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© istockphoto/sarawuth702; Hintergrundbild: Batene GmbH

Heutige Lithium-Ionen-Akkumulatoren, also aufladbare Batterien, sind ein wichtiger Erfolgsfaktor für die Elektromobilität. E-Autohersteller arbeiten an größeren Reichweiten der Fahrzeuge, kürzeren Ladezeiten und geringeren Produktionskosten. Doch die Akkus sind noch vergleichsweise teuer und schwerer, als sie theoretisch sein müssten. Eine wichtige Ursache ist die schlechte Beweglichkeit der Lithium-Ionen. Die Batene GmbH, eine Ausgründung aus dem Max-Planck-Institut für medizinische Forschung, will das ändern. In  Wendlingen am Neckar, wo mehr als 100 Jahre lang ein Textilunternehmen Garn produzierte und Tuch webte, zieht das Start-up heute buchstäblich Fäden für die Energiewende.

Batene hat einen Weg gefunden, feine Metalldrähte zu spinnen und zu fluffigen Vliesen zu verarbeiten. Diese sollen die Kontaktfolien in heutigen Batterieelektroden ersetzen und die Energiespeicher nicht nur wesentlich leistungsfähiger, sondern auch deutlich kostengünstiger machen. Als Joachim Spatz, Direktor am Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg im Jahr 2014 anfing, sich Gedanken über die Herstellung solcher Metallvliese zu machen, dachte er zunächst gar nicht an Batterien. Ihn interessierten Materialien, die große Oberflächen beinhalten, denn diese können ganz neue Eigenschaften zeigen, erzählt der Physiker: „Ich dachte zuerst daran, zum Beispiel Katalysatoren zu verbessern.“ 2017 gelang dann die Vliesherstellung. „Zwei Jahre später kam die Idee auf, damit Batterien zu bauen“, berichtet er. Schnell wurde klar, dass die Vliese als Elektrodenmaterial die Akkumulatortechnologie erheblich verbessern könnten. 2022 gründete Joachim Spatz die Batene GmbH gemeinsam mit Thanh Nguyen und Martin Möller, vier Jahre später arbeiten bereits 19 Forschende im jungen Team.

Schmelzspinnen auf einer Drehscheibe

Abb. A: Fliegende Fäden. Ein neuartiges Verfahren des Schmelzspinnens, das am Max-Planck-Institut für medizinische Forschung entwickelt wurde, erzeugt hauchdünne Metallfasern. Dabei fließt oder tropft flüssiges Metall aus dem beheizten Tiegel (links) auf eine rotierende gekühlte Scheibe, sodass es in Fäden gezogen wird.
© Batene GmbH

Bei der Herstellung von hauchdünnen Metallfäden ging es zunächst um die Entwicklung der Methode an sich. Bereits seit den 1970er-Jahren gibt es ein Gerät, in dem eine rotierende Walze aus einem Strahl flüssigen Metalls dünne Bänder zieht. Dieses als Schmelzspinnen oder Meltspinning bekannte Verfahren hat Joachim Spatz buchstäblich umgeworfen: „Ich habe mir überlegt, wie die Kräfte bei einem Meltspinning wirken“, sagt der Physiker. „Daraus ist dann die Idee entstanden, dass man anstelle von Bändern feinere Metallfäden erhält, wenn das flüssige Metall nicht auf eine Walze, sondern auf eine rotierende Scheibe fließt. Außerdem kann man in diesem Aufbau die Faserlänge besser kontrollieren.“  (Abb. A) . Aktuell erzeugt Batene auf diese Weise Fasern, die weitaus dünner sind als ein menschliches Haar.

„Die nächsten Produktionsschritte sind der Papierherstellung sehr ähnlich“, erläutert Spatz. Die feinen Metallfasern werden wie die Holzfasern in einer Flüssigkeit gewaschen und dann als Schicht abgelagert. Dabei kann man die gewünschte Dicke der Schicht einstellen. Danach wird sie getrocknet. Allerdings ist das Vlies so noch nicht stabil. Hier kommt nun ein wichtiger Trick: Das Vlies wird in einem Ofen bis knapp unter die Schmelztemperatur des Metalls erhitzt. „Wir dürfen nicht über die Schmelztemperatur geraten, sonst erhalten wir eine Flüssigkeit“, betont der Physiker. Knapp unterhalb der Schmelztemperatur aber werden die Metallatome beweglich, ohne dass die Fäden zerlaufen. Sie ordnen sich zu Kristallen um, vor allem aber verschweißen dadurch die Fäden an ihren Kontaktpunkten miteinander. So entsteht ein stabiles Vlies  (Abb. B) . „Das Vlies können wir mit Kupfer und Aluminium machen“, erzählt Spatz und ergänzt: „Sogar mit Gold haben wir das schon gemacht“. Das klingt teuer, aber ein solches Vlies besteht zum größten Teil aus Luft. Tatsächlich hat es das Potenzial, bis zu etwa 30 Prozent des Metalls in den Elektroden von Akkus einzusparen. Das Start-up will nun demonstrieren, dass sich diese Vliese großtechnisch am Fließband herstellen lassen, so wie riesige Papierrollen. „Wir wollen dieses Material kilogrammweise herstellen können“, sagt der Physiker. Neben allen technischen Vorteilen würde das die Batterieproduktion im Vergleich zu heute erheblich vereinfachen und verbilligen.

Abb. B: Metallisches Gewebe. Das Vlies besteht aus Kupferfäden, die dünner sind als circa 1/10 eines menschlichen Haares.
© Batene GmbH

Ein Ausweg aus dem Batterie-Dilemma

Warum solche Metallvliese für die Elektroden von Akkus so interessant sind, erklärt Spatz als Nächstes. Grundsätzlich gibt es zwei Träger elektrischer Ladung in einem Akku. Die negativ geladenen Elektronen dürfen nur durch einen äußeren Stromkreis von der Kathode in die Anode fließen. So können sie Arbeit verrichten, etwa einen Elektromotor rotieren lassen. Dabei entlädt sich der Akku und wandelt die in ihm chemisch gespeicherte Energie in elektrische Energie um. Diese lässt dann zum Beispiel ein Auto fahren. Beim Laden werden die Elektronen in umgekehrter Richtung gepumpt. Innerhalb des Akkus fließen zum Ausgleich positive Ladungsträger, in diesem Fall sind das die Lithium-Ionen  (s. TECHMAX 13) .

Die Batterieelektroden bestehen im Wesentlichen aus einem Stromsammler und einem porösen Aktivmaterial, das von einem flüssigen Elektrolyten durchdrungen wird. Das Aktivmaterial speichert Lithium-Ionen, die mittels Elektrolyte transportiert werden. Elektronen werden über den Stromsammler in das Aktivmaterial eingespeist oder diesem entzogen. Der Stromsammler der heute industriell hergestellten Lithium-Ionen-Batterien ist beim Minuspol eine Kupferfolie, beim Pluspol eine Aluminiumfolie. Das Aktivmaterial nimmt die Lithium-Ionen beim Laden und Entladen auf beziehungsweise gibt sie ab. Batteriehersteller verwenden dafür beim Minuspol Graphit und beim Pluspol verschiedene Lithiumverbindungen. Die Materialien sind porös und von einem flüssigen Elektrolyten durchdrungen. Dieser enthält gelöste Lithiumsalze (wie LiPF₆) und organische Stoffe wie Dimethylcarbonat (DMC) und Ethylencarbonat (EC). Der Elektrolyt soll aber nicht nur die Lithium-Ionen möglichst gut leiten, sondern auch als Isolator einen Elektronenfluss im Akku verhindern. Dafür sorgen die organischen Stoffe. Der Nachteil: Um die Lithium-Ionen bildet sich eine Hülle von organischen Molekülen. Deshalb wandern die Ionen sehr langsam durch den Elektrolyten. „Wenn man mit Freunden untergehakt durch eine volle Innenstadt drängelt, kommt man auch langsamer voran als ein Einzelner“, veranschaulicht Spatz die Entstehung solcher „Molekülklumpen“.

