Ingenieure machen aus Lebensmittelabfällen nachhaltigen Flugkraftstoff

Die meisten Lebensmittelreste landen mangels Alternativen im Abfall. Sobald sie auf einer Deponie liegen, zersetzen sie sich langsam – dabei entsteht Methan, ein Treibhausgas, das deutlich mehr Wärme festhält als Kohlendioxid.

Damit gewinnt die Frage, wie sich die riesigen Mengen weggeworfener Nahrung sinnvoller nutzen lassen, zunehmend an Bedeutung.

Gleichzeitig gehört die Luftfahrt zu den Branchen, die sich am schwersten dekarbonisieren lassen.

Vor allem Langstreckenflugzeuge sind auf einen extrem energiedichten Treibstoff angewiesen – eine Energiedichte, die heutige Batterien schlicht nicht liefern können. Für Airlines bleiben dadurch nur wenige realistische Alternativen zu Erdöl.

Ingenieurinnen und Ingenieure verknüpfen diese beiden Probleme nun auf überraschende Weise: Sie haben aus entsorgten Lebensmittelabfällen einen nachhaltigen Flugkraftstoff hergestellt, der die Luftfahrtstandards auch ohne Beimischung konventioneller fossiler Kraftstoffe erfüllt.

Lebensmittelabfälle zu Flugkraftstoff machen

Fliegen ist ein besonders schwieriger Bereich der Wirtschaft, wenn es um Klimaschutz geht. Flugzeuge verbrauchen enorme Treibstoffmengen, und keine Batterie ist leicht genug, um ein Strahlflugzeug über einen Ozean zu bringen.

Yuanhui Zhang, Professor für Agrar- und Bioingenieurwesen an der University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC), verfolgt seit Jahren einen anderen Ansatz.

Sein Team wandelt Lebensmittelabfälle in einen Kraftstoff um, den ein Triebwerk tatsächlich nutzen kann.

Der Prozess beginnt mit der hydrothermalen Verflüssigung: Durch Hitze und sehr hohen Druck wird nachgebildet, wie Rohöl in der Natur entsteht – nur eben in Minuten statt in Millionen Jahren. Am Ende steht eine dickflüssige, ölige Flüssigkeit.

Anschliessend wird dieses Öl mithilfe eines Katalysators so weiterverarbeitet, bis es die Anforderungen an nachhaltigen Flugkraftstoff erfüllt. Das Gesamtsystem ist als Kreislauf gedacht – eine zirkuläre Bioökonomie, in der Abfall von heute zur Energie von morgen wird.

Die härtesten Tests der Luftfahrt bestehen

Genau hier hebt sich die Arbeit von vielen anderen Ansätzen ab. Zahlreiche „grüne“ Flugkraftstoffe eignen sich nur als Zusatz: Sie werden dem Petroleum in kleinen Anteilen beigemischt, weil sie allein nicht alle Kriterien erfüllen.

Der Kraftstoff aus Illinois kommt ohne diese Stütze aus. In Versuchen erfüllte er die Grenzwerte für den Flammpunkt – also die Temperatur, bei der Kraftstoffdämpfe entzündlich werden – sowie für die Viskosität, die angibt, wie gut ein Kraftstoff fliesst.

Damit könnte er prinzipiell ein Strahltriebwerk zu 100 Prozent antreiben, ohne dass fossiler Kraftstoff beigemischt werden muss.

Dass ein abfallbasierter Kraftstoff diese Hürde nimmt, ist selten – selbst nachdem frühere Arbeiten bereits gezeigt hatten, dass sich feuchter Abfall zu dieselähnlichen Mischungen weiterentwickeln lässt.

Besser als heutiger Flugkraftstoff

Seine Leistungsfähigkeit verdankt der Kraftstoff vor allem seiner Chemie. Rund 70% der Mischung bestehen aus ringförmigen Molekülen, den sogenannten Cycloalkanen. Sie liefern genau die Stabilität und Energiedichte, die Turbinen im Flugbetrieb brauchen.

Im Vergleich zu konventionellem Jet A – dem Standardkraftstoff, den Verkehrsflugzeuge heute nutzen – wies die Variante aus Lebensmittelresten mehr Energie pro Gallone auf und blieb auch bei tieferen Temperaturen flüssig. Beides sind Eigenschaften, auf die Langstreckenflüge angewiesen sind.

