüfen.

Zwar haben die Forschenden noch keine exakte Berechnung der Kosten pro eingefangene Tonne CO₂ gemacht, Mezzenga geht aber davon aus, dass diese deutlich tiefer liegen werden als bei herkömmlicher DAC. „Unsere Technologie ist günstiger und nachhaltiger, weil sie wenig Energie benötigt und auf einem breit verfügbaren Abfallprodukt beruht“, so Mezzenga. „Das könnte für die Zukunft der Entfernung von CO₂ aus der Luft ein Game Changer sein.“

Literaturhinweis: Dong Z et al.: Circular and athermal atmospheric CO2 capture by waste-derived amyloid sorbents. PNAS, 8. Juni 2026, DOI: 10.1073/pnas.2535689123

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