Die zunehmende Umweltbelastung durch sogenannte Ewigkeitschemikalien, insbesondere PFAS (Per- und Polyfluorierte Alkylsubstanzen), stellt ein ernsthaftes Problem für Gewässer und Böden dar. Diese synthetischen Stoffe sind in der Umwelt weit verbreitet und gelangen über verschiedene Wege in die Nahrungsketten. Ihre extrem stabilen Kohlenstoff-Fluor-Bindungen machen sie nahezu unverderblich, was ihre Entfernung aus kontaminierten Bereichen zu einer großen Herausforderung macht. Ein besonders stark betroffener Standort ist das ehemalige Flughafenareal in Tegel, wo PFAS durch frühere Feuerwehrübungen in den Boden und das Grundwasser gelangt sind.
Um dieser Problematik zu begegnen, hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Dr. Thorsten Kamps am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH einen vielversprechenden Ansatz entwickelt. Sie nutzen hochenergetische Elektronen, die durch Radiolyse PFAS-Moleküle in harmlose Bestandteile zerlegen können. Das Team hat einen kompakten Elektronenbeschleuniger auf Basis eines SHF-Photoinjektors entwickelt, der die erforderlichen Elektronenstrahlen bereitstellt, um diese chemischen Verbindungen auf effektive Weise zu behandeln.
Die Funktionsweise des SHF-Photoinjektors basiert auf einem neuartigen Beschleunigungskonzept, bei dem supraleitende Hochfrequenzresonatoren eingesetzt werden. Diese Resonatoren erzeugen hochfrequente elektromagnetische Felder, die die Elektronen kontinuierlich beschleunigen können. Dieses Verfahren ermöglicht es, eine hohe durchschnittliche Strahlleistung zu erzeugen, die für die effektive Aufbereitung von belastetem Wasser notwendig ist. Laut Tasha Spohr, der Erstautorin der entsprechenden Studie, bietet das SHF-Photoinjektor-Konzept eine bemerkenswerte Flexibilität. Es eröffnet die Möglichkeit, die Strahlparameter gezielt zu optimieren, um den chemischen Ertrag für spezifische PFAS-Verbindungen zu verbessern.
In einer durchgeführten Machbarkeitsstudie wurde das bestehende Filtersystem zur PFAS-Entfernung am Flughafen Tegel mit dem neu entwickelten Beschleunigerkonzept verglichen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Betriebskosten des Elektronenbeschleunigers schon bald mit den Kosten herkömmlicher Filtertechnologien konkurrieren könnten. Prof. Kamps betont, dass diese Fortschritte in der Beschleunigerphysik nicht nur einen Beitrag zur Grundlagenforschung leisten, sondern auch praktikable Lösungen für drängende gesellschaftliche Herausforderungen bieten können.
Die Vision der Forscher ist die Entwicklung eines kompakten Elektronenbeschleunigers, der in einem Container untergebracht werden kann. Diese mobile Einheit könnte direkt an kontaminierten Standorten, wie dem ehemaligen Flughafen Tegel, eingesetzt werden. Der Vorteil eines solchen Systems liegt in den potenziell geringeren Kosten und dem geringeren Aufwand im Vergleich zu konventionellen Sanierungstechniken, die oft auf umfangreiche Filteranlagen angewiesen sind.
Obwohl noch weitere Entwicklungsarbeiten erforderlich sind, liefert die Studie bereits wertvolle Erkenntnisse für die zukünftige Umsetzung der Technologie. Der SHF-Photoinjektor hat sich als geeignete Plattform erwiesen, um den Nutzen, die Effizienz und die Kosten solcher Aufbereitungsanlagen systematisch zu optimieren. Dies könnte nicht nur dazu beitragen, kontaminierte Gewässer zu reinigen, sondern auch einen bedeutenden Fortschritt im Umgang mit PFAS und deren schädlichen Auswirkungen auf die Umwelt und die Gesundheit der Bevölkerung darstellen.
Die Forschung wurde im Rahmen der HGF-Hi-Acts-Initiative gefördert, und die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift PLOS One veröffentlicht. Die Kontaktaufnahme zu den wissenschaftlichen Ansprechpartnern, wie Prof. Dr. Thorsten Kamps, ist über die angegebenen E-Mail-Adressen möglich. Die Kombination aus innovativer Technologie und Umweltbewusstsein könnte somit einen wertvollen Beitrag zur Lösung eines der drängendsten Umweltprobleme unserer Zeit leisten.
