CO2-Neutralität ist für viele Unternehmen ein wichtiges Ziel, sei es um
Kunden zu gewinnen oder um – auch mit Blick auf den Finanzmarkt – als
nachhaltig eingestuft zu werden. Erreichen tun sie dies in aller Regel,
indem sie schwer zu vermeidende CO2-Emissionen mit freiwilligen
CO2-Zertifikaten von sogenannten Offset-Märkten kompensieren. Die
Umwandlung dieser gewachsenen Märkte in harmonisierte CO2-Entnahme-Märkte,
die auch das wachsende Angebot von Zertifikaten aus technischer
CO2-Entnahme enthalten, würde die internationale CO2-Preisgestaltung um
eine wichtige Komponente ergänzen. Auf der COP26 könnten dafür jetzt
wichtige Weichen gestellt werden.

„Die Nachfrage nach zusätzlichen CO2-Zertifikaten von Offset-Märkten ist
hoch und steigt immer weiter“, sagt Dr. Wilfried Rickels,
Forschungsdirektor Global Commons und Klimapolitik am IfW Kiel, der die
zahlreichen Einflussfaktoren gemeinsam mit IfW-Umweltökonomin Christine
Merk in einem Kiel Focus (https://www.ifw-
kiel.de/de/publikationen/medieninformationen/2021/weichen-fuer-
internationalen-co2-entnahme-markt-stellen/) zusammengefasst hat. So
schätze die Taskforce on Scaling Voluntary Carbon Markets (mit
Unterstützung von McKinsey), dass die Nachfrage nach CO2-Zertifikaten auf
CO2-Offset-Märkten bis 2030 um den Faktor 15 und bis 2050 um den Faktor
100 steigen könnte. Diese Zertifikate sind bisher überwiegend Nachweise
für zusätzliche CO2-Reduktionen. „Gleichzeitig besteht die Hoffnung, dass
das Angebot dieser CO2-Zertifikate aus zusätzlichen Emissionsreduktionen
bald sinkt“, so Rickels, denn das ergebe sich automatisch, wenn – wie es
ja eigentlich global angestrebt sei – die weltweiten Emissionen sinken.
„Es bleiben dann viel weniger Möglichkeiten für zusätzliche
Emissionsreduktionen, und somit sinkt das Angebot an CO2-Offsets.“

Zusätzlicher Druck komme bald von der EU, so Rickels. „Nach den
‚Fitfor55‘-Plänen soll der lineare Reduktionsfaktor angehoben werden und
das Europäische Emissionshandelssystem EU ETS bereits Ende des nächsten
Jahrzehnts netto-null und dann sogar netto-negativ werden.“ Eine
Fortsetzung des Handelssystems setze dann voraus, dass anrechenbare
CO2-Zertifikate für die Entnahme von CO2 aus der Atmosphäre verfügbar
seien, die nicht mehr zusätzlich außerhalb des EU ETS in einem anderen
Land als Klimaschutzmaßnahme angerechnet werden könnten.

„Technische Lösungen zur CO2-Entnahme aus der Atmosphäre und Speicherung
unter der Erde oder in Baumaterialien könnten das Angebot erhöhen“,
skizziert Rickels einen Lösungsansatz für das knappe Gut. Während
naturbasierte Ansätze, wie Aufforstungen oder die Renaturierung von
Mooren, nur ein begrenztes Potenzial haben und viele Wechselwirkungen
berücksichtigen müssten, hätten beispielsweise Direct Air Capture-
Verfahren, wie sie in Island schon kleinskalig betrieben werden, deutlich
höheres Potenzial.

„Bei diesen Methoden bietet sich eine dezentrale Entwicklung
unterschiedlicher Technologien und Ansätze an.“ Voraussetzung dafür sei
aber, dass es entsprechende Märkte gibt, auf denen die (noch) wenigen
Anbieter mit den Nachfragern nach CO2-Entnahmen zusammenkommen und die im
Vergleich bisherigen relativ hohen Transaktionskosten beim bilateralen,
projekt-basierten CO2-Handel sinken.  „Durch verbesserte Standardisierung
sowie ein einheitliches Preissignal kann sich hier die dezentrale
Marktkraft entwickeln, die benötigt wird, um die technische CO2-Entnahme
in dem Maße zu entwickeln, in dem es notwendig wäre, um noch in die Nähe
des 1,5°C-Ziels zu kommen.“

