Mit Kohlendioxidabfällen zu „grünerem“ Kunststoff

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Schuhkappe mit Folie aus CO₂ (Bild: © Covestro)

Christoph Gürtler und Walter Leitner als Finalisten für Europäischen Erfinderpreis nominiert.

Deutsche Chemiker erhalten Nominierung für Preis des Europäischen Patentamts (EPA) für ihre Methode, Kohlendioxidabfälle zur Herstellung von Kunststoffprodukten auf Polyurethanbasis zu nutzen. Verfahren beschleunigt Übergang zur Kreislaufwirtschaft, indem es eine wirtschaftlich tragfähige Wiederverwendung von CO2 ermöglicht. Dank Zusammenarbeit von Industrie und Wissenschaft gelang Durchbruch bei der Senkung der Menge an Rohöl, die zur Herstellung von Alltagsprodukten wie Matratzen, Bodenbelägen oder Fahrzeuginnenausstattungen nötig sind.

Prof. Dr. Walter Leitner (links) und Dr. Christoph Gürtler
Prof. Dr. Walter Leitner (links) und Dr. Christoph Gürtler (Foto: EIA 2021)

Das Europäische Patentamt (EPA) gibt bekannt, dass die deutschen Chemiker Christoph Gürtler und Walter Leitner als Finalisten für den Europäischen Erfinderpreis 2021 (European Inventor Award, EIA) in der Kategorie „Industrie“ nominiert worden sind. Damit wird ihre Rolle bei der Entwicklung eines neuen Verfahrens gewürdigt, das Kohlenstoffdioxidabfälle als Rohmaterial für die Herstellung von Schaumstoffen und Polymeren nutzt. In ihrer Methode spiegeln sich ihre industriellen und wissenschaftlichen Erfahrungen wider: Sie basiert auf der Funktion chemischer Katalysatoren, die Reaktionen zwischen CO2 und einem Erdölderivat ermöglichen und so Polymere wie Polyurethan-Kunststoffe auf eine nachhaltige und zugleich wirtschaftliche Weise herstellen.

Ein Jahrzehnte altes Problem gelöst

Angesichts der Tatsache, dass sechs Prozent des weltweit produzierten Öls für die Herstellung von Kunststoffen verwendet wird, hat die Suche nach alternativen Kohlenstoffquellen sowohl für die Kunststoffindustrie als auch die Umwelt hohe Priorität. Die Lösung, die Christoph Gürtler, Leiter der Katalyse-Forschung bei Covestro, einem Hersteller von Hightech-Polymerwerkstoffen und Walter Leitner, Direktor am Max-Planck-Institut für chemische Energiekonversion und Professor für Technische Chemie an der RWTH Aachen, initiiert und entwickelt haben, ermöglicht eine bis zu 20-prozentige Reduzierung der Menge an fossilen Rohstoffen, die zur Herstellung eines Polyurethan-Vorprodukts benötigt werden, und macht zugleich die Nutzung von CO2-Abfällen aus anderen Industrien möglich. So wird dank ihrer Erfindungen für CO2-basierte Polyole eine nachhaltigere Herstellung von Produkten des täglichen Lebens möglich, angefangen von Matratzen, Bodenbelägen und Bauteilen im Autoinnenraum bis hin zu Textilien, Gebäudedämmung und Tensiden.

„Christoph Gürtler, Walter Leitner und ihr Team haben eine Aufgabe gemeistert, der sich viele andere Teams aus der Wissenschaft vergeblich gestellt haben. Damit konnten sie einen großen Schritt zur Schließung des Kohlenstoffkreislaufs machen“, sagt EPA-Präsident António Campinos bei der Bekanntgabe der Finalisten des Europäischen Erfinderpreises 2021. „Ihre Arbeit hat ein Jahrzehnte altes Problem gelöst und ihr Erfolg macht den Wert der Zusammenarbeit von Industrie und Wissenschaft deutlich, wenn es um die Bewältigung von zentralen Herausforderungen geht, vor denen die Menschheit steht.“

Die Gewinner des jährlichen Innovationspreises des EPA werden in diesem Jahr im Rahmen einer feierlichen Veranstaltung am 17. Juni ab 19 Uhr bekanntgegeben, die als digitales Event für ein internationales Publikum neu konzipiert wurde.

Synthese von Industrie und Wissenschaft für „grünere“ chemische Vorprodukte

Als eine Form von Polymeren kommen Polyurethane häufig als Schaum- und Kunststoffe bei der Herstellung von Möbeln, Isoliermaterial, Sportausstattung und Komponenten in elektronischen Geräten zum Einsatz. Polyurethane sind zwar als Material in ihrer Nutzungsphase sehr hilfreich. Es bedarf jedoch großer Mengen an Rohöl, um den für ihre Produktion erforderlichen Kohlenstoff zu gewinnen.

Viele Jahre versuchten Chemiker erfolglos, Wege zur Herstellung von Polymeren auf CO2-Basis zu finden, um einige der aus Rohöl gewonnenen Verbindungen zu ersetzen, die für die Herstellung dieser wichtigen chemischen Vorprodukte verwendet werden. All die früheren Versuche stellten sich als zu energieintensiv und teuer heraus, um wirtschaftlich tragfähig zu sein.

