Cambridge-Team demonstriert erstmals großflächigen Solarreaktor für Plastikabfälle

Die meisten Solarmodule erzeugen Strom. Forschende der Universität Cambridge verfolgen einen anderen Ansatz. Ihr Solarreaktor nutzt Sonnenlicht direkt, um Kunststoffabfälle in Wasserstoff und wertvolle Chemikalien umzuwandeln. Das Besondere daran: Die Technologie hat erstmals den Sprung aus dem Labor geschafft. Ein rund ein Quadratmeter großer Reaktor wurde unter realen Freiluftbedingungen erfolgreich getestet. Damit rückt eine industrielle Nutzung einen Schritt näher.

Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Chemical Engineering veröffentlicht. Sie markieren einen wichtigen Meilenstein für eine Technologie, die gleich zwei große Herausforderungen unserer Zeit adressiert: die wachsenden Plastikmüllberge und die Suche nach klimafreundlichen Energieträgern.

Solarreaktor nutzt Plastikmüll als Rohstoff

Kunststoffabfälle gelten weltweit als Umweltproblem. Gleichzeitig wächst der Bedarf an sauber erzeugtem Wasserstoff, der als Energieträger für Industrie, Verkehr und Energiespeicherung eine wichtige Rolle spielen soll.

Der neue Reaktor verbindet beide Themen. Statt Kunststoffabfälle zu verbrennen oder zu deponieren, nutzt er diese als Rohstoff. Unter Sonneneinstrahlung werden die Kunststoffmoleküle chemisch aufgespalten. Dabei entstehen Wasserstoff sowie weitere chemische Verbindungen, die sich als Ausgangsstoffe für industrielle Prozesse verwenden lassen.

Das Verfahren funktioniert nicht nur mit PET-Flaschen, wie sie für viele Getränke genutzt werden. Die Forschenden testeten den Reaktor auch mit Zellulose und anderen organischen Materialien.

Der entscheidende Schritt aus dem Labor

Die eigentliche Neuigkeit der Studie liegt allerdings nicht darin, dass Plastik in Wasserstoff umgewandelt wird. Dies hatte die Forschungsgruppe um Professor Erwin Reisner bereits in früheren Arbeiten gezeigt.

Bislang handelte es sich jedoch um kleine Versuchsaufbauten im Labormaßstab. Die damaligen Module erreichten Größen von etwa 25 cm Kantenlänge. Ob sich die Technologie auch auf größere Flächen übertragen lässt, war offen.

Genau hier setzt die neue Arbeit an. Die Forschenden entwickelten einen etwa einen Quadratmeter großen Reaktor und testeten ihn direkt vor dem Chemiegebäude der Universität Cambridge unter natürlichem Sonnenlicht.

Damit wurde erstmals gezeigt, dass das Konzept auch außerhalb kontrollierter Laborbedingungen funktioniert. Für viele Energietechnologien ist dieser Schritt entscheidend. Was im Labor funktioniert, scheitert häufig bei der Skalierung.

Professor Erwin Reisner betont deshalb die Bedeutung der neuen Entwicklung: „Wenn wir die Art und Weise, wie wir mit den beiden Problemen der Plastikverschmutzung und der Erzeugung sauberer Energie umgehen, wirklich ändern wollen, müssen wir ein sehr skalierbares Verfahren zur Herstellung dieser Photokatalysatormaterialien und Reaktoren entwickeln – und zeigen, dass sie im Freien tatsächlich funktionieren.“

Warum die Technik keinen Strom erzeugt

Auf den ersten Blick erinnert der Aufbau an ein Solarmodul. Tatsächlich arbeitet der Reaktor jedoch grundlegend anders. Konventionelle Photovoltaikanlagen wandeln Sonnenlicht zunächst in elektrische Energie um. Soll daraus Wasserstoff entstehen, ist anschließend eine Elektrolyse erforderlich. Dabei wird Wasser mithilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt.

Der Cambridge-Reaktor überspringt diesen Zwischenschritt. Er nutzt Sonnenlicht direkt für eine chemische Reaktion. Fachleute sprechen von Photoreformierung oder Solar Reforming.

