Britische Wissenschaftler setzen auf Biologie für saubereres Lithium
Ein 6,2-Millionen-Pfund-Projekt der University of Birmingham will proteinbasierte Membranen für die Lithiumextraktion entwickeln.
Forscher der University of Birmingham leiten ein Projekt im Wert von 6,2 Millionen Pfund (rund 8,2 Millionen US-Dollar), um proteinbasierte Membranen zu entwickeln, die die Lithiumextraktion selektiver und potenziell energieeffizienter gestalten könnten. Die dreijährige Initiative wird von der britischen Advanced Research and Invention Agency (ARIA) finanziert und konzentriert sich zunächst auf eine der größten Herausforderungen bei der direkten Lithiumextraktion (DLE): die Trennung von Lithium von Natrium zur Herstellung hochreiner Lithiumverbindungen, die für die Batterieproduktion erforderlich sind.
„Die Biologie kann geordnete Materialien mit einer Präzision herstellen, die mit bestehenden Fertigungsverfahren extrem schwer zu erreichen ist. Wir zielen darauf ab, dies zu nutzen, um Membranen mit einheitlichen, programmierbaren Poren zu schaffen“, sagte der Projektleiter Dr. Dominik Kubicki von der University of Birmingham.
Die Technologie könnte sich später über Batteriematerialien hinaus auf die Rückgewinnung kritischer Mineralien, die Wasseraufbereitung sowie die chemische und pharmazeutische Fertigung erstrecken. Ihr Erfolg hängt allerdings davon ab, ob es den Forschern gelingt, die Präzision biologischer Strukturen in langlebige Membranen zu übersetzen, die im industriellen Maßstab betrieben werden können.
Protein-Engineering als Ansatz
Das Konsortium, zu dem auch die Aston University und drei industrielle Partner gehören, plant den Einsatz von S-Schicht-Proteinen, die sich natürlich zu hochgeordneten zweidimensionalen Gitterstrukturen auf den Oberflächen vieler Mikroorganismen zusammenlagern. Die Forscher beabsichtigen, diese Proteine zu großen Flächenmembranen zu konstruieren, die gleichmäßig große Poren enthalten und trotz ähnlicher chemischer Eigenschaften zwischen Lithium- und Natriumionen unterscheiden können.
Das Projekt ist Teil des Universal-Fabricators-Programms von ARIA, das darauf abzielt, konstruierte Proteine als programmierbare Bausteine für die Fertigung von Materialien mit außergewöhnlicher Kontrolle über deren Geometrie einzusetzen. „S-Schicht-Proteine bieten einen außergewöhnlichen Ausgangspunkt für das Material-Engineering, da sie sich spontan zu hochgeordneten Strukturen zusammenlagern können“, sagte der gemeinsame Projektleiter Professor Tim Knowles. „Durch die Kombination von computergestütztem Design, Strukturbiologie und experimentellem Screening wollen wir diese natürlichen Bausteine so umprogrammieren, dass sie anspruchsvolle technologische Funktionen erfüllen.“
Die industriellen Partner bringen Expertise in den gesamten Entwicklungsprozess ein. Jude Wells von Fold9 wird das KI-gesteuerte Protein-Design leiten, während das britische Unternehmen Evove für die Membranfertigung, den Scale-up und die Tests zuständig sein wird. Adaptyv Bio wird Hochdurchsatz-Screening-Kapazitäten bereitstellen, um Tausende von Proteinvarianten zu bewerten. Die vielversprechendsten Kandidaten werden in größeren Maßstäben produziert und in praktische Membransysteme integriert.
Herausforderungen beim Skalieren
Die Forscher werden computergestütztes Protein-Design, Strukturbiologie und Hochdurchsatz-Screening mit der Proteinproduktion, der Membranherstellung und Tests unter realistischen Betriebsbedingungen kombinieren. „Eine zentrale Herausforderung wird darin bestehen, die Kontrolle auf molekularer Ebene in Membranen zu übersetzen, die in nutzbaren Maßstäben hergestellt und betrieben werden können“, sagte Professor Owen Thomas von der University of Birmingham. „Die enge Integration von biologischem Design, Materialcharakterisierung und Chemieingenieurwesen gibt uns die Möglichkeit, dieser Herausforderung von Anfang an zu begegnen.“
Obwohl sich der Ansatz noch im Forschungsstadium befindet, hofft das Konsortium, eine Fertigungsplattform etablieren zu können, die hochselektive Trennmaterialien für mehrere Branchen produzieren kann. Für Lithiumproduzenten wird der entscheidende Test darin bestehen, ob die konstruierten Membranen außerhalb des Labors eine zuverlässige Trennleistung erbringen und dabei die Langlebigkeit und Skalierbarkeit gewährleisten, die für den kommerziellen Einsatz erforderlich sind.
Für deutsche Anleger ist der Schritt insofern relevant, als Lithium ein Schlüsselrohstoff für die Batterieproduktion und damit für die Elektromobilität ist. Effizientere und selektivere Extraktionsverfahren könnten langfristig die Kosten der Lithiumgewinnung senken und die Abhängigkeit von energieintensiven Prozessen verringern. Ob sich der biologische Ansatz aus Birmingham durchsetzt, bleibt jedoch offen – die Kommerzialisierung hängt maßgeblich von der industriellen Skalierbarkeit ab.