Der Sommer des Jahres 2026 hat uns die Folgen des Klimawandels einmal mehr deutlich vor Augen geführt: Eine langanhaltende Trockenheit und intensive Hitzewellen sorgten nicht nur mehrere tausend Hitzetote, sondern auch für ökologische und ökonomische Beeinträchtigungen, zum Beispiel die eingeschränkte Nutzbarkeit der Schifffahrtswege. Die Anstrengungen hin zu einer umfassenden Transformation in Richtung „Nachhaltigkeit“ haben so wieder an Relevanz und Dynamik gewonnen. Wichtig ist, diese Transformation nicht auf die Bereiche Verkehr und Energiegewinnung zu beschränken, sondern sie als ganzheitliches Projekt zu denken.
Ein weiterer zentraler Hebel ist die Industrie, die große Potentiale für die ökologische Transformation birgt. Ein Anfang ist hier bereits mit dem Zertifikatshandel und dessen Lenkungswirkung gemacht: Umweltverschmutzung wird hierbei an Ausgleichszahlungen gebunden, und durch eine Verknappung der vergebenen Zertifikate die Preise und damit Kosten immer weiter erhöht. In der Folge lohnt sich auch für die Industrie die Orientierung an Prinzipien der Nachhaltigkeit immer mehr.
Vor besonderen Herausforderungen steht dabei die Zementproduktion: Die Zementindustrie ist einer Hauptverursacher von Kohlenstoffdioxid, welches einen zentralen Einfluss bei globalen Erderwärmung innehat. Wäre diese Produktion ein Staat, wäre ihr CO₂ auf Platz drei nach China und US-Amerika. Somit bieten sich für innovative Ansätze hier enorme Wirkungsräume und Skalierungseffekte.
Einsatzort: Zementwerke
Um am Anfang zu beginnen: Aufgrund seiner Materialeigenschaften wie Festigkeit und Dauerhaftigkeit und seiner breiten globalen Verfügbarkeit ist Zement bzw. Beton einer der meistgenutzten Werkstoffe. In Zementwerken werden Kalkstein und Ton (und teils Korrekturmaterialien) zu einem Rohmehl gemahlen und anschließend auf etwa 1450 °C erhitzt. Die Materialien verschmelzen hierbei teils, und der sogenannte Zementklinker entsteht. Der wird nun wiederum zu Endprodukt verarbeitet, wobei auch hier wiederum verschiedene Materialien mit spezifischen Eigenschaften hinzugefügt werden können, je nach Anwendungsgebiet.
In diesem Produktionsverfahren werden große Mengen des im Kalk gebundenen Kohlenstoffdioxids freigesetzt, was mit 2,7 Milliarden Tonnen immerhin rund 8 % des Gesamtausstoßes der Menschheit umfasst. Die Motivation für die Industrie, diese immense Verschmutzung zu minimieren, ist evident.
Ein Weg ist die chemische Abscheidung des Kohlenstoffdioxids aus der Abluft. Einerseits ist dieses Verfahren bereits etabliert, andererseits ist es aufwändig und aufgrund hoher Energiekosten nicht wirklich effizient. Im Ergebnis liegt jedenfalls Kohlenstoffdioxid in flüssiger Form vor, dass wiederum unterirdisch gelagert werden kann. Somit sparen sich die Unternehmen den Einkauf eines Teils der Zertifikate, was durch den Verteuerungsautomatismus immer attraktiver wird.
Einen anderen Ansatz verfolgt das Team vom Projekt „CO₂ Separation“: Nicht chemische Prozesse sollen die Umwandlung sollen laut Harshil Mistry, Manuela Rios und Martin Elsmann antreiben, sondern spezielle Membranen, die das Kohlenstoffdioxid aus der Abluft herausfiltern. Auch dieses Verfahren ist bereits in der Industrie etabliert. Um hier der geringen Effizienz zu begegnen, will das Team eine vielversprechende Innovation aus dem Bereich der Chemie aufgreifen: MOFs.