Mit 50 Jahren gemeinsamer und kombinierter Erfahrung in den Bereichen Chemie, Petrochemie und Katalysatorforschung betrachteten Gürtler und Leitner dieses Hindernis jedoch als willkommene Herausforderung. Beflügelt durch die Zusammenarbeit von Industrie und Wissenschaft zwischen der RWTH Aachen, wo Leitner Professor ist, und Gürtlers Arbeitgeber Covestro (seinerzeit noch Bayer MaterialScience) begannen die beiden Forscher und ihre Teams, das Potenzial früherer Versuche und zuvor genutzter Katalysatoren zu analysieren und deren Wirksamkeit bei der Umwandlung von CO2 in verwendbare Materialien zu bewerten.

Katalysatoren kommen im chemischen und industriellen Kontext zum Einsatz, um Reaktionen zwischen Stoffen auszulösen oder zu beschleunigen, ohne dass sie dabei selbst Teil der Endprodukte werden. Die Forschung Gürtlers und Leitners ergab, dass chemische Verbindungen, die aus Rohöl, CO2 und anderen Ausgangsmaterialien in Gegenwart eines geeigneten Katalysators hergestellt werden, den gewünschten Effekt haben würden. Das resultierende Material wurde von Covestro entwickelt und später als „cardyon“ auf den Markt gebracht. Dahinter verbirgt sich ein kettenartiges Molekül mit zwei oder mehr Hydroxylgruppen, auch Polyol genannt.

Als chemisches Vorprodukt kann cardyon auf die gleiche Weise eingesetzt werden wie andere hochwertige polymere Zwischenprodukte und kommt zum Beispiel bei der Herstellung von Weichschäumen für Matratzen und als Bindemittel für Sportböden zum Einsatz. 2019 gab Covestro bekannt, dass das Material auch zu dehnbaren Textilfasern verarbeitet werden kann, die für Kleidung wie Socken geeignet sind.

Gürtler, der in 173 europäischen Patenten als Erfinder genannt wird, und Leitner, der in 75 europäischen Patenten aufgeführt ist, haben stets die Bedeutung des Patentwesens für den Schutz neuer Technologien auf ihrem Gebiet hervorgehoben und betont, dass die Patente für cardyon und die damit verbundenen Prozesse auf wissenschaftlichen Grundlagen beruhen, die über einen langen Zeitraum von vielen anderen Forschern geschaffen wurden. Leitner selbst beschreibt das Duo als „Architekten” der Zusammenarbeit zwischen Industrie und Wissenschaft, die schlussendlich zur Innovation geführt hat. „Zugleich ist es selbstverständlich, dass die gesamte Entwicklung über ihre Initiierung hinaus ein großes Team von Wissenschaftlern, Ingenieuren und vielen anderen erfordert, deren Beitrag für die Verwirklichung der neuen Technologie entscheidend ist. Wir bedanken uns sehr für diese Zusammenarbeit und die Arbeit des Teams“, sagt Gürtler.

„Wenn Nachhaltigkeit das Ziel ist, dann ist grüne Chemie der Weg“

Als CO2 basiertes Produkt wurde cardyon von Gürtler und Leitner initiiert und entwickelt. Es wird heute von einem hochspezialisierten Team bei Covestro, einem 2015 gegründeten Spin-off des deutschen Konzerns Bayer AG, kommerzialisiert. Das Unternehmen ist Marktführer für Polyurethan und beschäftigt weltweit rund 16 500 Mitarbeiter. In seiner Pilotanlage in Dormagen produziert Covestro jährlich bis zu 5 000 Tonnen cardyon mit CO2 aus einer nahe gelegenen Ammoniakproduktionsanlage.

Gürtler, Leitner und ihre Teams erforschen weiter neue Einsatzmöglichkeiten für das Material, die über die bisherige Anwendung hinausgehen. In der Vielseitigkeit ihres Verfahrens sehen sie das Potential, Polyurethan-Vorläufer herzustellen, die bei der Herstellung einer breiten Palette an Produkten verwendet werden können, wobei weiche Schaumstoffe nur ein Beispiel sind. Zudem legen vorläufige Forschungsergebnisse nahe, dass mit cardyon hergestellte Produkte möglicherweise leichter zu recyceln sind als solche, die ausschließlich aus Chemikalien auf Rohölbasis hergestellt werden.

Covestro erweitert diese Technologieplattform auf eine Vielzahl chemischer Bausteine. 2021 kündigte das Unternehmen Durchbrüche bei der Anwendung des Materials bei der Herstellung von Polyurethan Dämmplatten und oberflächenaktiven Wirkstoff-Formulierungen an. Sollten weitere Forschungsarbeiten bestätigen, dass die Innovation von Gürtler und Leitner auf ein breiteres Spektrum von Produktionsverfahren auf Polyurethanbasis angewendet werden kann, besteht Hoffnung, dass ihre Erfindung auch zu einer bedeutenden Senkung des Rohölverbrauchs führen kann. Bei gleichzeitiger Nutzung großer Mengen an CO2 Abfällen würde dies letztlich eine wichtige Rolle bei der Schließung des Kohlenstoffkreislaufs spielen. „Wenn Nachhaltigkeit das Ziel ist“, sagt Leitner, „dann ist grüne Chemie der Weg.“

Quelle: Europäisches Patentamt (EPA)

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