Kältetauglichkeit zahlt sich besonders in der Höhe aus: In typischen Reiseflughöhen fallen die Temperaturen weit unter null. Wenn Treibstoff dabei eindickt oder geliert, kann dem Triebwerk mitten im Flug der Nachschub fehlen.

Damit ein Kandidat als echter Flugkraftstoff gilt, muss er eine ganze Prüfserie von US-Luftfahrtbehörden und Normungsgremien bestehen. Das Team berichtet, dass sein Kraftstoff diese Vorgaben erfüllt.

Aus Resten werden Rohstoffe

Die Umwandlung von Abfällen in Öl hinterlässt allerdings selbst Rückstände.

Bei dem Verfahren entsteht ein dunkles, wässriges Nebenprodukt, das sowohl toxische Verbindungen als auch gelöste Nährstoffe enthält. Seine Entsorgung gilt seit Langem als einer der grössten Nachteile.

Statt diese Flüssigkeit als Müll zu behandeln, hat das Team gezielt nutzbare Bestandteile daraus zurückgewonnen.

Mit Strom, der chemische Reaktionen antreibt, konnten sie mehr als 90 Prozent der verwertbaren Säuren sowie über drei Viertel der Nährstoffe zurückgewinnen.

Im selben Schritt wurde zudem genug Wasserstoff erzeugt, um den Kraftstoffprozess zu versorgen – denn für die Raffination des Öls wird Wasserstoff benötigt.

So liefert ein Teil des Systems am Ende genau das, was ein anderer Teil verbraucht.

Die Wirtschaftlichkeit saubereren Treibstoffs

Das bedeutet trotzdem nicht, dass morgen schon billiger Kraftstoff bereitsteht. Derzeit kann der Strombedarf für die Rückgewinnung der Nebenprodukte die Kosten pro Gallone im Vergleich dazu, die Abfälle einfach zu einer Aufbereitungsanlage zu bringen, nahezu verdreifachen.

Die Forschenden gehen jedoch davon aus, dass sich dieser Abstand mit zunehmender Reife der Technik verkleinert.

Bei saubererem und günstigerem Strom deutet ihre Analyse darauf hin, dass sich der Kraftstoff für etwa $3.82 pro Gallone (rund 3,8 Liter) verkaufen liesse – und damit mit der fossilen Variante konkurrenzfähig wäre.

Am überraschendsten ist die Klimabilanz: Über die von dem Team modellierten Szenarien hinweg könnte der Prozess klimane gativ sein – also über den Lebenszyklus mehr Treibhausgase aus der Atmosphäre entfernen, als er wieder freisetzt.

Der Wettlauf, Flüge mit Abfall zu betreiben, gewinnt insgesamt an Tempo.

Eine neuere Studie hat gewöhnlichen kommunalen Müll in Flugkraftstoff umgewandelt; der Weg über Lebensmittelabfälle erweitert diese Palette um einen weiteren Rohstoff.

Sauberere Himmel durch Lebensmittelabfälle

Über Jahre bremsten zwei Punkte abfallbasierte Flugkraftstoffe aus: Die Qualität reichte nicht an das heran, was Triebwerke verlangen, und das verbleibende Nebenprodukt war schwierig zu entsorgen.

Diese Arbeit verschiebt beide Grenzen. Aus Essensresten lässt sich nun ein Kraftstoff gewinnen, der sauber genug ist, um allein zu fliegen – und aus dem problematischen Nebenprodukt wird ein Ausgangsstoff statt einer Belastung.

Allerdings gibt es eine Einschränkung auf der Angebotsseite: Weltweit werden bei Weitem nicht genug Lebensmittel verschwendet, um den gesamten Bedarf an Flugtreibstoff zu ersetzen. In der Praxis dürfte der sauberere Kraftstoff daher eher in moderaten Anteilen beigemischt werden.

Selbst ein Teilersatz könnte den CO₂-Fussabdruck einer Branche senken, die eine Analyse als eine der am schwersten zu reinigenden einstuft. Für Städte würde das bedeuten, dass Abfälle, die heute auf Deponien verrotten, einen Nutzen bekommen.

„Wir machen diese Arbeit bislang noch in sehr kleinem Massstab“, sagte Zhang, dessen Labor inzwischen genug raffinierten Kraftstoff für Triebwerkstests herstellen kann.

Als nächstes stehen Tests an Strahltriebwerken an. Die Arbeit ist noch lange nicht abgeschlossen.