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Grüne Spitzentechnik

Algen gegen den Klimawandel

Sie sind grün, leben im Wasser und sind genügsam – und in Zukunft könnten sie das Klima positiv beeinflussen: Algen. Aus ihnen könnte Flugbenzin gewonnen werden, wodurch mehr Kohlendioxid verbraucht als erzeugt wird. Das könnte der Erwärmung der Erde Einhalt gebieten. Oder aus den Algen werden Karbonfasern gewonnen, die als neuartiger Baustoff zum Einsatz kommen – leichter als Aluminium und genauso stark wie Stahl.

Projekte wie diese gehören zum Forschungsbereich von Professor Thomas Brück, Jahrgang 1972 und seit 2018 Inhaber des Werner-Siemens-Lehrstuhls für Synthetische Biotechnologie an der Technischen Universität München. Brück sieht das vielgescholtene Kohlendioxid weniger als Klimakiller und mehr als Rohstoff der Zukunft. Kürzlich stellte Brück seine Arbeit im Rahmen der Vortragsreihe „Wissenschaft für jedermann“ am Deutschen Museum in München vor. 

Kohlendioxid – CO2 – ist ein farb­loses Gas, nicht brennbar, geruchlos und an sich ungiftig. Es ist neben Stickstoff, Sauerstoff und den sogenannten Edelgasen ein natürlicher Bestandteil der Luft – und wird von Wissenschaftlern als eine Hauptursache für den Treibhauseffekt angesehen. Denn durch die Verbrennung von Kohle, Erdöl oder Erdgas in der Industrie oder beim Heizen setzt der Mensch immer mehr Kohlendioxid in der Atmosphäre frei. 

Das Gas absorbiert einen Teil der von der Erde in das Weltall abgegebenen Wärme und strahlt diese zurück. So heizt sich das Klima wie unter einer Käseglocke immer mehr auf – mit all den besorgniserregenden Folgen: dem weltweiten Anstieg der Durchschnittstemperaturen, der zum Abschmelzen der Gletscher und der Polkappen führt, wodurch der Meerspiegel ansteigt. Küstengebiete werden so langfristig unbewohnbar, Inseln versinken im Meer.

CO2-Ausstoß verringern

Wissenschaftler haben berechnet, dass künftig an die zehn bis 20 Milliarden Tonnen CO2 jährlich aus der Atmosphäre verschwinden müssten, um das Klima zu retten. Politisch wird versucht, den CO2-Ausstoß durch weltweite Vereinbarungen zu reduzieren. Technisch gesehen gibt es dazu eine Reihe von Verfahren. 

Geschehen könnte dies zum Beispiel durch das Anpflanzen von Bäumen, denn diese können das Gas aufnehmen und verarbeiten. Allerdings müsste es dabei um sehr viel Holz gehen, nämlich um rund acht Millionen Quadratkilometer neuen Wald. Man könnte auch Biomasse anbauen, Mais zum Beispiel, doch dabei wird lange nicht soviel Gas gespeichert wie in Bäumen.

Eine technische Möglichkeit bieten CO2-Saugmaschinen, wie sie eine Schweizer Firma entwickelt hat. Dabei saugen riesige Ventilatoren die Luft in unmittelbarer Umgebung eines Kraftwerks an und filtern das Treibhausgas heraus. Das ist freilich sehr teuer und aufwendig – und die Sauger verbrauchen selbst sehr viel Energie. 

Schließlich gibt es noch die Möglichkeit, das Gas im Boden zu speichern, so dass es nicht in die Atmosphäre gelangt. Doch auch dieses Verfahren ist sehr teuer. Zudem ist umstritten, ob die unterirdische Speicherung von CO2 überhaupt langfristig funktionieren würde.

Ergänzend zu Szenarien­ wie diesen tritt nun die Idee von Professor Brück. Auch er setzt auf Biomasse, allerdings nicht auf Bäume oder Mais, sondern auf Algen. Sie sind anderen Gewächsen in verschiedener Hinsicht weit überlegen: „Algen konkurrieren weder mit der Nahrungsmittelproduktion noch mit Landnutzung und wachsen etwa zehnmal schneller als Landpflanzen wie Mais“, sagt Professor Brück.

Treibhausgas speichern

Und sie gehören zu den „fettreichsten Organismen überhaupt“.Das ist bedeutsam im Hinblick auf die künftige mögliche Nutzung der Pflanze. Durch ihr schnelles Wachstum können Algen das Treibhausgas CO2 in Form von Biomasse speichern. Das CO2 wird unter anderem in Form von Zucker und Algenöl gebunden. Aus diesen können Ausgangsstoffe für verschiedenste industrielle Prozesse gewonnen werden. 