Gleichzeitig böten CO2-Entnahme-Märkte die Möglichkeit, dem
grundsätzlichen Ziel eines umfassenden Emissionshandels näher zu kommen.
CO2-Entnahme-Zertifikate, die in unterschiedlichen nationalen
CO2-Preissystemen anrechenbar seien, erlaubten eben diese zu verknüpfen.
Beispielsweise erscheine die Verknüpfung des europäischen
Emissionshandelssystems mit dem chinesischen regulatorisch anspruchsvoller
als die Zulassung eines Angebots an einheitlichen CO2-Entnahme-
Zertifikaten, die damit indirekt zu einer Preisangleichung auf den Märkten
führen könnten.

Für diese unterschiedlichen Herausforderungen werde die COP26 noch keine
abschließenden Lösungen liefern können. Im Gegenteil, es sei eher zu
erwarten, so die Autoren, dass das von regionalen Initiativen, wie zum
Beispiel dem für Frühjahr 2022 angekündigten EU-Zertifizierungssystem für
die CO2-Entnahme, entscheidende Impulse ausgingen. „Bei der COP26 kommt es
darauf an, die Notwendigkeit eines internationalen CO2-Entnahme-Marktes
anzuerkennen und die Weichen für eine Standardisierung und Klassifizierung
der CO2-Zertifikate zu stellen“, sagt Rickels. So öffne man gerade für
Länder wie China, deren Exportgeschäft zunehmend CO2-neutrale Produktion
voraussetzen wird, eine wichtige Perspektive.

Der Bioökonomierat der Bundesregierung setzt Impulse für die Verhandlungen
des Koalitionsvertrags zwischen SPD, Bündnis 90/Die Grünen und FDP und
empfiehlt, die Bioökonomie als wesentliche Querschnittsaufgabe zur
Erreichung der Klimaschutzziele – und insbesondere des 1.5 Grad Ziels –
fest im Koalitionsvertrag der neuen Bundesregierung zu verankern.

Mit dem Klimaschutzgesetz und dem darin verankerten Ziel, Deutschland bis
zum Jahre 2045 zu einem nachhaltigen und klimaneutralen Land umzubauen,
wurden die Weichen für einen ganzheitlichen Transformationsprozess
gestellt. Es ist Grundvoraussetzung für das Leben und Wirtschaften, dass
Ökonomie, Ökologie und soziale Teilhabe ganzheitlich betrachtet werden.
Dies zu erreichen, sind die zentralen Ziele der Bioökonomie, die ein
nachhaltiges Wirtschaften auf Grundlage biologischer Ressourcen und
biologischem Wissen anstrebt.

„Mit den Technologien, die auf die Ziele der Bioökonomie einzahlen, können
wir in den kommenden Jahren den Weg hin zu einer nachhaltigen Gesellschaft
und Wirtschaft ebnen, ökologische und ökonomische Sichtweisen
zusammenbringen und die Arbeitsplätze von morgen schaffen“, sagt
Ratsmitglied und CEO der Firma bio.IMPACT & SymbioPharm GmbH, Dr. Jürgen
Eck.

In seiner Funktion als unabhängiges Beratungsgremium der Bundesregierung
skizziert der Bioökonomierat in seinem Impulspapier die drängendsten
Aufgaben in den Bereichen Klimaschutz, Nachhaltigkeit, technologische
Souveränität und Wettbewerbsfähigkeit, in denen die Politik dringend aktiv
werden muss und gibt erste übergeordnete Handlungsempfehlungen.

„Will eine zukünftige Bundesregierung effizient und zielorientiert das 1,5
Grad-Ziel verfolgen, so muss sie der gegenwärtigen Fragmentierung
politischer Maßnahmen gezielt entgegenwirken und eine abgestimmte,
ressortübergreifende Bioökonomiepolitik bereits heute ins Zentrum ihrer
Arbeit stellen“, stellt die Co-Vorsitzende des Bioökonomierats,
Professorin Daniela Thrän, klar.

„Als Bioökonomierat empfehlen wir der neuen Bundesregierung daher, ihre
Bestrebungen hin zu einer kohärenten Politik zu intensivieren, für stabile
politische und gemeinschaftliche Rahmenbedingungen zu sorgen und die
Forschungs- und Innovationsförderung in Richtung einer biobasierten und
nachhaltigen Wirtschaft weiter auszubauen“, so Professorin Iris
Lewandowski in ihrer Funktion als Co-Vorsitzende des Rates.

