Am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) wurde ein Beschleuniger auf Basis eines SHF-Photoinjektors entwickelt, der für Anwendungen in der PFAS-Wasseraufbereitung den erforderlichen Elektronenstrahl liefern kann. Eine aktuelle Studie ordnet dieses Beschleunigerkonzept als physikalischen Ansatz ein, bei dem hochenergetische Elektronen PFAS-Moleküle durch Radiolyse in kleinere Bestandteile zerlegen können.
Der zugrunde liegende Prozess basiert auf der Bestrahlung von Wasser mit dem Elektronenstrahl, wodurch eine Radiolyse ausgelöst wird und hydratisierte Elektronen entstehen. Diese reagieren mit den im Wasser gelösten PFAS-Molekülen und führen zu deren Fragmentierung in kleinere Komponenten.
PFAS-Wasseraufbereitung mit hochenergetischen Elektronen
PFAS-Verbindungen sind inzwischen an vielen Stellen der Umwelt nachweisbar und reichern sich in Gewässern und Böden an. Von dort gelangen sie in Nahrungsketten, während ihre extrem stabilen Kohlenstoff-Fluor-Bindungen einen natürlichen Abbau nahezu verhindern. Besonders deutlich zeigt sich die Problematik an Standorten wie dem ehemaligen Flughafen Tegel, wo PFAS durch frühere Feuerwehrübungen in Boden und Grundwasser eingetragen wurden.
Vor diesem Hintergrund wird am Helmholtz-Zentrum Berlin ein physikalischer Ansatz verfolgt, der nicht auf die Rückhaltung, sondern auf die Zerlegung von PFAS abzielt. Hochenergetische Elektronen können PFAS-Moleküle durch Radiolyse in kleinere Bestandteile überführen. Der Ansatz stammt aus der Beschleunigerphysik und wird in einer aktuellen Studie erstmals systematisch für Anwendungen in der PFAS-Wasseraufbereitung untersucht.
SHF-Photoinjektor als technische Grundlage
Die Umsetzung dieses Ansatzes erfordert Elektronenstrahlen mit definierter Energie und hoher mittlerer Leistung. In einer aktuellen Studie zeigte ein Team um Prof. Dr. Thorsten Kamps, dass ein am HZB entwickelter Beschleuniger auf Basis eines SHF-Photoinjektors den dafür notwendigen Elektronenstrahl liefern kann. Der SHF-Photoinjektor stellt ein neuartiges Beschleunigerkonzept dar, das einen supraleitenden Hochfrequenzresonator nutzt, um Elektronen mit hochfrequenten elektromagnetischen Feldern zu beschleunigen.
Da das Beschleunigungsfeld kontinuierlich betrieben werden kann, lässt sich eine hohe durchschnittliche Strahlleistung erzeugen. Diese Eigenschaft ist entscheidend für Anwendungen in der Wasseraufbereitung, bei denen große Wassermengen behandelt werden müssen. Gleichzeitig erlaubt das Konzept eine flexible Anpassung der Strahlparameter, um den chemischen Ertrag der Radiolyse für unterschiedliche PFAS-Verbindungen gezielt zu untersuchen und zu optimieren. „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.
Beschleunigerbasierter Ansatz für PFAS-Kontaminationsstandorte
Beim Einsatz des Elektronenstrahls wird das Wasser bestrahlt und eine Radiolyse ausgelöst, bei der hydratisierte Elektronen entstehen. