Kompakter Elektronenbeschleuniger zur Aufbereitung von PFAS-belastetem Wasser
Am HZB werden neuartige Konzepte für Teilchenbeschleuniger entwickelt und erprobt, die vielfältige Einsatzmöglichkeiten bieten. Hier ein Blick in das SEAlab (Sustainable Electron Accelerator Laboratory) am HZB. © HZB
Die Radiolyse: Der Elektronenstrahl bestrahlt das Wasser, wobei hydratisierte Elektronen entstehen, die mit den PFAS-Molekülen im Wasser reagieren und sie in kleinere Komponenten zerlegen. © HZB
So genannte Ewigkeitschemikalien oder PFAS-Verbindungen sind ein zunehmendes Umweltproblem. Ein innovativer Ansatz für die Aufbereitung von Wasser und Böden in PFAS-belasteten Gebieten kommt jetzt aus der Beschleunigerphysik: Hochenergetische Elektronen können PFAS-Moleküle durch Radiolyse in unschädliche Bestandteile zerlegen. Ein am HZB entwickelter Beschleuniger auf Basis eines SHF-Photoinjektors kann den dafür nötigen Elektronenstrahl liefern, zeigt nun eine Studie in PLOS One.
PFAS-Verbindungen sind inzwischen an vielen Stellen unserer Umwelt nachweisbar. Die synthetischen Chemikalien reichern sich in Gewässern und Böden an und gelangen von dort in die Nahrungsketten. Aufgrund ihrer extrem stabilen Kohlenstoff-Fluor-Bindungen werden sie durch natürliche Prozesse kaum abgebaut. Einige PFAS gelten als gesundheitsschädlich. Stark belastet ist beispielsweise der Bereich rund um den ehemaligen Flughafen Tegel, wo PFAS durch frühere Feuerwehrübungen in den Boden und das Grundwasser gelangt sind.
Schnelle Elektronen gegen PFAS
Aus der Beschleunigerphysik kommt nun ein neuer Ansatz, um dieses Problem anzugehen: Hochenergetische Elektronen können PFAS-Moleküle durch Radiolyse in unschädliche Bestandteile zerlegen. In einer Machbarkeitsstudie hat ein Team um Prof. Dr. Thorsten Kamps gezeigt, dass ein am HZB entwickelter Beschleuniger auf Basis eines SHF-Photoinjektors den dafür benötigten Elektronenstrahl liefern kann. Dieser Elektronenstrahl muss eine bestimmte Energie und eine hohe mittlere Leistung aufweisen. Ein SHF-Photoinjektor ist ein neues Beschleunigerkonzept, das einen supraleitenden Hochfrequenzresonator mit hochfrequenten elektromagnetischen Feldern zur Beschleunigung von Elektronen verwendet. Da das Beschleunigungsfeld ständig eingeschaltet sein kann, lässt sich eine hohe durchschnittliche Strahlleistung erzeugen, wie sie für die Wasseraufbereitung mit Elektronenstrahlen erforderlich ist.
Flexibles Konzept
„Das SHF-Photoinjektor-Konzept ist sehr flexibel und eignet sich perfekt für die Weiterentwicklung der beschleunigerbasierten PFAS-Wasseraufbereitung. So können wir herausfinden, bei welchen Strahlparametern sich der chemische Ertrag für spezifische PFAS-Verbindungen optimieren lässt“, sagt Tasha Spohr, Erstautorin der Studie.
In einer Fallstudie verglich das Team die heute eingesetzte Filteranlage zur PFAS-Entfernung am ehemaligen Flughafen TXL mit dem vorgeschlagenen Beschleunigerkonzept. „Bei den Betriebskosten könnten wir bereits in naher Zukunft wettbewerbsfähig gegenüber konventioneller Technik sein“, sagt Kamps. „Wir haben hier gezeigt, dass Beschleunigerphysik nicht nur ein Werkzeug für spannende Grundlagenforschung ist, sondern auch neue Technologien für die Bewältigung von gesellschaftlich drängenden Probleme liefern kann.“
Beschleuniger im Container
Die Vision für die vorliegende Technologie ist ein kompakter Elektronenbeschleuniger, der in einen Container passt. Dieser könnte an Kontaminations-Hotspots – wie dem ehemaligen Berliner Flughafen Tegel – eingesetzt werden, bei potenziell geringeren Kosten und Aufwand als mit konventioneller Sanierungstechnik mit Filteranlagen. Zwar ist bis zur praktischen Umsetzung noch Entwicklungsarbeit nötig, doch zeigt die Studie, dass der SRF-Photoinjektor eine geeignete Plattform ist, um den Nutzen, die Effizienz und die Kosten solcher Anlagen systematisch zu optimieren.
Die Studie wurde im Rahmen der HGF-Hi-Acts-Initiative gefördert.
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