Im Rahmen seines Mandats unterstützt der Bioökonomierat die neue
Bundesregierung mit Empfehlungen für konkrete Maßnahmen, mit denen die
Bioökonomie zur Lösung dieser Zukunftsaufgaben beitragen kann.

Weltpremiere: Fraunhofer IWS druckt erstmals Quadrupol-Bauteile für
Linearbeschleuniger

Eine neue Generation von Teilchenbeschleunigern soll Krebstherapie,
Drogenfahndung und Materialanalyse auf eine höhere Stufe heben: Diese
Linearbeschleuniger sind so kompakt, dass sie selbst für kleinere
Krankenhäuser, Flughäfen und Labore erschwinglich werden. Um diese
Entwicklung zu fördern, setzt das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und
Strahltechnik IWS gemeinsam mit der Europäischen Organisation für
Kernforschung (CERN) in der Schweiz, der lettischen Riga Technology
University (RTU) und der Politecnico di Milano (PoliMi) auf lasergestützte
3D-Drucker: Im Rahmen des »I.FAST«-Projekts, das darauf abzielt, die
Innovation von Beschleunigern zu fördern und das die Europäische
Kommission im Programm Horizont 2020 kofinanziert, ist es nun weltweit
erstmalig gelungen, wichtige Quadrupol-Bauteile für Linearbeschleuniger
aus reinem Kupferpulver additiv zu fertigen.

Dies eröffnet perspektivisch neue Wege hin zu einer kommerziellen
Produktion und zum praktischen Einsatz derartiger Anlagen, die auf dem
Prinzip der »High Frequency Radio Frequency Quadrupole« (HF-RFQ) basieren.
Möglich sind damit zum Beispiel bessere und stärker automatisierte Drogen-
und Waffenkontrollen auf Flughäfen. Die Forschenden sehen großes Potenzial
im 3D-Kupferdruck: »Damit können wir die Fertigungszeiten deutlich
verkürzen«, prognostiziert Samira Gruber, die am Fraunhofer IWS Expertin
für die additive Fertigung von Kupfer und Kupferlegierungen ist. »Möglich
wird so beispielsweise ein schneller Prototypenbau. Dies kann die
Weiterentwicklung der Beschleunigertechnologie deutlich voranbringen.«
Durch die additive Fertigung lässt sich außerdem Material einsparen und so
der Ressourcenverbrauch von Kupfer im Vergleich zu klassischen Verfahren
verringern.

Was sind Quadrupol-Beschleuniger?

Diese Argumente fallen erheblich ins Gewicht, wenn sich diese kompakten
Beschleuniger breiter durchsetzen sollen. Denn Hochfrequenz-Quadrupole,
die auf einer neuen, am CERN entwickelten Technologie basieren, sind die
entscheidenden Bauteile und Taktgeber für diese neue Generation von
Anlagen. In den Quadrupolen stehen sich vier abwechselnd gepolte
Elektroden gegenüber, die sich wie Blütenblätter um eine zentrale
Teilchenflugbahn anordnen. Legt der Nutzer eine Wechselspannung an, bauen
sich schnell wechselnde elektrische Felder auf. Diese schicken die
Teilchen zwischen den wellig geformten Elektrodenspitzen auf eine Art
Wellenritt, der sie mit jedem passierten »Elektroden-Blütenblatt« mit
jedem Quadrupol immer näher an die Lichtgeschwindigkeit heranbringt.
Anders als ihre meist riesigen unterirdischen Brüder, die
Ringbeschleuniger, nehmen diese Linearbeschleuniger oft kaum mehr Raum als
ein Wohnzimmer ein.

