KI trifft Chemie - und dem Treibhausgas geht die Luft aus!


Die Welt sucht nach Lösungen gegen den Klimawandel – in einem unscheinbaren Labor bei LANXESS in Leverkusen entsteht gerade eine. Hier hat ein kleines Team ein neues Produkt mit vielversprechendem Potenzial entwickelt: ein neues Lewatit®-Harz, das CO2 direkt aus der Außenluft ziehen kann. Wie es dazu kam? Indem sich das Forschungsteam um den Chemiker Julian Krischel, BU LPT, mit der Data Science-Kollegin Hanna Kahlfeld, GF IT, zusammentat. 


Optisch machen sie so einzeln betrachtet nicht viel her, die kleinen roten, orangefarbenen, schwarzen oder weißen Kügelchen der Marke Lewatit®. Aber zusammen sind sie echte Kraftpakete und faszinieren durch ihre Vielseitigkeit. Die Kügelchen der BU LPT befreien Wasser von Schadstoffen, helfen, Batterien zu recyceln und können sogar CO2  aus der Luft entfernen. Einziger Wermutstropfen, das Luftfiltern war bisher auf geschlossene Räume wie Gewächshäuser, U-Boote und die ISS-Raumstation beschränkt. Was zwar auch schon ziemlich beeindruckend ist, doch die Entwickler bei LPT sahen mehr Potenzial in ihrem bereits etablierten Lewatit® VP OC 1065. „Wir wollten auch CO2  aus der Luft im Freien herausfiltern“, sagt Julian Krischel, Leiter Produktinnovation, zuständig für das Projekt Direct Air Capture, BU LPT. Denn erst wenn das gelänge, würden die Kügelchen von LANXESS einen maßgeblichen Teil dazu beitragen, den Klimawandel zu stoppen. Der Anspruch war und ist daher  hoch, der Erfolgsdruck ebenfalls.

Lewatit® mit mehr Potenz
Aktuell sind weltweit rund 50 Direct-Air-Capture-Anlagen in Betrieb, die das Treibhausgas permanent aus der Luft entfernen können. Im vergangenen Jahr waren es noch 20 weniger. Eine der größten Anlagen steht auf Island. Sie schneidet 4.000 Tonnen CO2 pro Jahr aus der Luft. Gerade wird dort eine deutlich größere Anlage gebaut: Sie soll 36.000 Tonnen CO2  pro Jahr unschädlich machen. Bis 2030, so plant das Unternehmen, sollen  mehrere Millionen Tonnen CO2 pro Jahr aus der Luft gesogen werden, bis 2050 sogar mehrere Milliarden. 

„Die Suche nach unterschiedlichen technischen Lösungen zur Adsorption von CO2  ist groß“, sagt Krischel. Ein wachsender Markt. Doch für unsere Aufgabe musste das Lewatit® potenter werden. Damit das klappt, holte sich das LPT-Innovationsteam mit Hanna Kahlfeld eine KI-Expertin mit ins Boot.

KI beschleunigt die PRozesse Hanna Kahlfeld kennt sich mit der Anwendung von KI bei Problemstellungen wie der vorliegenden aus: „KI kann helfen, die Produktentwicklung schneller und sogar innovativer zu machen.“ Dabei wird die KI mit Daten so trianiert, dass sie gezielt Rezepturvorschläge mit der höchsten erwarteten Leistungssteigerung generiert. Diese Rezepturen werden dann im Labor getestet. Anhand der Testergebnisse kann die KI mit noch besseren Daten „gefüttert“  werden.

In der vorliegenden Rezeptur für die Ionenaustauscher gab es rund 30 Variablen und sieben Zielparameter. Alle diese Variablen in den unterschiedlichsten Varianten für eine neue Rezeptur im Labor zu testen, hätte Jahrzehnte gedauert und immense Kosten verursacht. In genau diesem Fall kam noch ein Problem hinzu: Es lagen nur wenige Versuchsdaten vor. „Genau hier spielt unser Ansatz seine Stärken aus“, so Kahlfeld. Das KI-Modell kann nicht nur Vorhersagen treffen, sondern auch deren Unsicherheit einschätzen. Gerade bei kleinen Datensätzen ist das entscheidend, um trotzdem zu besseren Rezepturen zu gelangen. „So finden wir einen klaren Weg durch den komplexen Parameterraum und reduzieren die Zahl der nötigen Versuche deutlich“, fasst Kahlfeld zusammen.

Verhältnis vieler Parameter entscheidend
Der Chemiker Julian Krischel wusste genau, was die neue Rezeptur leisten sollte. Die Kügelchen sollen viel CO2  aufnehmen, dürfen dabei aber nicht zu porös sein. Adsorptionskapazität, Stabilität und Quellungseigenschaften mussten also ausgewogen im richtigen Verhältnis liegen.

Die KI lieferte Rezepturvorschläge, die Krischel und sein Team im Labor testeten. Die Laborergebnisse spielte Kahlfeld an die KI zurück, damit diese in der Folge noch bessere Rezepturvorschläge generieren konnte. Bereits in der zweiten Iteration schlug die KI zwei neuartige Formulierungen vor, die laut Modellvorhersage in verschiedenen Bereichen sehr gut performen sollten. Krischel erkannte hier noch mehr Potenzial und kombinierte kurzer hand die beiden Formulierungen. Seine neue Formulierung erwies sich als voller Erfolg. „Bereits nach zwei Versuchswiederholungen hatten wir eine Formulierung gefunden, die alle unsere Wunschvorstellungen erfüllte“, so Krischel. Dies ist ein Paradebeispiel dafür, dass der Schlüssel zum Erfolg in der Kombination von KI-Denkkraft und Domänenexpertise liegt. 

Beeindruckendes Ergebnis
Das Ergebnis kann sich sehen lassen: Die neuen Ionenaustauscher können doppelt so viel CO2  aufnehmen wie die bisher verwendeten. Ihre kinetischen Eigenschaften („Schnelligkeit der Aufnahme“) haben sich gesteigert. Das hat Einfluss auf ihre gesamte Leistungsfähigkeit – sie gehören zu den Besten ihrer Klasse. 

Für diesen gesamten Prozess brauchte das Team nur zehn Monate. Der erste Schritt ist somit geschafft. Jetzt geht es in die Produktion. „Es ist immer ein spannender Moment, wenn es vom Labor in die Anlage geht. Wir sind froh, dass wir dabei auf die Fachkompetenz und Erfahrung unserer Kolleginnen und Kollegen im Betrieb zählen können“, so Krischel. Ab 2026 soll der neue Ionenaustauscher verfügbar sein. Dann könnten die kleinen Kügelchen den hochgesteckten Ansprüchen genügen und in den Direct-Air-Capture-Anlagen ihren Teil dazu beitragen, das große Problem der Klimaerwärmung zu lösen.

Hintergrund-Information

Großes Saubermachen in der Luft

Das Treibhausgas CO2 ist in unserer Atmosphäre relativ gleichmäßig verteilt. Um die Direct-Air-Capture-Anlagen besonders effizient betreiben zu können, werden sie deshalb dort errichtet, wo Energie besonders günstig erzeugt werden kann. Die weltweit größte Anlage steht deshalb auf Island, in der Nähe eines aktiven Vulkans. So kann die Energie des dortigen Geothermiekraftwerks perfekt genutzt werden. Die Anlage saugt die Luft an und entzieht ihr mithilfe chemischer Filter das CO2. Ideal sind dafür regenerierbare chemische Filter wie die mit dem Lewatit® VP OC 1065. Der Einsatz dieser Klasse von chemischen Adsorbern ermöglicht ein kontinuierliches und nachhaltiges Verfahren, während Umweltbelastungen sowie Kosten für den regelmäßigen Materialaustausch geringgehalten werden. Anschließend wird das gesammelte Treibhausgas unterirdisch eingelagert, wo es auf natürliche Weise umgewandelt und somit dauerhaft gespeichert wird.

Interview

"Wir wollen etwas bewegen!"

Der Forschungsleiter für das Thema Direct Air Capture Julian Krischel spricht im Xpress-Interview über den letzten Schritt: Die neue Rezeptur aus dem Labor in den Betrieb zu bringen. Denn nur wenn das neue Lewatit® für die CO2-Filtrierung auch skalierbar ist, öffnet sich für LANXESS ein neuer großer Zukunftsmarkt. 

Zwischen zwei Terminen mit den Betriebsmeistern kurz ins Labor huschen, das neueste Kundenfeedback besprechen oder aktuelle Messwerte checken – für Julian Krischel, Head of Innovative Product Development in der Business Unit LPT, ist das seit rund einem Jahr Alltag. Er arbeitet mit einem kleinen Team unter Hochdruck daran, das neu entwickelte Lewatit® zum Durchbruch zu verhelfen: Ziel ist, dass es CO2aus der Außenluft holt – dauerhaft, effizient und skalierbar. Sein Büro im traditionsreichen Gebäude Q18 im Chempark Leverkusen und die Laborflächen, die seinem Team zur Verfügung stehen, liegen nur ein paar Meter auseinander. „So bleibe ich ganz nah dran – auch wenn der Kalender voll ist“, sagt er. 

Dass sich die drei Forschenden voll und ganz auf ein einziges Thema konzentrieren können, empfindet er als großes Privileg – und als hohe Verantwortung, mit den zur Verfügung gestellten Ressourcen bedacht umzugehen. „Natürlich fühlen wir eine Verpflichtung, möglichst schnell Ergebnisse zu liefern“, sagt er. „Zum Glück ist uns das bisher auch sehr gut gelungen – dank der großartigen Unterstützung, die wir aus dem Marketing, dem Betrieb, von unseren KI-Experten, aber auch vonseiten der BU-Leitung bekommen.“ Gerade sind wieder neue Proben von Lewatit® Aeropure aus dem Betrieb angekommen – für das Team jedes Mal ein Moment voller Spannung und Erwartung.

Herr Krischel, wie läuft die Skalierung des neuen Lewatits@ im Betrieb? 
Julian Krischel: Es finden gerade die ersten Betriebsversuche statt. Natürlich haben wir bei der Entwicklung immer schon die Bedingungen im Betrieb im Blick gehabt, aber das sogenannte „Upscaling“ bringt noch einmal ganz eigene Herausforderungen mit sich. Statt in Drei-Liter-Kesseln, in denen wir hier im Labor bisher produziert haben, muss der Prozess jetzt auf Produktionsanlagen mit mehr als zehn Kubikmetern Fassungsvermögen übertragen werden. Die ersten Ergebnisse sind vielversprechend – deshalb sind wir zuversichtlich, dass alles nach Plan läuft.


Die neue Technologie steht noch am Anfang. Wie groß ist ihr Marktpotenzial?
Enorm. Die politischen Rahmenbedingungen, etwa der CO2-Zertifikat-Handel, treiben die Nachfrage nach neuen Klimatechnologien. Wir sehen einen Zukunftsmarkt – gerade in den Direct-Air-Capture-Anlagen –, der gerade erst entsteht. Und wir wollen von Anfang an mitgestalten. Dabei ist unsere mehr als 80-jährige Erfahrung mit Ionenaustauschern natürlich  ein echter Vorteil – es gibt bereits viel Know-how aus mehr als 170 Produkten, auf das wir zurückgreifen können. In vielen Märkten gelten unsere Produkte als Maßstab – das öffnet Türen. 

Wie wichtig ist die Zusammenarbeit mit unserem Kunden? 
Sie ist zentral – und der Ausgangspunkt für jede neue Entwicklung. Denn jede Anlage funktioniert technisch ein wenig anders oder bringt aufgrund ihres Standorts und den damit verbundenen äußeren Bedingungen wie Temperatur oder Luftfeuchtigkeit ganz eigene Anforderungen mit sich. Aufnahmekapazität, Langlebigkeit, Schnelligkeit – wir definieren gemeinsam mit unserem Kunden alle Parameter bis ins kleinste Detail und lassen unser Produkt dann ausgiebig auf Kundenseite testen. Unser Ziel: ein flexibles Basismaterial entwickeln, das sich mit minimalem Aufwand an unterschiedliche Einsatzszenarien anpasst.

Wer so lange Zeit so tief in ein Thema einsteigt: Was treibt Sie persönlich an? 
Die Chance, mit Forschung etwas wirklich Relevantes zu bewegen. Unsere Technologie macht es möglich, CO2 permanent aus der Luft zu entfernen – ein großer Hebel für ein besseres Klima. Auch das Produkt selbst ist nachhaltig: Es muss zwar in entsprechenden Zyklen regeneriert werden, aber unsere Ionenaustauscher sind über einen sehr langen Zeitraum leistungsfähig. Saubere Luft und sauberes Wasser sind keine Selbstverständlichkeit – sie sind essenziell für unsere Lebensqualität. Dazu einen Beitrag zu leisten, ist einfach ein tolles Gefühl.


Sollten Sie Interesse an KI-Unterstützung für Ihr R&D-Projekt haben, kommen Sie gern auf Hanna Kahlfeld oder das Team „IT Analytics & AI – Procurement & R&D Analytics“ zu!