Kompakter Elektronenbeschleuniger zur Aufbereitung von PFAS-belastetem Wasser
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.
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.
„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.“
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.
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Dr. Thorsten Kamps:
Originalpublikation:
PLOS One (2026): Compact high power, medium energy electron accelerator
for treatment of per- and polyfluoroalkyl contamination in water
Tasha Spohr , Benat Alberdi Esuain, Marc Dirsat, Sven Lederer, Thorsten
Kamps
DOI: 10.1371/journal.pone.0323581
