Sie sind unsichtbar und unverzichtbar: Membranen retten Leben und spielen eine entscheidende Rolle in der Produktion von Wasserstoff. Die Forschung arbeitet ständig daran, sie besser zu machen. Der Aachener Membranexperte Prof. Matthias Wessling spricht in diesem Zusammenhang sogar von der Suche nach dem Heiligen Gral.
Wer Kaffee liebt, weiß, wie wichtig der Filter ist: Er lässt die aromatische Flüssigkeit durch und hält den Kaffeesatz zurück. Der Kaffeefilter ist eine einfache, bekannte Form einer Membran. „Viele kennen vielleicht noch aus dem Biologieunterricht eine semipermeable Membran“, sagt Matthias Wessling, Professor für Chemische Verfahrenstechnik an der RWTH Aachen, der zu den international führenden Experten für Membrantechnologie zählt. „Die gewünschten Stoffe passieren die Membran, unerwünschte bleiben draußen.“ So weit, so einfach.
Doch Membranen können weit mehr: Sie filtern zum Beispiel Gase aus Flüssigkeiten. Damit retten sie Leben, indem sie Kohlendioxid aus dem Blut entfernen und so den Sauerstoffgehalt erhöhen, wenn die Lunge das nicht mehr hinreichend schafft. Bei der Wasserstoff-Herstellung mittels Elektrolyse verhindern sie, dass der erzeugte Wasserstoff und Sauerstoff ihrer natürlichen Eigenschaft nachgeben und sich wieder zu Wasser verbinden. Ihre Filterfunktion ist also Grundvoraussetzung, um Energie in Form von Wasserstoff zu speichern. So kann der Mensch entscheiden, wann die Energie freigesetzt wird, die entsteht, wenn sich Wasserstoff und Sauerstoff wieder vereinen.
Hochspezialisiert und langlebig
Die Forschung hat viele komplexe, spezialisierte Materialien hervorgebracht. „Eine Herausforderung bleibt: PFAS (Per- und Polyfluorierte Alkylsubstanzen)“, sagt Matthias Wessling. Diese Gruppe von Chemikalien – oft Ewigkeitschemikalien genannt – hat zunächst positive Eigenschaften, da die Stoffe langlebig sind und dafür sorgen, dass Membranen auch unter schwierigen Bedingungen zuverlässig funktionieren. Etwa in einer oxidativen Umgebung, wie sie bei der Elektrolyse auftritt, wo viel Sauerstoff vorhanden ist und Materialien leicht Elektronen verlieren – also oxidiert werden. PFAS sind hier besonders beständig. „Es gibt aktuell nichts Besseres“, sagt Matthias Wessling. In technischen Anlagen und kontrollierten Umgebungen sind PFAS handhabbar. Zudem kommen PFAS auch in anderen, alltagsnäheren Bereichen zum Einsatz.
Und da können sie zum Problem werden: PFAS gelten laut der Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit als potenziell gesundheitsschädlich und können unter anderem Auswirkungen auf das Immunsystem haben. Mutmaßlich jeder hat Kontakt mit den Substanzen, weil sie in wasserabweisender Kleidung oder in beschichteten Pfannen und Töpfen zum Einsatz kommen. PFAS, einmal im Umlauf, bauen sich in Umwelt und Körper kaum ab. Eine Ewigkeitschemikalie mit unerwünschten Risiken und Nebenwirkungen. Eine Ausweitung der Regulierung in der EU kann auch Folgen für die Forschung haben.
„Membranen, die lange stabil sind und ohne PFAS auskommen – das wäre wie das Finden des Heiligen Grals“, sagt Matthias Wessling. Die Suche läuft schon lange, und es gibt erste Fortschritte: PFAS-freie Membranen mit nachweislich vergleichbaren positiven Eigenschaften wurden bereits im Labor entwickelt.
„Membranen, die lange stabil sind und ohne PFAS auskommen – das wäre wie das Finden des Heiligen Grals“.
Prof. Matthias Wessling, Professor für Chemische Verfahrenstechnik an der RWTH Aachen
Teststand im Industriemaßstab
Bisher verlieren sie ihre Eigenschaften aber oft schon nach wenigen Tagen. Für Elektrolyseure, die zehn Jahre halten müssen, ist das noch zu kurz. Matthias Wessling betont: „Die Chemie ist hier nicht trivial. Denn es geht nicht nur darum, PFAS-freie Membranen zu entwickeln. Auch der Weg dorthin muss nachhaltig sein. Sonst verlagern wir das Problem einfach nur.“ Die Herausforderung betrifft also sowohl das Material selbst als auch seine Herstellung – und auch andere Bestandteile der Wasserstofftechnik, die im Betrieb altern. „Nicht nur die Membranen sind instabil, auch Katalysatoren verändern sich im Betrieb.“
Großes Potenzial, um die Forschung hier nach vorne zu bringen, sieht Matthias Wessling im Projekt DERIEL („De-risking Elektrolyseur“), das am Forschungszentrum Jülich aufgebaut ist. Die RWTH ist als Projektpartner beteiligt, unter anderem mit Matthias Wessling und seinem Team. DERIEL ist ein Teststand im Industriemaßstab, mit dem die Forschenden besser verstehen, wie Materialien im Elektrolyseur altern und ihre Leistung verlieren – mit dem Ziel, stabilere, risikoärmere und günstigere Materialien zu entwickeln. Neben der Materialforschung bietet DERIEL die Möglichkeit, die Wasserstoff-Produktion im Industriemaßstab unter Realbedingungen für den Markt zu qualifizieren. „Wir müssen aus der Manufaktur in die Serienproduktion kommen“, sagt Matthias Wessling. „Komplexe Anlagen für den Weltmarkt – das ist eine Chance für Deutschland und für unsere Region. Das können wir.“
Wissen ist eine Währung
Auch wenn PFAS sich nicht vollständig vermeiden lassen, sieht Matthias Wessling Lösungen: etwa mit der Enkapsulierung – also dem sicheren Einschließen der problematischen Stoffe. „Wir werden nicht ohne chemische Hilfsmittel auskommen. Entscheidend ist, dass wir wissen, wie wir Risiken vermeiden – entweder, indem wir PFAS sicher einschließen oder darauf verzichten.“ Wissen sei dabei entscheidend. „Wissen ist eine Währung – besonders, wenn es sich so konzentriert wie hier in unserer Region.“
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