Forschung

Das SOLMET-Projekt zielt darauf ab, eine innovative Technologie zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in Biomethan (CH₄) zu entwickeln, bei der ausschließlich CO₂ und Wasser als Ausgangsstoffe verwendet werden. Dieser Ansatz schafft einen direkten „Solar-to-Gas“-Prozess, der die herkömmlichen, verlustreichen „Solar-to-Power“- und „Power-to-Gas“-Verfahren umgeht. Aktuelle Power-to-Gas-Systeme stehen vor erheblichen Herausforderungen hinsichtlich Effizienz, Skalierbarkeit und Nachhaltigkeit. Die herkömmliche Biomethanisierung ist auf die Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse angewiesen, was insbesondere bei kleineren Anlagen mit hohen Investitions- und Betriebskosten verbunden ist. Die Annahme, dass kostengünstige „Überschussenergie“ für den Betrieb von Elektrolyseuren zur Verfügung steht, erweist sich in der Praxis oft als falsch. Zudem leiden bestehende Systeme unter der geringen Lebensdauer der Elektroden, die sich unter Sonneneinstrahlung schnell zersetzen, was die Wartungskosten erhöht und die Stabilität beeinträchtigt. Photokatalytische Verfahren zur Methanproduktion haben bislang wenig Beachtung gefunden und wurden noch nicht über das Laborniveau hinaus skaliert. Das Hauptziel von SOLMET ist die Entwicklung und Validierung eines effizienten, kostengünstigen und nachhaltigen Systems zur Herstellung von Biokraftstoffen und zur Speicherung erneuerbarer Energien. Der Kern der Innovation liegt in einem einzigartigen Hybridsystem, das Photokatalyse mit methanogenen Archaea kombiniert. Anstelle teurer Elektrolyse wird ein integriertes photo-bioelektrochemisches System entwickelt. Ein entscheidender innovativer Schritt ist der Einsatz langlebiger und kostengünstiger Materialien.

Kunststoffe leisten einen unverzichtbaren Beitrag zur Entwicklung der Menschheit in praktisch allen Bereichen des Lebens, z.B. in der modernen Medizin mit einem nie dagewesenen Anstieg an Lebensqualität und -erwartung. Dieser Fortschritt hat jedoch einen hohen Preis hinsichtlich Ausbeutung fossiler Ressourcen sowie der Verschmutzung der Umwelt. Der Einsatz erneuerbarer Rohstoffe als Ersatz für synthetische Polymere spielt bei der Transformation in Richtung nachhaltiger Materialien und umweltfreundlicher Lösungen eine große Rolle. In einigen aufstrebenden Bereichen, bspw. 3D Druck durch Stereolithographie, sind dem Einsatz sowohl nachhaltiger Materialien als auch von Verbund-Werkstoffen enge Grenzen gesetzt. Darüber hinaus sind das Wiederaufbereiten und Recycling dieser Materialien mit großen Schwierigkeiten und großem Aufwand verbunden. In diesem Projekt sollen Möglichkeiten zur Gestaltung 3D-druckbarer Verbund-Materialien auf Basis nachhaltiger Ressourcen erforscht werden, welche nach Einsatz chemischer und/oder enzymatisch Mittel durch „Degradation on Demand“ getriggert abgebaut und einer weiteren materiellen Verwendung zugeführt werden können. Basierend auf Vinylester Monomeren, einer Substanzklasse ähnlich (Meth-)Acrylaten jedoch mit bedeutend geringerer Toxizität sowie inhärent spaltbaren Gruppen, sollen Cellulose- und Chitin-Nanofibrillen chemische und/oder enzymatisch modifiziert werden welche die Formgebung durch hochauflösenden 3D-Druck (Stereolithographie) erlaubt. Durch Kombination geeigneter Monomere und Modifikationen wird die Kompatibilität der Formulierungen sichergestellt und durch Auswahl geeigneter Verstärkungsmaterialien mechanische Performance erreicht, die mit konventionellen synthetischen 3D-Druck-Materialien konkurrieren kann. Nach Erreichen ihrer Lebensdauer können durch Spaltung funktioneller Gruppen die Basis-Bausteine zurückgewonnen und einem neuerlichen Einsatz zugeführt werden, was die Menge an anfallenden Abfall dramatisch reduziert.

Europa importiert 74 % seines Bedarfs an Proteinfuttermitteln und stellt Stickstoffdünger im energieintensiven Haber-Bosch-Verfahren her. Gleichzeitig werden große Mengen an gebundenem Stickstoff durch Verbrennung oder in Kläranlagen entsorgt. Heute werden Insekten und Mikroorganismen zur Verwertung von Abfallströmen eingesetzt. Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines innovativen Verfahrens zur Verwertung organischer Abfallfraktionen durch Schaben, unterstützt durch ein KI-gestütztes System. Das BonsAI-Projekt verfolgt folgende Ziele: 1. Entwicklung einer KI-gesteuerten Biokonversionstechnologie zur vollautomatischen Trennung organischer und anorganischer Abfallfraktionen mit einer Trennleistung von ≥ 95 % und einer Biokonversionsrate/Biomasseverwertungsrate von ≥ 90 % des organischen Inputs 2. Skalierung vom Labormaßstab (1 m³) auf Pilotanlagenebene (10 m³) mit Nachweis der industriellen Eignung durch kontinuierlichen Betrieb über ≥ 6 Monate 3. Erreichen eines Durchsatzes von 50 kg organischer Substanz/Tag (in der 10-m³-Anlage) 4. Entwicklung neuer Recyclingprodukte mit definierten Qualitätsstandards: Schabenproteinhydrolysate (≥ 90 % Proteingehalt), hygienisiertes Futtermittel (NPK-Gehalt gemäß EU-Düngemittelverordnung) und Biogas-Co-Substrate (≥ 70 % der theoretischen Methanausbeute)