URBANA / LONDON (IT BOLTWISE) – Forschende der University of Illinois und das Toyota Research Institute haben ein elektrochemisches Direct-Air-Capture-Verfahren entwickelt, das CO₂ im Wechsel wie eine Batterie aufnimmt und wieder abgibt. Statt Wärme zur Regeneration zu verwenden, steuert das System den pH-Wert einer salzhaltigen Lösung über Stromimpulse. Die Elektroden basieren auf einem kaliumstabilisierten Manganoxid-Design, das besonders im alkalischen Bereich arbeiten soll. Entscheidend ist nun die Reduktion von Mischverlusten zwischen zwei Flüssigkeitsströmen, um Energieverbrauch und Durchsatz zu steigern.
Direct Air Capture (DAC) ist seit Jahren eines der Themen, bei denen Technik und Klimapolitik eng zusammenlaufen: Einerseits braucht man Methoden, um zusätzlich zu drastischen Emissionsreduktionen bereits „gealtertes“ CO₂ aus der Luft zu entfernen. Andererseits ist der Energiebedarf häufig der Engpass. Ein neues Forschungsdesign verfolgt genau hier einen anderen Ansatz: Ein Gerät, das in der Funktionslogik wie eine Batterie arbeitet, entzieht der Atmosphäre CO₂ über eine elektrochemische Zelle, nutzt dafür Strom und eine salzwasserbasierte Chemie. Damit rückt die Frage in den Fokus, ob DAC künftig stärker als Prozess aus der Elektrochemie und weniger als thermisches Verfahren gedacht werden kann.
Technisch basiert das System auf einem elektrochemischen Zyklus mit einer pH-Umschaltung. In der Laborumgebung wird ein wässriges Salzgemisch in einem Schritt alkalischer gemacht, wodurch CO₂ aus der Luft in der Lösung besser löslich wird und sich bindet. Im Gegenzug wird die Lösung wieder weniger alkalisch, sodass das zuvor gebundene CO₂ als Gasblasen in einer konzentrierten, „bereit für Speicherung oder Wiederverwendung“-Form zurück ausgetrieben werden kann. Die Elektroden verwenden dabei spezialisierte, kaliumstabilisierte Mangan-Dioxid-Strukturen sowie ein Konzept mit protonenvermittelter Einlagerung (Proton-Interkalation) in einer „cation-compensated cell“. Genau dieser Betriebsbereich soll das Verfahren alltagstauglicher machen, weil CO₂ im alkalischen Milieu deutlich besser handhabbar ist.
Damit das System nicht nur im Labor funktioniert, sondern auch effizient werden kann, behandeln die Forschenden den Prozess wie einen klassischen thermodynamischen Kreislauf. Statt den Fokus auf Druck und Volumen zu legen, bildet das Team den Kreislauf über Konzentrationen für gelöstes anorganisches Kohlenstoffsystem und Kaliumionen ab. Diese Sicht hilft, Energieverluste gezielt zu lokalisieren: Wo das System „arbeitet“, aber keine zusätzliche Aufnahme von CO₂ erzielt, kann man den Zyklus über Parameter wie Stufenlängen, Chemiezusammensetzung und Transportpfade neu auslegen. In der Praxis bedeutet das auch: Man optimiert nicht nur Materialien, sondern ebenso die Abfolge der chemischen Zustandswechsel, die Grenzflächen und die Steuerung des Ladungs-/Entladungsähnlichen Betriebs.
Die größte Hürde für eine spätere Skalierung ist laut Projektteam allerdings nicht die prinzipielle Chemie, sondern das Prozessengineering zwischen zwei Flüssigkeitsströmen. Das Design setzt darauf, dass diese Ströme getrennt bleiben, damit die pH-Änderung in der richtigen Phase erfolgt und keine „Kontamination“ zwischen den Zuständen entsteht. Wenn beim Umschalten der Durchflüsse Ströme sich dennoch vermischen, sinkt die Effizienz, weil sich das System Energie spart, die eigentlich für die CO₂-Aufnahme oder -Freisetzung vorgesehen war. Hier werden Mischverluste explizit als eines der größten aktuellen Themen beschrieben. Für Unternehmen ist das relevant, weil sich genau solche Verluste später in Megawattstunden pro Tonne entferntem CO₂ niederschlagen würden.
Im Markt konkurrieren DAC-Ansätze grob in zwei Richtungen: thermisch regenerierende Verfahren mit festen Sorbentien sowie elektrochemische oder zumindest stärker prozessintegrierte Konzepte. Als Referenz stehen beispielsweise etablierte DAC-Anbieter wie Climeworks mit seinen Sorbent-basierten Systemen für thermische Regeneration, während andere Forschungsgruppen an elektrochemischen Wegen oder Membran-/Elektrosorptionstechniken arbeiten. Der neue Ansatz verschiebt den Wettbewerb damit in eine Kategorie, in der Energieeffizienz stark von Zelldesign, Hydraulik und Grenzflächen abhängt. Aus Branchensicht ist das ein Unterschied mit potenziellen Implikationen: In der Elektrochemie lassen sich Skalierung und Betriebsführung häufig über Stapelung (Cell Stacks) und Prozesssteuerung anpacken, während thermische Anlagen eher von Wärmeketten, Wärmequellen und Regenerationswirkungsgraden dominiert werden.
Regulatorisch und für Enterprise-Anwender ist zudem entscheidend, wie sicher und nachweisbar CO₂-Entnahme und -Bilanzierung ablaufen. Ein elektrochemischer Prozess reduziert zwar typischerweise den Bedarf an Hochtemperatur-Schritten, ersetzt aber nicht das Thema Monitoring: Für die Verwertung oder dauerhafte Speicherung müssen Anlagen CO₂-Mengen, Nebenreaktionen und Reinheitsgrade nachvollziehbar erfassen. Außerdem spielt die Frage eine Rolle, wie mit Elektrolytkreisläufen, Salzen und potenziellen Verschleißprodukten umgegangen wird, denn das betrifft sowohl Arbeitsschutz als auch die Umweltverträglichkeit am Standort. Historisch haben viele DAC-Experimente die prinzipielle Abtrennbarkeit gezeigt; der Sprung zur Industrie kommt häufig erst, wenn Betriebskosten, Energieverbrauch und Stoffkreisläufe in einem zusammenhängenden Design optimiert werden.
Die wissenschaftliche Veröffentlichung liefert die formale Grundlage und benennt den Kern des Zyklus: Paul G. Rozzi et al, „Toward a Low-Energy Direct-Air Capture Cycle by Reversible Proton-Intercalation-Mediated Alkalization“, Environmental Science & Technology (2026), DOI: 10.1021/acs.est.6c04593. Für die nächsten Entwicklungsschritte ist plausibel, dass das Team den Prozess besonders entlang der Hydraulik des Umschaltvorgangs weiter ausarbeitet: bessere Trennmechanismen, angepasste Strömungsgeometrien oder alternative Zellkonfigurationen, die Mischungen minimieren. Wenn das gelingt, könnte der Ansatz in Richtung modularer DAC-Einheiten wandern, die sich eher wie industrielle Elektrolyse- oder Batteriesysteme in Energie- und Steuerketten integrieren lassen. Für Entwickler und Betreiber bedeutet das: Nicht nur neue Elektroden sind gefragt, sondern ebenso Software für Betriebsoptimierung, Inline-Messsysteme für pH und Konzentrationen sowie robuste Sicherheits- und Bilanzierungsarchitekturen, damit aus Forschung ein skalierbares Produkt werden kann.
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