Die erstaunliche Weite innerer Oberflächen
MOF ist die Abkürzung für metallorganische Gerüste bzw. Gerüstverbindungen (metal-organic frameworks): Für diesen Ansatz der Erzeugung spezifischer chemischer Verbindungen wurden 2025 die Wissenschaftler Prof. Omar M. Yaghi (University of California), Prof. Susumu Kitagawa (Kyoto University) und Prof. Richard Robson (University of Melbourne) mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. Beruhend auf einer Idee vom Ende der Fünfziger Jahre kam der Durchbruch der retikularen (netzwerkartigen) Chemie erst knapp vierzig Jahre später: Durch die Verwendung anderer Komponenten wurde die Stabilität der Gerüste massiv erhöht, was ihre sinnvolle Verwendung überhaupt erst möglich machte.
Die MOFs bestehen aus anorganischen Knotenpunkten und organischen Molekülen, die als Verbindungselemente (Linker) dienen. Ihre Zusammensetzung ist variabel und zeichnet sich durch jeweilige Eigenschaften und Besonderheiten der Strukturen aus. Das innovative Potential dieser kristallinen Materialien könnte Lösungen für drängende Probleme unserer Gegenwart bereithalten: MOFs arbeiten wie Schwämme und können aus der Luft Kohlenstoffdioxid und Wasser aufnehmen. Sowohl der Verschmutzung der Umwelt mit dem Treibhausgas Kohlenstoffdioxid als auch einem zukünftigen Mangel an Wasser könnte mit diesem Ansatz begegnet werden.
Es ist gerade die Porosität der MOFs, der es den Gerüsten möglich, diese Stoffe in massiven Mengen aufzunehmen. Die geringe Größe dieser Moleküle machte es anderen Ansätzen unmöglich, hier erfolgreiche Lösungen zu entwickeln. Nanoporöse MOFs bilden sich in kristalliner Form und haben eine immense innere Oberfläche. Ein einzelnes Gramm des MOF-200 hat eine innere Oberfläche von 6000 Quadratmetern, MOF-210 steigert dies auf über 10.000 Quadratmeter. Dies wäre die Fläche eines üblichen Fußballfeldes, das in der Kugel MOF-210 Platz finden könnte. Weil das Material somit enormen Platz bietet, ist es ideal zur Aufnahme, Filterung und Speicherung von Gasen geeignet.
Wie schon anklang, gibt es nicht ein MOF, sondern viele verschiedene Typen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Materialeigenschaften. Nicht nur werden die etablierten MOFs immer weiter verbessert und an ihre Aufgaben angepasst, auch an den noch wenigen instabilen Verbindungen wird weiter geforscht. Im Falle der CO₂-Speicherung ist das Ziel, die Speichermenge zu optimieren, robuste Strukturen zu schaffen und langlebige Prozesse der Aufnahme und Abgabe zu garantieren. Zugleich muss sich das Material auch resilient gegenüber Einflussfaktoren wie Wasser, Chemikalien und Hitze zeigen, die im Prozess auftreten.
Der Firma BASF ist mittlerweile gelungen, MOFs in einem industriellen Maßstab herzustellen, und für die CO₂-Abscheidung zu nutzen. Somit wurde grundsätzlich bewiesen, dass sich MOFs in einer Menge herstellen lassen, die eine industrielle Transformation als Voraussetzung hat. Eine solche industrielle Hochskalierung ist ein Schritt, der für das Forschungsprojekt an der HSM noch in einiger Entfernung liegt. Und im letzten Abschnitt kommen wir nicht nur zum innovativen Ansatz des Schmalkalder Projekts, sondern auch dazu, wie sich die Themen Zementwerke und MOFs verknüpfen lassen, : Mit Hilfe sogenannte Mixed-Matrix-Membrane.
Komplexe Aufgaben, komplexe Membrane
Die Filterung der Abgase wird über Membrane geleistet. Gewöhnliche, reine Polymer-Membrane können die Separation einerseits energieeffizient durchführen, andererseits sind diese Verfahren aber in der Abwägung von Selektivität und Durchlässigkeit beschränkt. In anderen Worten lässt sich der Durchfluss der Gase und Herausfilterung spezifischer Stoffe nicht immer optimal gestalten. Hinzukommt, dass auch die Performanz der Membrane über die Zeit abnimmt.