Grüner Laser macht bei Bauteiloptimierung bislang Unmögliches möglich

Weil die Anlagen im Langzeitbetrieb viel Abwärme erzeugen, bestehen die
taktgebenden Quadrupole aus reinem Kupfer. Denn dieses Metall leitet Strom
und Wärme besonders gut. Bisher war die Produktion der Quadrupole
allerdings sehr aufwendig: Sie werden aus Halbzeugen in Form gefräst und
dann aus sehr vielen Einzelteilen zusammengesetzt. Deshalb haben die
Forschenden des Fraunhofer IWS, RTU und PoliMi nun eine Alternative
entwickelt. Sie schmelzen dafür mit einem grünen Laser reines Kupferpulver
auf. Aus dieser Metallschmelze formen sie dann das Viertelsegment eines
Quadrupols. Dabei sparen sie Material überall dort ein, wo es für die
Bauteilfestigkeit nicht gebraucht wird. In klassischen
Metallverarbeitungsverfahren dagegen ist diese Bauteiloptimierung sehr
aufwendig, an manchen Stellen sogar überhaupt nicht machbar. Die neue
Fertigungsmethode mindert insofern den Kupferverbrauch und sorgt für
leichtere Quadrupol-Segmente, die innerhalb eines Tages fertig aufgebaut
sind.

Eine Vergrößerung des Bauraumes von Laserschmelzanlagen mit grünem Laser
wird es demnächst ermöglichen, ganze Quadrupol-Segmente per 3D-Druck
herzustellen. Aber auch mit den jetzt erzeugten Viertelsegmenten sind
bereits die nächsten Projektphasen möglich: Zum Beispiel weisen die
Bauteile aus der additiven Fertigung erfahrungsgemäß raue
Oberflächentopologien auf. Das heißt: ihre Oberfläche ist oft rau. Zu
analysieren ist daher am Protoptypen, ob und wie die 3D-Druck-Quadrupole
nachträglich geglättet werden müssen – beispielsweise durch eine plasma-
oder elektrochemische Politur.

Auf der Projektagenda stehen außerdem Versuche, ob und wie sich kleine
Verschleißschäden an Beschleunigern mithilfe additiver
Fertigungstechnologien nachträglich reparieren lassen, ohne ganze Bauteile
verschrotten zu müssen. »Wir wollen aber auch untersuchen, welche anderen
Werkstoffe und Bauteile für die additive Fertigung für Beschleuniger in
Frage kommen«, sagt Samira Gruber.

Einsatz für Protonentherapie und automatische Rauschgift-Erkennung denkbar

Denn die Linearbeschleuniger sind nicht nur für Teilchenphysiker
interessant. Auf dem Gebiet der Medizintechnik lassen sie sich sowohl für
die Protonentherapie gegen besonders heimtückische Tumore im Bauchraum
oder im Gehirn einsetzen als auch für die Herstellung medizinischer
Isotope. Am CERN werden noch viele andere Anwendungen für die Quadrupol-
Beschleuniger erforscht – einschließlich der Materialanalyse – mit dem
Ziel, Meisterwerke der Kunst zu untersuchen. Beschleuniger bieten
erhebliche Marktchancen. Momentan sind weltweit etwa 30 000 Beschleuniger
im Einsatz, schätzen die kalifornischen Branchenexperten Robert Hamm und
Marianne E. Hamm in ihrer Analyse »Industrial Accelerators and Their
Applications« aus dem Jahr 2012. Mit diesen Anlagen fertigen und
analysieren demnach Unternehmen und Institute rund um den Erdball
industrielle Waren im Wert von 500 Milliarden US-Dollar pro Jahr.

Nähere Informationen bietet diese Publikation:
Torims, Toms, Pikurs, Guntis, Gruber, Samira, Vretenar, Maurizio, Ratkus,
Andris, Vedani, Maurizio, Lopez, Elena, & Brückner, Frank. (2021). FIRST
PROOF-OF-CONCEPT PROTOTYPE OF AN ADDITIVE-MANUFACTURED RADIO FREQUENCY
QUADRUPOLE. Zenodo. https://doi.org/10.5281/zenodo.5564339

Infobox
EU fördert »I.FAST« mit zehn Millionen Euro
Das Projekt I.FAST zielt darauf ab, die Innovation in der Gemeinschaft der
Teilchenbeschleuniger zu fördern, indem es die Entwicklung bahnbrechender
Technologien für mehrere Beschleunigerplattformen aufzeigt und
erleichtert. In Anbetracht des großen Potenzials neuer
Beschleunigertechnologien unterstützt die Europäische Kommission das
Projekt im Rahmen ihres Programms Horizont 2020 mit insgesamt zehn
Millionen Euro. An dem Projekt sind 49 Partner beteiligt, darunter 17
Industrieunternehmen als Co-Innovationspartner. Die additive Fertigung von
Quadrupolen ist eines der Teilprojekte.
Weitere Informationen über das Dachprojekt I.FAST im Netz:
https://ifast-project.eu/about