Ölbildende Hefen erzeugen beispielsweise aus den Algenzuckern Hefeöl, ein Ausgangsstoff für nachhaltige Kunststoffe. Außerdem lässt sich das Hefeöl durch Enzyme in Glycerin und freie Fettsäuren spalten. Die freien Fettsäuren sind Ausgangsmaterial für weitere Produkte, etwa hochwertige Additive für Schmierstoffe. 

Aus Algenöl lassen sich auch Karbonfasern herstellen. Berechnungen zeigen: Werden die Karbonfasern aus Algenöl gefertigt, entzieht die Herstellung der innovativen Materialien der Atmosphäre mehr Kohlendioxid, als dabei freigesetzt wird. Aus Karbonfasern und Hartstein lassen sich neuartige Konstruktionsmaterialien herstellen, die nicht nur eine negative CO2-Bilanz aufweisen, sondern leichter als Aluminium und zugleich stabiler als Stahl sind.

Flugbenzin aus Algen

Selbst Flugbenzin, das bisher zum CO2-Anstieg beiträgt, kann aus Algen gewonnen werden. Der Fettreichtum der Pflanze ist dabei von entscheidender Bedeutung. Warum? Weil Fett der Energieträger ist, aus dem am Ende Treibstoff wird. Pro Hektar Anbaufläche liegt der Fett­anteil bei Algen etwa 30 Mal höher als bei Landpflanzen wie Raps. 

Neben diesen Effizienz- und Umweltgesichtspunkten spricht auch die biochemische Beschaffenheit für Kerosin aus Algen. Während etwa Rapsöl bei Temperaturen um minus 40 Grad – die Temperatur in der Flughöhe von interkontinentalen Passagierflugzeugen – fest wird und Bioethanol zu wenig Energie enthält, um ein Flugzeug anzutreiben, erfüllt Algenkerosin alle Vorgaben für alternative Kraftstoffe: Es lässt sich ohne weitere Veränderung und ohne Zusätze als Flugzeugkraftstoff verwenden.

Ehe das Algenkerosin jedoch breitflächig eingesetzt werden kann, sind noch einige Hürden zu überwinden. So müssten die Verfahren zur Erzeugung des Algenkraftstoffs deutlich wirtschaftlicher werden, als sie es jetzt sind. 

Notwendig wären große Wasserbecken für den Algenanbau, zum Beipiel in Wüsten und Halbwüsten unter der Sonne Spaniens, Nordafrikas oder Australiens. Dazu wären Standorte in aller Welt nötig, um den Treibstoff ökologisch sinnvoll zu produzieren. In gut zehn Jahren, hofft Professor Brück, könnten die ersten Kraftwerke Algenkerosin produzieren und so die CO2-Emissionen in der Luftfahrt um 30 bis 40 Prozent reduziert werden. 

150 000 Algenarten

Alge ist allerdings nicht gleich Alge: Immerhin gibt es 150 000 Algenarten, schätzen Wissenschaftler. Rund 5000 davon sind bisher ansatzweise erforscht worden. Doch nur etwa zehn Arten haben es zu einer kommerziellen Nutzung gebracht. 

Um die grünen Wasserpflanzen zu erforschen, begibt sich Professor Brück nach Ottobrunn südöstlich von München. Dort steht das 2015 eröffnete Algentechnikum. Das 1500 Quadratmeter große Gebäude beherbergt drei Räume zur Algenkultivierung sowie Labor- und Büroräume. Die Besonderheit des Algentechnikums besteht darin, dass die lichttechnischen und klimatischen Bedingungen für praktisch jeden Ort der Welt simuliert werden können. 

Die Fassade besteht aus Spezial­glas, das UV-Strahlung passieren lässt. Eine ausgefeilte Klimatechnik sorgt dafür, dass sowohl tropische wie auch sehr trockene Klimabedingungen erzeugt werden können. In den beiden äußeren Hallen können unterschiedliche Klimazonen simu­liert werden. Die mittlere Halle dient Anzucht- und Vorbereitungsexperimenten. 

„Niemand kann voraussagen, ob eine Alge aus der Südsee unter den Lichtbedingungen in Deutschland genauso produktiv ist wie in ihrer Heimat“, sagt Thomas Brück. „Genauso wenig weiß man, ob hier in Bayern erfolgreiche Kandidaten unter den Lichtbedingungen der Sahara noch genauso erfolgreich wären. All dies können wir in unserem Technikum testen.“

Rudolf Stumberger

15.01.2020 - Bayern , Forschung , Klimawandel