Abb. C: Von der Folie zum Netz. Links: In einer heutigen Batterie sind viele Zellen (mit < 0,2 mm Dicke) übereinander gestapelt. In den Zellen wandern die Lithium-Ionen durch den Elektrolyten in das poröse Aktivmaterial. Rechts: In einer wesentlich dickeren Batene-Zelle durchdringt das dreidimensionale Vlies das gesamte Aktivmaterial. Die Lithium-Ionen bewegen sich im Elektrolyten (blaue Pfeile) und zusätzlich sehr schnell über die Oberflächen der Metallfäden (schwarze Pfeile) zum Aktivmaterial (Graphitkörnchen, grau). Das beschleunigt den Ladungstransport deutlich, sodass Zellen mit einer Dicke von bis zu etwa einem Millimeter möglich werden.
© Links und Mitte: Batene GmbH; Rechts: verändert nach ACS Nano 13.5.2025; 19 (18): 17917–17928. https://doi.org/10.1021/acsnano.5c04343 // CC BY 4.0

Damit heutige Batterien überhaupt in akzeptablen Zeiten geladen werden können, stapeln sich in ihnen zahlreiche Zellen übereinander (Abb. C, links), die jeweils nur bis zu zwei Zehntel Millimeter dünn sind. So müssen die Ladungsträger keine weiten Wege zu den Kontakten zurücklegen. Der Anteil der Kontaktfolien und des Separatormaterials, das Plus- und Minuspol voneinander trennt, summiert sich jedoch zu einer beträchtlichen Menge. Die Materialien brauchen Platz und bringen Gewicht mit, tragen aber nichts zur Speicherung bei. Deshalb gehen Batteriehersteller heute stets einen Kompromiss zwischen Energiedichte, also der Speicherkapazität pro Masse, und Lade- beziehungsweise Entladegeschwindigkeit ein. Wenn eine Batterie in kurzer Zeit viel Leistung bringen muss, in einem Sportwagen beispielsweise oder beim Start eines Elektrohubschraubers, entscheiden sie sich für besonders dünne Zellen. Das geht dann auf Kosten der Speicherkapazität, oder die Batterie wird sehr groß und schwer. „Die Versorgung eines Materials mit Ladung über zweidimensionale Schichten ist jedoch in keiner Weise effizient“, sagt Joachim Spatz und verweist auf das Vorbild der Natur: Sie versorge Organismen über ein dreidimensionales Netzwerk an Gefäßen. „Und das ist das Ziel unserer Technologie: ein 3D-Versorgungsnetz für Ladungsträger, über das sich Batterien effizient laden und entladen lassen.“ Vliese aus Metallfasern, die das gesamte Aktivmaterial einer Elektrode durchdringen  (Abb. C, rechts) , heben das Dilemma heutiger Batterien auf. Sie ermöglichen deutlich dickere Batteriezellen, die ihre Ladung trotzdem blitzschnell aufnehmen und abgeben. Ein weiterer Vorteil: Die dickeren Zellen sind stabiler als die hauchdünnen Zellen herkömmlicher Akkus. Das ist ein wichtiger Grund, warum die Batene-Technik Batterien auch sicherer macht.

Eine Schnellstraße für Ionen

Doch wie kommen die kurzen Lade- und Entladezeiten der Batene-Batterien zustande? Das Kupfervlies durchdringt das Aktivmaterial mit einer Maschenweite von etwa 80 Mikrometern, sodass die Lithium-Ionen im Elektrolyten nur sehr kurze Wege bis zur Elektrode haben. Das allein sollte das Laden und Entladen beschleunigen, war die ursprüngliche Idee des Batene-Teams. Doch dann zeigten die ersten Experimente: Die Vlies-Elektroden konnten viel schneller und effizienter elektrische Energie speichern und abgeben, als Computersimulationen es vorhersagten. Was passiert da? Das konnten die Forschenden mit hochauflösenden Methoden zeigen: An der Kupferoberfläche verlieren die Lithium-Ionen ihre Hülle aus organischen Molekülen  (Abb. D) . „An den Kupferfäden bildet sich eine sogenannte Helmholtzschicht“, erklärt Spatz. „Diese war schon lange bekannt. Dass sie den Ladungstransport durch das Speichermaterial beschleunigt, hat uns aber überrascht und war gänzlich neu.“ Ohne den bremsenden „Molekülklumpen“, der die Lithium-Ionen im Elektrolyten umgibt, werden sie auf der Metalloberfläche bis zu hundertmal beweglicher. Diese hohe Beweglichkeit der Ionen beschleunigt das Laden und Entladen des Akkus erheblich. „Metalloberflächen sind also eine Art Autobahn für die Metallionen“, sagt der Wissenschaftler. Zudem vergrößert sich die Oberfläche, auf der sich die Ionen bewegen können, denn das Vlies durchdringt das gesamte Aktivmaterial dreidimensional, ähnlich wie die Kapillaren des Blutgefäßsystems. Auch die feinen Graphitkörner in der Elektrode am Minuspol in der Batene-Zelle tragen zu der Beschleunigung bei. Sie besitzen eine große Oberfläche und stehen in engem Kontakt mit den feinen Kupferfäden. So können die Lithium-Ionen viel schneller zu einem freien Platz im Aktivmaterial gelangen. Wie schnell die freien Plätze im Aktivmaterial von Ionen besetzt werden, beeinflusst die Ladekurve heutiger Lithium-Ionen-Akkus, erklärt Spatz: „Erst steigt die Ladung schnell an, bis der Akku ungefähr zu 30 Prozent voll ist, danach geht es immer langsamer.“ Genau dieses Problem könnten die neuen Akkus mit den Vlies-Elektroden entschärfen und auch damit zur Beschleunigung des Ladevorgangs beitragen.

Abb. D: Befreite Lithium-Ionen. Die Grafik zeigt, was bei einer Annäherung der Lithium-Ionen an die Kupferoberfläche passiert. Rechts: Im Elektrolyten liegt das Lithiumhexafluorophosphat in Form von Ionen (Li⁺ und PF₆^–) vor. Die Li⁺-Ionen sind von organischen Molekülen umhüllt (DMC: Dimethylcarbonat, EC: Ethylencarbonat). Dabei gibt es verschiedenen Formen (s. gestrichelte Kreise). Nach links folgt eine diffuse Mischungsschicht, dann die äußere Helmholtzschicht (OHL) sowie direkt am Kupfer die innere Helmholtzschicht (IHL). Durch elektrostatische Kräfte zwischen Elektronen im Kupfer und den Li+-Ionen brechen deren Umhüllungen auf. Ohne Hülle können sich die Li⁺-Ionen in der IHL sehr schnell bewegen.
© ACS Nano 13.5.2025; 19 (18): 17917–17928. https://doi.org/10.1021/acsnano.5c04343 // CC BY 4.0

Die nächste Akku-Generation

Batteriehersteller interessieren sich allerdings für die neue Technik vor allem, weil sie eine deutlich einfachere und kostengünstigere Produktion von Batterien ermöglicht. Denn die Herstellung der vielen dünnen Schichten herkömmlicher Akkus ist fehleranfällig und erzeugt viel Ausschuss. Außerdem müssen die Unternehmen bei der Fabrikation der Dünnschichtelektroden einen vollkommen glatten Film des aufgeschlämmten  Aktivmaterials nahtlos auf die Kontaktfolie aufbringen. Dafür benötigen sie zum Teil krebserregende und umweltschädliche Lösungsmittel. Und das heißt: Sie müssen nicht nur Trockenstraßen errichten, die ganze Hallen füllen, damit die Lösungsmittel aus den hauchdünnen feuchten Schichten verdampfen können. Sie müssen die giftigen Substanzen auch zurückgewinnen, ohne dass die Beschäftigten die Dämpfe einatmen. Das macht die Sache sehr aufwendig und teuer. Viele Batteriehersteller suchen daher nach Wegen, um das Aktivmaterial trocken zu verarbeiten. Bislang verwendet zwar auch das Batene-Team Lösungsmittel, um die Aktivmaterialien in die Vliese einzubringen. Doch Joachim Spatz ist sicher, dass sich die Produktion der Batene-Elektroden tatsächlich trocken legen lässt. „Mit der Trockenbefüllung können wir vermutlich 30 bis 40 Prozent der Produktionskosten sparen, und die Anlagen brauchen ein Drittel weniger Platz.“

Ein Vlies für alle Fälle

Batterien sind eine Schlüsseltechnologie der Energiewende: Sie können die elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen für Zeiten speichern, in denen Fotovoltaik und Windkraft keinen Strom liefern. Und sie ermöglichen es, Fahrzeuge klimafreundlich anzutreiben. Für den Erfolg von E-Autos sind leistungsfähige Batterien entscheidend. Bis vor Kurzem galt ein Lithium-Ionen-Akku mit einem Pluspol aus Nickel, Mangan und Kobalt als erste Wahl. Doch Nickel und Mangan sind teuer, letzteres wird zudem unter problematischen sozialen und ökologischen Bedingungen gewonnen. Inzwischen fahren auch viele Elektrofahrzeuge mit Lithium-Eisenphosphat-Batterien. Darüber hinaus sind Natrium-Ionen-Batterien im Rennen, die kein teures und schlecht verfügbares Lithium mehr brauchen. Und dann gibt es auch noch Feststoffbatterien, die ohne flüssige Elektrolyte auskommen und daher sicherer und kompakter als die heute gängigen Akkus sein sollen. Welcher Zelltyp sich am Ende durchsetzen wird, ist noch offen. Vermutlich werden es je nach Anwendung verschiedene sein. Für Batene ist das egal: „Unsere Technik ist für alle Zelltypen und Zellmaterialien geeignet“, sagt Joachim Spatz.

Abbildungshinweise:
Titelbild: © istockphoto/sarawuth702 // Hintergrundbild: Batene GmbH
Abb. A und B: © Batene GmbH
Abb. C: © Links und Mitte: Batene GmbH; Rechts: verändert nach ACS Nano 13.5.2025; 19 (18): 17917–17928. https://doi.org/10.1021/acsnano.5c04343  // CC BY 4.0
Abb. D: © ACS Nano 13.5.2025; 19 (18): 17917–17928. https://doi.org/10.1021/acsnano.5c04343 // CC BY 4.0

Der Text wird unter CC BY-NC-SA 4.0 veröffentlicht.

TECHMAX Ausgabe 42, September 2026; Text: Peter Hergersberg, Roland Wengenmayr; Redaktion: Tanja Fendt, Elke Maier

Wie könnte ein zukunftsfähiger Kunststoff aussehen? Darüber sprechen in dieser Folge von max-audio der Wissenschaftsjournalist Stefan Geier und der Chemiker Manuel Häußler vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung. Der Wissenschaftler arbeitet an einer neuen Generation von Kunststoffen. Die Polymere der Zukunft sollen einen geschlossenen Recyclingkreislauf ermöglichen.

Audiodatei | 23 min, Mai 2026

© MPG / CC BY-NC-ND 4.0

Die Sammlung enthält Aufgaben zu folgenden Themen:

Polyethylen (Reaktionsmechanismus, Eigenschaften) / Verwertung Kunststoffabfälle / Polykondensation / Eigenschaften und Hydrolyse Polyester / zukunftsfähige Kunststoffe

Unterrichtsmaterial zum Techmax 38

Oben links: Klassisches Polyethylen mit einer reinen Kohlenwasserstoffkette.  Rechts: PE-artiger Polyester mit „Sollbruchstellen“.

Unten: Ein PE-artiger Polyester, in diesem Beispiel Polyester-2,18 mit Ethylenglykol als Co-Monomer, wird in Wasser oder Alkohol zwischen 150 – 180°C für wenige Stunden erhitzt. Da langkettige Dicarbonsäuren hervorragend kristallisieren und sich Glykol gut destillieren lässt, werden die Edukte bei voller Qualität in nahezu quantitativer Ausbeute zurückerhalten.

© M. Häußler, MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung / CC BY-NC-SA 4.0

Testkörper werden eingespannt und mit einer Kraftmesszelle langsam gestreckt, bis sie reißen. Die dabei aufgenommene Spannungs-Dehnungs-Kurve gibt Aufschlüsse über die Materialbeschaffenheit.

© M. Häußler, MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung / CC BY-NC-SA 4.0

Durch Bioraffination von Pflanzenölen entsteht 1,18-Octadecandicarbonsäure, die teilweise zu 1,18-Octadecandiol reduziert wird. Die Alkohol- und Säureendgruppen der Monomere reagieren unter Veresterung miteinander. Da jedes Molekül zwei Endgruppen besitzt, wiederholt sich die Veresterung vielfach. Diese Polykondensation führt unter Abspaltung von Wasser zur Bildung des Polyesters-18,18.

© M. Häußler, MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung / CC BY-NC-SA 4.0

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Der Bedarf an Kunststoffen wird sich bis 2050 verdoppeln.  Doch noch immer werden über 90% davon aus Erdöl hergestellt – rechnet man den Altkunststoff mit ein. Allein durch die Produktion von Plastik wurden etwa im Jahr 2019 bereits 2,24 Gigatonnen CO₂ freigesetzt – so viel wie durch 600 Kohlekraftwerke. Will Europa klimaneutral werden, bedarf es dringend neuer Kunststoffe, die sich ohne Qualitätsverlust in einem geschlossenen Kreislauf aus Produktion und Recycling halten lassen. Dafür entwickelt Manuel Häußler am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung einen vielversprechenden Ansatz.

Es begann im Jahr 1907 mit Bakelit. Bald folgten Polyvinylchlorid, Polyamid, Polyethylen, Teflon, Polystyrol, Polyurethan, Polyacrylnitril, Polypropylen und andere. Während die erste Hälfte des  20. Jahrhunderts noch ganz im Zeichen der Entwicklung von Polymeren stand, wuchs nach 1950 deren weltweite Produktion geradezu exponentiell. Rund 414 Millionen Tonnen waren es im Jahr 2023 – Tendenz weiter steigend. Kein Wunder, denn unzählige Produkte für Haushalt, Arbeitswelt und Freizeit wurden durch Kunststoffe erst möglich. Ob in der Medizin, bei Verpackungsmitteln, in Handwerk, Automobilindustrie, Elektronik oder Textilherstellung – kaum ein Bereich, in dem kein Plastik eingesetzt wird. Kein anderes Material ist so leicht, robust, wasserabweisend, vielfältig – und vor allem so preiswert! Je nach chemischer Zusammensetzung können Polymere hart oder weich sein, elastisch, transparent, isolierend, korrosions- und chemikalienbeständig. Holz, Metall, Keramik oder Glas können, was die vielfältige Performance betrifft, bei weitem nicht mithalten.

Das Müllproblem

Durch Verwendung unterschiedlicher Monomere lassen sich die Eigenschaften von Kunststoffen maßschneidern. „Miniatur-LEGO“ nennt es Manuel Häußler. Doch mittlerweile sind die meisten dieser Polymer-Rezepte mehr als 70 Jahre alt. Kann das molekulare  Design noch den heutigen Ansprüchen genügen? „Ganz klar nein, denn damals hat man das Recycling nicht mitbedacht“, sagt Häußler. Und so wachsen nicht nur stetig Bedarf und Produktion – sondern auch der Müll. Im Jahr 2023 fielen in Deutschland 5,58 Millionen Tonnen Kunststoffabfälle von gewerblichen und privaten Endverbrauchern an (Abb. A). Das sind fast 66 kg pro Person. 36 kg davon sind nur Verpackungsmüll – etwa die Hälfte des Körpergewichts eines Erwachsenen! Die gute Nachricht: Sehr wenig Plastik landet in Deutschland heute noch auf Deponien. Doch nicht einmal ein Prozent ist Teil eines echten geschlossenen Kreislaufs, ohne jegliche Qualitätsverluste. „Aber genau da müssen wir hin – und zwar mit jeder Art von Kunststoff“, betont Manuel Häußler.

Abb. A: Kunststoffabfälle in Deutschland. Mehr als die Hälfte der Kunststoffabfälle wurde im Jahr 2023 verbrannt – in speziellen Industriekraftwerken als Ersatzbrennstoff oder in Müllverbrennungsanlagen. Mit insgesamt 35,4% stofflicher Verwertung erreichte Deutschland eine der höchsten Raten in Europa.
© Quelle Zahlen: Conversio, Stoffstrombild Kunststoffe in Deutschland 2023, 2024; Grafik: HNBM

Die Krux mit dem Mikroplastik

Polyethylen (PE) ist der am meisten verwendete Kunststoff überhaupt. Durch Zusatz von Prozesshilfen, Farbstoffen oder anderen Additiven lassen sich PE-Produkte in fast beliebiger Konsistenz, Optik und Größe herstellen. HDPE (High Density PE) ist wegen seiner hohen Dichte extrem robust und deshalb ideal für Flaschen, Verschlüsse, Kanister oder Fässer. Die flexiblere LDPE-Variante eignet sich für Folien, Tragetaschen oder Säcke. LDPE (Low Density PE) wird durch radikalische Polymerisation, HDPE durch katalytische Insertionspolymerisation von Ethylen hergestellt. Beide PE-Varianten bestehen jeweils aus sehr langen Kohlenwasserstoffketten (C₂H₄)_n, man könnte sagen, es ist „schnittfestes Erdöl“. Und in diesen Ketten steckt das große Manko von PE. Denn einmal verknäult und im Spritzgussverfahren zu einer Plastiktüte oder -schale geformt, bieten sie Enzymen keinerlei Angriffspunkte, sind deshalb für Mikroorganismen unverdaulich. Gelangt Plastikmüll in die Umwelt, zerfällt er durch Einfluss von UV-Strahlung und Sauerstoff nur unendlich langsam in Mikro- und schließlich Nanoplastik. Aber er bleibt was er war – Plastik.

Zumindest in Deutschland wird Plastikmüll in großen Mengen in gelben Säcken und Tonnen gesammelt. In Sortieranlagen wird er geschreddert und etwa 20 verschiedene Kunststoffsorten können daraus einigermaßen sortenrein getrennt, und neu eingeschmolzen werden. Genau hier liegt aber auch das Problem: Selbst wenn die Sortierung nach Kunststoffsorten perfekt abläuft, so unterscheiden sich die einzelnen Plastikobjekte dennoch in ihrer Additivierung – beispielsweise gibt es erhebliche Unterschiede zwischen PE für technische Anwendungen und Lebensmittelverpackungen. Die Additive und Farbstoffe lassen sich beim mechanischen Recycling nicht abtrennen, aus einer blauen Weichspülerflasche kann also nie mehr eine weiße werden. Hinzu kommt die natürliche Materialalterung, welche die Polymerketten durch UV-Licht und Sauerstoff langsam aber sicher verändert und die Qualität reduziert. „Damit perfekte neue Produkte daraus entstehen, wird das Rezyklat mit viel frisch hergestelltem Kunststoff gemischt, quasi ’verdünnt‘, wofür erneut Erdöl eingesetzt werden muss“, erklärt Häußler. Und das ist keine nachhaltige Lösung. Eine Alternative für das mechanische Recycling ist das chemische Recycling. Dabei werden die Polymerketten wieder zu kleinen Molekülen gespalten, welche sich viel besser auftrennen und reinigen lassen. Das ist bei klassischen Polymeren wie PE aber sehr energieaufwändig: Um die stabilen Polymerketten zu spalten, muss das Material auf bis zu 700 °C erhitzt werden. Dabei entsteht eine komplexe Mischung, sogenanntes Pyrolyseöl, das dem ursprünglichen Erdöl ähnelt, und dadurch erst wieder die petrochemische Aufreinigung durchlaufen muss.

Ein Ersatz für Polyethylen

Manuel Häußler forscht an einem Ersatzstoff für Polyethylen. Sein Ziel: Nur noch einen Monomertyp für viele verschiedene Polymerqualitäten einzusetzen, die sich alle gemeinsam recyceln lassen. Dahinter stehen folgende Überlegungen: Polyethylene ähneln natürlichen Fettsäuren, die typischerweise zwölf oder mehr Kohlenstoffatome besitzen. Oxidiert zu Dicarbonsäuren (DCAs) wären sie perfekt, um etwa mit Diolen durch Polykondensation zu PE-artigen Polymerketten verestert zu werden. Wenn es gelänge, damit vergleichbare Kettenlängen aufzubauen wie beim klassischen PE, müssten auch die Eigenschaften ähnlich sein. Anders als Polyethylen ließen sich diese Kunststoffe aber nach Gebrauch einfach hydrolisieren und die langkettigen kohlenstoffreichen Monomere in den Kreislauf zurückführen. Gedacht, getan: Als Rohstoff setzte Häußlers Team Pflanzenöl ein, das großtechnisch raffiniert wurde, um damit 1,18-Octadecandisäure herzustellen. Aus dieser entsteht durch Veresterung mit einem langkettigen 1,18-Octadecandiol und anschließender Polykondensation der Polyester-18,18 (Abb. B).

Abb. B: Herstellung von Polyester-18,18. Durch Bioraffination von Pflanzenölen entsteht 1,18-Octadecandicarbonsäure, die teilweise zu 1,18-Octadecandiol reduziert wird. Die Alkohol- und Säureendgruppen der Monomere reagieren unter Veresterung miteinander. Da jedes Molekül zwei Endgruppen besitzt, wiederholt sich die Veresterung vielfach. Diese Polykondensation führt unter Abspaltung von Wasser zur Bildung des Polyesters-18,18.
© M. Häußler, MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung / CC BY-NC-SA 4.0

Der Kunststoff besteht aus cremeweißen Pellets, die sich – typisch für Plastik – vielseitig verarbeiten lassen. Im Spritzgussverfahren und mittels 3D-Druck stellte Häußlers Team daraus unter anderem mechanische Teststäbchen, aber auch komplexere Objekte wie Smartphone-Hüllen oder hitzestabile Espressotassen her. Inzwischen nimmt das Forschungsteam als Rohstoff buchstäblich Müll: Kleingehäckselte, auch minderwertige Kunststoffabfälle und Lebensmittelreste werden oxidiert und dann mithilfe bestimmter Hefen zu langkettigen Dicarbonsäuren fermentiert. Denn die Verwendung von Pflanzenölen ist zwar nachhaltig, aber auch kritisch zu sehen, weil sie als Speiseöle der Welternährung dienen.

Eigenschaften des neuen Polyesters

„Die thermischen und mechanischen Eigenschaften des Polyesters-18,18 sind HDPE verblüffend ähnlich“, sagt Häußler. Speziell, was Verformbarkeit, Zugfestigkeit und Kristallinität angeht (Abb. C). Auch die Kettenlängen sind vergleichbar. „Das Material ist semikristallin und hat 50% bis 70% sich wiederholende, regelmäßige Kristallstrukturen.“ Die Eigenschaften des neuen Materials lassen sich über die Kettenlängen der Monomere gezielt steuern: Je länger die Alkanketten zwischen den Estergruppen, desto robuster wird das spätere Produkt: Es wird kristalliner, steifer, zugfester und auch härter. „Irgendwann, etwas jenseits von C₃₀, verhält es sich wie ein klassisches Polyethylen und die Abbaubarkeit sinkt wieder deutlich“, erklärt der Forscher. Die Kettenlänge muss also gut austariert werden, damit der Nachhaltigkeitsvorteil nicht verloren geht.

Abb. C: Polymere im Test. Testkörper werden eingespannt und mit einer Kraftmesszelle langsam gestreckt, bis sie reißen. Die dabei aufgenommene Spannungs-Dehnungs-Kurve gibt Aufschlüsse über die Materialbeschaffenheit.
© M. Häußler, MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung / CC BY-NC-SA 4.0

Die Monomere können entweder sortenrein oder in bestimmten Mischungsverhältnissen eingesetzt werden. Ändert man die Verbindungsstellen, etwa indem auch Diamine verwendet werden und damit zufällig die eine oder andere Estergruppe durch eine Amidgruppe ausgetauscht wird, entstehen viele weitere Kombinationsmöglichkeiten. „Wir spielen ganz bewusst mit dem Einbringen von Heteroatomen. Man kann auch die Bildung von Wasserstoffbrücken fördern. Oder Seitenketten als Kristallisations-Brecher mit ins Spiel bringen, wodurch das Material weicher wird“, sagt er Chemiker. Nach Gebrauch könnten diese Kunststoffe prinzipiell in die gelbe Tonne, denn ihre Nah-Infrarotsignatur unterscheidet sich ausreichend von den anderen gut trennbaren Kunststoffen. In Sortieranlagen werden sie nach Schreddern des Plastikmülls von entsprechenden Sensoren erkannt und per Luftstoß aussortiert. „Das wird aber nicht gleich am Anfang passieren“, schätzt Manuel Häußler, „denn es lohnt sich nicht, eine Sortieranlage, durch die pro Jahr 100.000 Tonnen Kunststoff laufen, für anfangs nur wenige Tonnen neuen Kunststoff umzubauen.“ Ein entscheidender Vorteil: Gelangen die neuen Polymere in die Umwelt, kann daraus kein schädliches Mikroplastik entstehen, da sich schnell Biofilme aus verschiedensten Mikroben bilden, deren Enzyme die Ester spalten. Die freigesetzten Monomere werden von Bakterien und Pilzen dann in kurzer Zeit verstoffwechselt, weil die Dicarbonsäuren wie natürliche Fettsäuren abgebaut werden können. Trotzdem will er nicht, dass seine Kunststoffe in die Umwelt gelangen. „Ihr Charme liegt ja darin, dass sie vollständig und ohne Qualitätsverlust recycelbar sind“, sagt der Forscher.

Ein Kunststoff für die Kreislaufwirtschaft

Anders als PE mit seiner reinen Kohlenwasserstoffkette besitzen die langkettigen PE-artigen Polyester klar definierte „Sollbruch stellen“ – die Estergruppen – die das Polymer vollständig rezyklierbar machen. Ein weiterer Vorteil: Es lässt sich unter milden Bedingungen depolymerisieren (Kasten). Farbstoffe und weitere Additive können bei der Depolymerisation auch leicht abgetrennt werden und das Monomergemisch lässt sich im Prinzip sofort erneut verwenden und verestern. „Im Grunde zirkulieren wir zwischen Herstellung und Recycling lediglich ein Äquivalent Wasser: Bei der Esterbildung wird es entzogen – bei der Spaltung verbraucht“, sagt Häußler. Nirgendwo entsteht CO₂.

In fünf bis zehn Jahren, denkt Häußler, sollte die neue Kunststoffklasse für Massenanwendungen marktreif sein – für Spezialanwendungen sogar schon viel früher. Den Anfang werden wohl High-Performance-Produkte wie Gegenstände aus dem 3D-Drucker machen. Bei deren Herstellung fällt bislang sehr viel Abfall an, weil die Materialien bei der Verarbeitung stets an Qualität verlieren. Druckerreste der neuen Polyester können hingegen nach dem solvolytischen Recycling ohne Qualitätsverlust wieder zum Drucken verwendet werden. „Auf längere Sicht werden es sicher auch diverse Verpackungsmaterialien oder Haushaltsprodukte sein, die über die Gelbe Tonne gesammelt werden können“, sagt der Chemiker. Aktuell spielen die Forschenden mit den Rezepturen, um die Anwendungsmöglichkeiten des PE-Ersatzes auszuloten (Abb. D).

Abb. D: Verschiedene Produkte aus PE-artigem Polyester.
© M. Häußler, MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung

Kunststoffe der Zukunft

Um zukunftsfähig zu sein, müssen neue Kunststoffe aus Häußlers Sicht vier Kriterien erfüllen: „Erstens: Herstellung aus unkritischen Rohstoffen. Zweitens: Vielseitigkeit in der Anwendung. Drittens: Abbaubarkeit in der Umwelt zur Vermeidung von Mikroplastik. Und viertens: vollständige Rezyklierbarkeit.“ Alle bisherigen Ansätze scheitern mindestens an einem Kriterium. Die PE-Alternativen erfüllen hingegen alle Kriterien in einem  molekularen Konzept und erreichen dabei die Leistung herkömmlicher Kunststoffe. DCA-basierte Polymere haben das Potenzial für vielfältige High-Performance-Produkte – und damit für eine Plattformtechnologie. „Das ist auch die Voraus-setzung für den Markterfolg. Für tausende Produkte auch tausende verschiedene nachhaltige Polymertypen zu entwickeln, wäre völlig unrentabel“, betont Häußler. Werden wir dann bald in einer PE-freien Welt leben? Manuel Häußler ist vorsichtig: Im Moment seien die bestehenden Produktionskapazitäten für herkömmliche Kunststoffe einfach zu groß. Warum sollte die Industrie sie stilllegen? „Aber vielleicht schaffen wir es bis 2050, zumindest keine neuen erdölbasierten Produktionsanlagen mehr aufzubauen“, sagt er.

Abbildungshinweise:
Titelbild:  © HNBM
Abb. A: © Quelle Zahlen: Conversio, Stoffstrombild Kunststoffe in Deutschland 2023, 2024; Grafik: HNBM
Abb. B: © M. Häußler, MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung / CC BY-NC-SA 4.0
Abb. C: © M. Häußler, MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung / CC BY-NC-SA 4.0
Abb. D: © M. Häußler, MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung
Kasten: © M. Häußler, MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung / CC BY-NC-SA 4.0

Der Text wird unter CC BY-NC-SA 4.0 veröffentlicht.

TECHMAX Ausgabe 38, Juli 2025; Text: Dr. Catarina Pietschmann; Redaktion: Dr. Tanja Fendt

© P. Papastefanou / MPI-BGC

Im Jahr 1958 installierte der amerikanische Chemiker Charles D. Keeling ein Messgerät für Kohlenstoffdioxid (CO₂) auf dem Vulkan Mauna Loa auf der Insel Hawaii. Das Gerät stand in rund 3.400 Metern Höhe, weit weg von störenden CO₂-Quellen wie Industriegebieten. Keeling wollte den CO₂-Gehalt der Atmosphäre bestimmen. Bis dahin gab es dazu nur ungenaue und widersprüchliche Daten. Daher war unklar, ob sich das Treibhausgas durch das Verbrennen von Öl, Gas und Kohle in der Atmosphäre anreichert. Viele Forschende vermuteten, das dabei freigesetzte CO₂ würde vom Ozean geschluckt. Die vom Menschen verursachte Erderwärmung war damals bloß eine Theorie.

Keeling machte zwei Entdeckungen: Zum einen stellte er fest, dass die CO₂-Konzentration innerhalb eines Jahres schwankt und dem Vegetationszyklus auf der Nordhalbkugel folgt: Im Frühjahr und Sommer nimmt sie ab, während sie in der kälteren Jahreshälfte ansteigt. Zum anderen konnte er bald nachweisen, dass der durchschnittliche CO₂-Gehalt in der Lufthülle der Erde tatsächlich von Jahr zu Jahr zunimmt. Die von Keeling begonnene und bis heute fortgesetzte Messreihe gilt als bedeutendster Umweltdatensatz des 20. Jahrhunderts (Abb. A). Sie zeigte zum ersten Mal, wie die Biosphäre im Rhythmus des jahreszeitlich bedingten Pflanzenwachstums CO₂ aus der Atmosphäre aufnimmt und wieder abgibt – und wie der Mensch das Klima des Planeten beeinflusst.

Abb. A: Keeling-Kurve. Die Abbildung zeigt die monatliche durchschnittliche CO₂-Konzentration der Luft, gemessen auf dem Mauna Loa in einer Höhe von 3.400 Metern in den nördlichen Subtropen. Die Keeling-Kurve steigt nicht gleichförmig an, sondern schwingt im Verlauf des Jahres auf und ab. Jeweils am Ende des Frühjahrs klettert der Wert auf einen neuen Höchststand. Das liegt unter anderem daran, dass die Wälder der Nordhemisphäre im Winter nur wenig Fotosynthese betreiben und monatelang kaum CO₂ aus der Luft aufnehmen, während Pflanzen und Böden einen Teil des zuvor aufgenommenen Kohlenstoffdioxids durch die Atmung wieder an die Atmosphäre abgeben. Der langfristige Trend hingegen geht hauptsächlich auf die anthropogen bedingten CO₂-Emissionen zurück.
© Author: Oeneis; Data from Dr. Pieter Tans, NOAA/ESRL and Dr. Ralph Keeling, Scripps Institution of Oceanography / CC BY-SA 4.0

Natürliche Kohlenstoffspeicher

Vor Beginn der Industrialisierung herrschte zwischen Aufnahme und Freisetzung von Kohlenstoffdioxid im langfristigen Mittel ein Gleichgewicht. Der Mensch aber stört diese Balance, vor allem durch die Nutzung fossiler Rohstoffe, die heutzutage fast 90 Prozent der weltweiten Treibhausgasemissionen verursacht. Die restlichen zehn Prozent gehen auf das Konto veränderter Landnutzung. Dazu zählen die Umwandlung von Wäldern, Grasländern oder Mooren in landwirtschaftliche Nutzflächen und die Verwendung von Holz als Brennstoff, aber auch Siedlungs- und Straßenbau. Zu Beginn der industriellen Revolution waren die daraus resultierenden Emissionen sogar größer als jene aus dem Verbrennen fossiler Rohstoffe. Erst im Zuge des starken weltweiten Wirtschaftswachstums nach Ende des Zweiten Weltkriegs wurden Öl, Gas und Kohle zur bedeutendsten CO₂-Quelle.

Die Erderwärmung durch die anthropogenen CO₂-Emissionen wäre heute noch viel höher, gäbe es keine Ökosysteme, die einen Teil des Kohlenstoffdioxids aus der Atmosphäre aufnehmen und speichern. Wie das funktioniert und welche Faktoren dabei eine Rolle spielen, untersucht das Team von Sönke Zaehle, Direktor am Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erforschen die Kohlenstoffbilanzen von Landökosystemen. Sie wollen verstehen, wie etwa Wälder, Grasländer und Böden als Quellen und Senken von Treibhausgasen wirken und wie der Mensch und das Klima diese Ökosysteme beeinflussen. „In den vergangenen 60 Jahren haben Ozeane und Landökosysteme etwa die Hälfte der anthropogenen Kohlenstoffdioxid-Emissionen aus der Atmosphäre aufgenommen“, erklärt Sönke Zaehle (Abb. B). „Die Weltmeere nehmen Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre auf und lösen es in Form von Kohlensäure. Auf dem Land wirken Pflanzen und Böden als Kohlenstoffspeicher.“ Die Forschung von Sönke Zaehle ist Teil eines globalen Monitorings: Klimaforschende aus der ganzen Welt erstellen jedes Jahr eine Bilanz des globalen Kohlenstoffkreislaufs. Sie beziffern im Global Carbon Report unter anderem die anthropogenen CO₂-Emissionen auf der einen sowie die CO₂-Aufnahme der Landbiosphäre und der Ozeane auf der anderen Seite.

