Kunststoff in seine Einzelteile zerlegt

Seit langem stellt die Chemie Polymere her. Dabei werden aus kleinen Molek¨¹l-Bausteinen lange Molek¨¹lketten hergestellt werden, die sich miteinander verbinden. Polymere sind die Grundlage von allen m?glichen allt?glichen Kunststoffen wie PET oder Polyurethan.

W?hrend die Bildung von Polymeren etabliert und gut erforscht ist, haben Wissenschaftler bisher jedoch kaum untersucht, wie Polymerketten wieder abgebaut werden, um die einzelnen Bausteine, die Monomere, zur¨¹ckzugewinnen. Ein Grund daf¨¹r ist, dass der Abbau komplex ist. Es gibt verschiedene Herstellungsverfahren von Polymeren, und diese entscheiden, ob sich ein Polymer ¨¹berhaupt wieder in seine Einzelteile zerlegen l?sst. Zudem braucht es f¨¹r bisherige Abbauverfahren viel Energie, was sie wirtschaftlich unattraktiv macht. Dar¨¹ber hinaus werden rezyklierte Polymere meistens nur f¨¹r niederwertigere Produkte verwendet.

Ziel ist, Polymere zu zerlegen

Dies m?chte Athina Anastasaki, Professorin f¨¹r Polymere Materialien der ETH Z¨¹rich, ?ndern. Sie hat sich zum Ziel gesetzt, Polymere zu erzeugen, die gut in ihre Bausteine zerlegt werden k?nnen, sodass diese vollumf?nglich wiederverwertet werden k?nnen.

Nun hat die Materialwissenschaftlerin einen ersten wichtigen Schritt in diese Richtung gemacht: Soeben ist in der Fachzeitschrift externe Seite Journal of the American Chemical Society eine Studie ihrer Gruppe erschienen. Darin zeigen Anastasaki und ihre Mitarbeitenden auf, dass sie bestimmte Polymere in ihre Grundbausteine, die Monomere, zerlegen und diese f¨¹r weitere Anwendungen wiederverwerten k?nnen.

Bei den abgebauten Polymeren handelt es sich um Polymethacrylate (z.B. Plexiglas), die mittels einer bestimmten Polymerisationstechnik (Reversible addition-fragmentation chain-transfer polymerisation, RAFT) erzeugt wurden. Diese verh?ltnism?ssig junge Methode, f¨¹r die sich mittlerweile auch die Industrie interessiert, erzeugt Polymerketten von einheitlicher L?nge.

Erster Erfolg

Den Forschenden der ETH Z¨¹rich ist es gelungen, bis zu 92 Prozent der Bausteine der Polymethacrylate zur¨¹ckzugewinnen, und zwar ohne einen Katalysator beizuf¨¹gen, welcher die Reaktion erm?glichen oder beschleunigen w¨¹rde. ?Es ist denkbar, unsere Methode noch weiterzuentwickeln und einen Katalysator einzusetzen. Damit k?nnte man die Ausbeute weiter erh?hen?, sagt Anastasaki.

F¨¹r den R¨¹ckbau entscheidend ist die chemische Gruppe, die am Ende einer Polymerkette vorhanden ist. Indem die Forschenden das Polymer-L?sungsmittelgemisch auf 120 Grad Celsius erhitzten, entstanden am Ende einer Polymethacrylat-Kette sogenannte Radikale, welche den Abbau (die Depolymerisation) ausl?sten. Mitarbeitende der Australischen Nationaluniversit?t in Canberra konnten die Resultate rechnerisch best?tigen.

Gleiches oder anderes Produkt erzeugen

Aus den zur¨¹ckgewonnenen Bausteinen lassen sich gem?ss Anastasaki das gleiche Polymer oder ein v?llig anderes Produkt, ein unl?sliches Hydrogel, das ebenfalls in seine Monomere zerlegbar ist, herstellen. Die neu erzeugten Produkte sind gleichwertig wie das urspr¨¹ngliche Produkt. Das steht in Kontrast zu bisherigen Produkten, die aus rezyklierten Polymeren hergestellt wurden.

Die Sache hat aber einen Haken: ?Produkte, die mit der RAFT-Polymerisation hergestellt werden, sind teurer als herk?mmliche Polymere?, sagt Anastasaki. Um diesen Nachteil anzugehen, arbeiten sie und ihre Gruppe bereits daran, die Methode f¨¹r Anwendungen im grossen Massstab aufzuweiten, was die Methode konkurrenzf?higer und Produkte g¨¹nstiger werden l?sst. Weiter zielen die Forschenden darauf ab, die Ausbeute zu erh?hen und alle Bausteine eines Polymers zur¨¹ckzugewinnen.

Zudem erforscht die Materialwissenschaftlerin, ob sich andere Polymere ebenfalls depolymerisieren lassen. Besonders interessiert ist sie an Polystyrol, einem weit verbreiteten, kosteng¨¹nstigen Kunststoff, der in vielen Bereichen des t?glichen Lebens zum Einsatz kommt (?Styropor?).

Methode wird Plastikproblem kurzfristig nicht l?sen

Auch wenn dieses neue Verfahren Hoffnung darauf macht, das Plastikm¨¹llproblem der Menschheit zu l?sen, winkt Anastasaki vorerst ab. Einen sofortigen Effekt werde man nicht erzielen. ?Es wird noch viel Zeit und Forschung brauchen, um das Verfahren in der chemischen Industrie zu etablieren?, sagt Anastasaki. Auch wird man damit den Plastikm¨¹ll nicht los. Heutige Polymere lassen sich auf diese Weise nicht abbauen. Es m¨¹ssen also zuerst neue, geeignete Polymere in Umlauf kommen, um von diesen die Bausteine zur¨¹ckgewinnen zu k?nnen. Einen Vorteil aber hat die Methode: Um sie einzuf¨¹hren und anzuwenden, sind keine neuen Chemieanlagen n?tig.

?Mit der Erforschung der Depolymerisation stehen wir erst am Anfang. Es gibt ¨¹ber 30'000 Studien zur Entwicklung neuer Polymerisationsstrategien, aber erst eine Handvoll ¨¹ber die R¨¹ckgewinnung der Monomere?, sagt Anastasaki.