Die Energie der Sonnenstrahlung wird dabei unmittelbar genutzt, um Kunststoffmoleküle aufzubrechen und gleichzeitig Wasserstoff freizusetzen. Dadurch entfällt die Umwandlung von Licht in Strom und anschließend von Strom in chemische Energie. Die Forschenden sehen darin einen potenziellen Vorteil gegenüber herkömmlichen Wasserstoffverfahren.

Sprühbeschichtung statt Hightech-Fertigung

Besonders interessant ist die Herstellungsweise des Reaktors. Frühere Systeme erforderten häufig aufwendige Fertigungsverfahren, hohe Temperaturen oder aggressive Chemikalien. Für eine industrielle Produktion wären solche Ansätze nur schwer wirtschaftlich umzusetzen.

Das Cambridge-Team entwickelte deshalb ein deutlich einfacheres Verfahren. Zunächst wird ein lichtabsorbierendes Material auf eine Glasscheibe aufgesprüht. Anschließend folgt eine Beschichtung mit speziell entwickelten Molekülen auf Basis von Kobalt und Zirkonium. Die gesamte Herstellung erfolgt bei Raumtemperatur und ohne aufwendige Spezialanlagen.

Das Vorläufermaterial für die Beschichtung stammt aus der Arbeitsgruppe von Professor Dominic Wright. Anschließend wird es mithilfe eines Sprühsystems aufgetragen, das eher an industrielle Lackiertechnik als an klassische Laborausrüstung erinnert.

Für Ariffin Bin Mohamad Annuar, Co-Erstautor der Studie, war gerade diese Einfachheit überraschend. „Was mich überrascht hat, war, wie einfach es nach all den Optimierungen tatsächlich ist“, sagt er. „Wir haben einfach diese riesige Platte, sprühen unseren Katalysator darauf, tauchen sie in unsere Lösung, stellen sie in die Sonne, und schon produziert sie Wasserstoff und andere wertvolle Chemikalien – und das nur aus Kunststoffabfällen.“

Kosten könnten zum entscheidenden Faktor werden

Die Skalierung technischer Verfahren scheitert häufig nicht an der Physik, sondern an den Kosten. Deshalb enthält die Studie einen Aspekt, der in wissenschaftlichen Veröffentlichungen eher selten zu finden ist.

Die Forschenden führten eine detaillierte Analyse der Produktionskosten durch. Ziel war es, bereits früh abzuschätzen, welche wirtschaftlichen Voraussetzungen für eine spätere industrielle Nutzung erfüllt sein müssen.

Nach Angaben des Teams reduziert die neue Sprühbeschichtung die Herstellungskosten deutlich gegenüber früheren Ansätzen. Gerade bei großflächigen Reaktoren könnte dies ein entscheidender Vorteil sein. Denn selbst die effizienteste Technologie hat kaum Chancen auf eine breite Anwendung, wenn ihre Herstellung zu teuer bleibt.

Noch stehen einige Hürden im Weg

Trotz der erfolgreichen Demonstration ist der Weg zur kommerziellen Nutzung noch weit. Die Forschenden nennen selbst mehrere Herausforderungen. So müssen die Reaktoren langfristig stabil arbeiten und auch nach Jahren noch ausreichende Leistungen liefern. Zudem soll die Effizienz weiter steigen.

Offen ist auch, wie sich die Anlagen unter unterschiedlichen Wetterbedingungen verhalten. Während die ersten Tests in Cambridge erfolgreich verliefen, müssen zukünftige Untersuchungen zeigen, wie sich die Systeme in verschiedenen Klimazonen und über längere Zeiträume bewähren.

Hinzu kommt die Konkurrenz anderer Wasserstofftechnologien. Photovoltaikmodule und Elektrolyseure werden kontinuierlich günstiger und effizienter. Der neue Ansatz muss daher nicht nur technisch funktionieren, sondern auch wirtschaftlich konkurrenzfähig sein.