Abb. B: Globales Kohlenstoffbudget 2023. Etwa die Hälfte des ausgestoßenen CO₂ aus fossilen Energiequellen und Landnutzungsänderungen wird von Land- und Ozeansenken absorbiert, der Rest verbleibt in der Atmosphäre und trägt zum Klimawandel bei.
© Global Carbon Project; Data source: Friedlingstein et al. 2023 Global Carbon Budget 2023. Earth System Science Data. // CC BY 4.0; https://globalcarbonatlas.org

Wenn Senken zu Quellen werden

Bis heute gibt es noch keine Technologien, um Kohlenstoffdioxid in großem Maßstab aus der Atmosphäre zu entfernen. Um den Klimawandel einzudämmen, sind die natürlichen Senken daher von zentraler Bedeutung, denn ohne diese würde die doppelte Menge an CO₂ in die Atmosphäre gelangen und die Erde noch schneller aufheizen. Doch die Senken sind zunehmend bedroht – durch menschliche Aktivitäten und auch durch den Klimawandel selbst. Im schlimmsten Fall kann die CO₂-Abgabe die Aufnahme sogar übersteigen, sodass Pflanzen und Böden zur Netto-CO₂-Quelle werden (s. Geomax 25). Das passierte etwa im Jahr 2023 – bis dahin das heißeste jemals aufgezeichnete Jahr, als die Netto-Kohlenstoffaufnahme an Land zeitweise sogar zusammenbrach: Pflanzen und Böden wandelten sich von Kohlenstoffsenken in -quellen.

Menschliche Aktivitäten wie Abholzung, Brandrodung oder die Trockenlegung von Feuchtgebieten, 2020 aber auch Urbanisierung und die Versiegelung von Böden zerstören wertvolle Kohlenstoffspeicher. Der Klimawandel fördert Hitze, Dürren, Brände und Überschwemmungen, die das Pflanzenwachstum beeinträchtigen und CO₂ aus dem Boden freisetzen. Die weltweite landwirtschaftliche Nutzfläche beträgt heute rund fünf Milliarden Hektar – fast 40 Prozent der globalen Landoberfläche. Insbesondere in den Tropen und in anderen Ländern mit starkem Bevölkerungs- und Wirtschaftswachstum haben Landwirtschaft und Holznutzung stark zugenommen. So geraten die natürlichen Kohlenstoffreservoirs immer mehr unter Druck. In Südostasien werden Wälder vor allem für den Anbau von Ölpalmen und Kautschukbäumen großflächig gerodet, in Westafrika für Kakaoplantagen. Im Amazonasgebiet gilt die Produktion von Rindfleisch, Soja und Zuckerrohr als Haupttreiber der Entwaldung (s. Geomax 24).

Der Einfluss von El Niño

Forschungsgruppenleiter Santiago Botía und sein Team am Max-Planck-Institut für Biogeochemie konzentrieren sich unter anderem auf den Amazonas-Regenwald, der mehr als die Hälfte des weltweit noch verbliebenen tropischen Regenwalds ausmacht. Die Forschenden möchten herausfinden, welche Rolle der Wald als Kohlenstoffsenke spielt, was seine Speicherkapazität beeinflusst und welche Prozesse sich auf den Gehalt von CO₂, Methan und Lachgas in der Atmosphäre auswirken. Um die Kohlenstoffflüsse nachzuverfolgen, kombinieren sie Messungen von Treibhausgasen an Bodenstationen oder per Flugzeug mit Computersimulationen, die den Gastransport in der Atmosphäre abbilden. Wichtige Messdaten liefert das 325 Meter hohe Amazon Tall Tower Observatory (ATTO) mitten im brasilianischen Regenwald (s. Titelbild). Ziel ist es, Quellen und Senken von Kohlenstoff im Amazonasgebiet zu bestimmen.

„Grundsätzlich gilt der Amazonas-Regenwald als Kohlenstoffsenke“, sagt Santiago Botía, „Doch es gibt Hinweise, dass diese Senke durch menschliche Eingriffe sowie klimabedingten Trockenstress schwächer geworden ist.“ Eine wichtige Rolle dabei spielt El Niño (s. Kasten). El Niño ist ein natürliches Klimaphänomen, das die Folgen des menschengemachten Klimawandels wie Hitzewellen, Dürren oder extreme Niederschläge verstärken kann. Botía und sein Team haben gezeigt, dass die Dürre im Jahr 2023 das Pflanzenwachstum und damit die Kohlenstoffspeicherung beeinträchtigt hat (Abb. C): „Während eines El Niño wird insbesondere in den Tropen weniger Kohlenstoff gebunden und infolgedessen ist der CO₂-Anstieg in der Atmosphäre in der Regel höher als in anderen Jahren“, sagt der Max-Planck-Forscher. Als weiteres Beispiel nennt er den starken El Niño in den Jahren 2015 und 2016. „Damals gab es viele Feuer, die zahllose Bäume vernichtet haben, zusätzlich hat der Wald wegen Hitze und ausbleibender Regenfälle weniger CO₂ aufgenommen.“

Abb. C: Wenn der Regenwald zur CO₂-Quelle wird. Die gestrichelte rote Linie zeigt den zeitlichen Verlauf der CO₂-Aufnahme bzw. -Abgabe des Amazonasgebiets für das Jahr 2023. Der schattierte Bereich gibt die normalen Werte der letzten zwei Jahrzehnte (2003-2023) an. Die gestrichelte schwarze Linie ist die Netto-Null-Linie, d.h. CO2-Aufnahme und -Abgabe sind ausgeglichen. Von Januar bis April 2023 war die Kohlenstoffaufnahme höher als üblich. Das änderte sich im Mai, als der Regenwald begann, mehr CO₂ freizusetzen, wobei die höchsten Werte im Oktober gemessen wurden. Da die CO₂-Emissionen durch Brände innerhalb der normalen Werte der letzten zwei Jahrzehnte lagen, führen die Forschenden die Anomalie auf eine verringerte CO₂-Aufnahme durch den Regenwald zurück.
© S. Botía, MPI für Biogeochemie / CC BY 4.0

Dass El Niño dabei auch zu Veränderungen der jährlichen Wachstumsrate des CO₂-Gehalts in der Atmosphäre führen kann, belegt eine gemeinsame Studie von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie und der Universität Leipzig: Langzeitdaten hatten gezeigt, dass der CO₂-Gehalt in der Atmosphäre zwischen 1959 und 2011 phasenweise besonders stark angestiegen war. Als Ursache vermutete man langfristige klimabedingte Veränderungen des Kohlenstoffkreislaufs und damit des globalen Klimasystems. Die Forschenden überprüften diese Annahme anhand von Computersimulationen – und kamen zu einem anderen Ergebnis: Der hohe Anstieg lässt sich allein mit dem vermehrten Auftreten von El Niño-Ereignissen in den 1980er- und 1990er-Jahre erklären. Hierunter fallen auch die extremen El Niño-Phasen von 1982/83 und 1997/98, die starke Dürren und Hitzewellen in den Tropen mit sich brachten. Während dieser Phasen nahm der CO₂-Gehalt in der Atmosphäre überraschend schnell zu. Die schnelle Zunahme hängt damit zusammen, dass während der El Niño-Phasen (aber auch anderer klimatischer Extremereignisse) gehäuft auftretende Brände und andere Störungen schnell viel Kohlenstoff freisetzen – und so die langfristige, vergleichsweise langsame Kohlenstoffaufnahme der ungestörten Ökosysteme kompensieren. In der Ökologie ist dies bekannt als die sogenannte „slow-in, fast-out-Dynamik“ des Kohlenstoffkreislaufs. Die langfristige Konsequenz davon ist, dass sich Veränderungen in der Häufigkeit von El Niños auf den CO₂-Gehalt der Atmosphäre auswirken und so eine Rückkopplung zum Klimawandel verursachen können.

