Lea Winter geht durch ihr Labor und zeigt auf ein Gerät, das auf dem Tresen steht und aus einer schlanken Glasröhre besteht, die von einer Spule umwickelt ist. Ein Blitz schießt durch das Gerät. Es sieht aus wie ein cooles Schreibtischspielzeug, aber es hat das Potenzial, eine große Rolle in der Zukunft der erneuerbaren Energien zu spielen.
Winters Labor nimmt eine komplexe und wichtige Herausforderung an: Es geht um die Frage, wie wir nützliche Materialien aus Kohlendioxid und Stickstoff aus der Luft oder aus unüblichen Wasserquellen herstellen können. Dies könnte einen großen Beitrag zur Verringerung des Klimawandels und zur Anpassung an diesen leisten. Normalerweise werden die chemischen Prozesse zur Herstellung dieser Materialien durch die Hitze der Verbrennung fossiler Brennstoffe aktiviert. Winter, die ihre Forschung an der Schnittstelle von Nahrung, Energie, Wasser und Klima ansiedelt, nutzt stattdessen elektronengetriebene Prozesse wie Plasma und Elektrochemie.
„Wir bewegen uns auf eine elektrifizierte, erneuerbare Energiezukunft zu, in der wir all diese Energiequellen haben, die von Elektronen und strombasierten Quellen wie Sonnen- und Windenergie angetrieben werden“, sagte Winter, Assistenzprofessor für Chemie- und Umwelttechnik. „Wir denken also darüber nach, wie wir Düngemittel, Kraftstoffe, Wasser und verschiedene Arten von Chemikalien, die wir verwenden, durch Prozesse herstellen können, die durch Elektronen angetrieben werden und nicht auf fossile Brennstoffe angewiesen sind.“
Plasma als wichtiges Werkzeug
Winters Forschungsteam entwickelt Katalysatoren und Membranen, um diese Prozesse zu steuern. Eines ihrer wichtigsten Werkzeuge ist Plasma, das oft als vierter Aggregatzustand bezeichnet wird. Es ist ein ionisiertes Gas, das aus elektrisch geladenen Teilchen besteht – es ist das, woraus Blitze gemacht sind. In ihrem Labor wird es mit einer Hochspannungselektrode und einer Masseelektrode erzeugt, um ein elektrisches Feld zu erzeugen. „Man hat also Elektronen und Ionen, Radikale und Photonen und all diese reaktiven Spezies in der Gasmischung“.
Bei der speziellen Art von Plasma, die sie verwenden, dem nicht-thermischen Plasma, sind die Elektronen viel kleiner als der Rest der Gasmoleküle. Sie bewegen sich schnell, effektiv bei Tausenden von Grad Kelvin. Die Gasmoleküle hingegen bewegen sich viel langsamer und bleiben bei Raumtemperatur. „Das bedeutet, dass wir Reaktionen bei Raumtemperatur in der Gasphase durchführen können, indem wir diese heißen Elektronen nutzen, um unsere Reaktanten zu aktivieren und Folgereaktionen durchzuführen.“