Mixed-Matrix-Membrane kombinieren ein organisches Polymer mit einem porösen Additiv im Sinne einer eingebrachten zweiten Phase in der Membran. In MMMs kann die Durchleitung ebenso effizient geleistet werden wie die punktgenaue und anpassungsfähige Separation bestimmter Moleküle, was einen entscheidenden Vorteil darstellt. Zugleich wird hier bei nur ein Bruchteil der Energie üblicher industrieller Separationsprozesse benötigt. Wichtig ist dabei im Kontext der Industrie, die Langlebigkeit der Materialien sicherstellen zu können: Die Membrane sollten also idealiter defektfrei, selektiv und hochdurchlässig sein sowie gegenüber hohen thermalen, mechanischen und chemischen Einflussfaktoren unempfindlich sein.
Neben anderen Materialien kann das poröse Additiv auch aus MOFs gebildet werden, wobei die immense Porosität ebenso einen Vorteil bietet wie die energieeffiziente Entbindung der in den Poren gespeicherten Moleküle, zum Beispiel im Vergleich zu Zeolithen. Wichtig ist dabei nicht nur, das passenden MOF für die jeweilige Aufgabe zu finden, sondern auch die Verarbeitbarkeit im Sinne einer MMM sicherzustellen.
Das Projekt „CO₂ Separation“
Und dies ist nicht zuletzt eine Herausforderung, der sich das Team des Projektes „CO₂ Separation“ stellt. Eine weitere Aufgabe ganz im Geiste einer anwendungsorientierten Hochschule ist es, die Technologie so zu entwickeln, dass sie mit minimalem Aufwand in bereits bestehende Anlagen integriert werden kann. Zugleich bietet die Installation und die Wartung Potentiale für eigenen Geschäftsbereich. Bevor es soweit ist, muss zunächst die grundlegenden technologischen Herausforderungen gemeistert werden. Nachdem bereits die ersten MOFs erzeugt werden konnten und erste Tests mit einer vom Fraunhofer IKTS Institut Hermsdorf bereitgestellten Membrane erfolgreich absolviert wurden, ist der nächste Schritt, ein System für das Drucken der Membran zu entwickeln, um MMMs herstellen zu können. Die nächste Herausforderung besteht darin, den komplexen Prozess des Bedruckens der Membrane beherrschen und die Qualität garantieren zu können.
Das „„CO₂ Separation“ Projekt wird vom „exist“-Programm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie und der Europäischen Union über den Europäischen Sozialfonds Plus gefördert. Das Förderprogramm „exist“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWE) soll wissenschaftliche und technologische Innovationen aus Hochschulen und Forschungseinrichtungen in erfolgreiche, marktfähige Start-ups überführen. Dabei unterstützt es Gründungsinteressierte unter anderem finanziell, durch Coaching und Netzwerke, um Gründungsvorhaben zu entwickeln und die Innovations- und Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands zu stärken.
Das Forschungsprojekt „CO₂ Separation“ zeigt exemplarisch, wie wichtig ein interdisziplinärer Ansatz ist, um komplexe Herausforderungen wie den Klimawandel zu bewältigen. Die Entwicklung innovativer Membranen verbindet chemische Grundlagenforschung mit materialwissenschaftlichen Fragestellungen, ingenieurtechnischer Umsetzung und wirtschaftswissenschaftlicher Expertise, die für die Überführung technologischer Innovationen in tragfähige Geschäftsmodelle und die Gründung eines Start-ups von zentraler Bedeutung ist. Zugleich verdeutlicht das Projekt, welches Potenzial in der Fächervielfalt der Hochschule Schmalkalden (HSM) liegt: Wo unterschiedliche Fachperspektiven zusammenkommen, können aus wissenschaftlichen Erkenntnissen anwendungsorientierte Lösungen entstehen, die ökologische Verantwortung mit technologischer Innovation und unternehmerischem Denken verbinden. So wird interdisziplinäre Zusammenarbeit zu einem wichtigen Baustein, um Forschung in konkrete Beiträge zur nachhaltigen Transformation zu überführen.