Kohlenstoffsenken unter Beobachtung

Das Team von Sönke Zaehle möchte mit seiner Arbeit vor allem dazu beitragen, künftige Klimamodelle zu verbessern: „Um verlässlichere Prognosen für die Zukunft zu machen, ist es entscheidend, die räumliche und zeitliche Dynamik der Kohlenstoffsenken möglichst genau zu kennen“, sagt Zaehle. Das gilt auch für Strategien, die auf Klimaneutralität abzielen: Der europäische „Green Deal“ etwa, der Netto-Null-Emissionen bis zum Jahr 2050 anstrebt (s. Geomax 29), kalkuliert die Kohlenstoffaufnahme durch Landökosysteme wie Wälder mit ein. Doch auch in unseren Breiten verlieren Wälder zunehmend ihre Fähigkeit, Kohlenstoff zu speichern: Im Jahr 2022 etwa wurden in Europa rekordverdächtige Temperaturen gemessen. Fast 30 Prozent des Kontinents – insgesamt rund drei Millionen Quadratkilometer – waren von einer schweren Sommertrockenheit betroffen. Ein Forschungsteam unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie wies nach, dass die Netto-Kohlenstoffaufnahme der Biosphäre in diesem Gebiet stark verringert war. Einige Wälder in Frankreich setzten im Sommer durch Trockenstress und Waldbrände sogar Kohlenstoff frei. „Solche temporären Schwankungen der Kohlenstoffsenken werden bislang kaum berücksichtigt“, sagt Zaehle. Ein Ziel des europäische Erdbeobachtungsprogramms Copernicus ist es daher, die Kohlenstoffbilanz kontinuierlich zu überwachen.

Ökosysteme stärken

Studien wie die der Jenaer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen, wie fragil die natürlichen Kohlenstoffsenken sind. Dass wir uns auch weiterhin auf sie verlassen können, ist keineswegs sicher: „Inwieweit die terrestrischen Kohlenstoffsenken ihre Funktion als Klimapuffer in Zukunft noch erfüllen  können, ist unklar“, sagt Santiago Botía. „Bei der derzeitigen globalen Erwärmung sind extreme Dürrejahre häufiger zu erwarten und werden wohl Teil der neuen  Normalität“. Es ist daher entscheidend, dass wir uns auf diese Veränderungen vorbereiten und die Funktion der Ökosysteme erhalten. „Wichtig ist, die natürlichen Kohlenstoffsenken zu stärken – zum Beispiel durch Aufforstung von  Wäldern, die Wiedervernässung von Mooren und eine nachhaltige Landwirtschaft, die den Kohlenstoffgehalt von Böden erhöht und weniger Treibhausgase produziert“, sagt Sönke Zaehle. „Neben dem Erhalt der natürlichen Senken ist aber eine Reduzierung der fossilen Emissionen unerlässlich, um den Klimawandel zu stoppen. Jede Tonne Kohlenstoffdioxid, die wir vermeiden, zählt.”

Die sogenannte El Niño-Südliche Oszillation (ENSO) ist ein gekoppeltes Zirkulationssystem von Ozean und Atmosphäre im tropischen Pazifik. Normalerweise schieben die Passatwinde das Oberflächenwasser entlang des Äquators von der Westküste Südamerikas  in Richtung Südostasien. Dort steigt der Meeresspiegel infolgedessen um gut einen halben Meter an. Vor Südamerika erzeugt diese westwärtige Strömung einen Sog, der kaltes Tiefenwasser zur Oberfläche strömen lässt. Das kalte Wasser heizt sich auf dem Weg nach Westen auf, was vor Südostasien für starke Verdunstung und ein regenreiches Klima sorgt. Etwa alle fünf Jahre passiert es, dass  sich die Passatwinde aufgrund von Veränderungen der Luftdruckverhältnisse über dem Pazifik abschwächen oder ihre Richtung  sogar umkehren. Dadurch strömt warmes Wasser aus dem Westpazifik nach Osten. An der sonst trockenen Westküste Südamerikas kommt es dadurch zu starken Niederschlägen, während in Südost-asien weniger Regen fällt. Weil das Phänomen seinen Höhepunkt typischerweise um Weihnachten erreicht, wird es El Niño, spanisch „das Christkind“, genannt.

Abbildungshinweise:

Titelbild: © P. Papastefanou / MPI-BGC
Abb. A: © Author: Oeneis; Data from Dr. Pieter Tans, NOAA/ESRL and Dr. Ralph Keeling, Scripps Institution of Oceanography / CC BY-SA 4.0
Abb. B: © Global Carbon Project; Data source: Friedlingstein et al. 2023 Global Carbon Budget 2023. Earth System Science Data. // CC BY 4.0; https://globalcarbonatlas.org
Abb. C: © S. Botía, MPI für Biogeochemie / CC BY 4.0

Der Text wird unter CC BY-NC-SA 4.0 veröffentlicht.

GEOMAX Ausgabe 30, Februar 2025; Text: Tim Kalvelage; Redaktion: Elke Maier, Tanja Fendt

Ammoniak ist unentbehrlich zur Herstellung von Düngemitteln. Erzeugt wird es nach dem Haber-Bosch-Verfahren aus Stickstoff und Wasserstoff. Forschende suchen auch nach geeigneten Katalysatoren für die Rückreaktion, also die Zerlegung von Ammoniak. Denn das Molekül soll als Träger für Wasserstoff dienen, der auf regenerativem Weg in sonnen- oder windreichen Staaten erzeugt werden soll. Claudia Weidenthaler vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung erklärt Wissenschaftsjournalist Hellmuth Nordwig, was einen guten Katalysator ausmacht, wie Forschende Katalysatoren für die Ammoniakzerlegung suchen – und warum es gar nicht so einfach ist, einen geeigneten zu finden.

Audiodatei | 20 min, Januar 2025

© MPG / CC BY-NC-ND 4.0

Die Sammlung enthält Aufgaben zu folgenden Themen:

CO₂-Senken / Gasturbinenkraftwerk / Prinzip von Le Chatelier / Reaktionsgleichungen / Kohlenstoffkreislauf und Methanolsynthese / Verwertungsverfahren für Kunststoffmüll

Unterrichtsmaterial zum Techmax 35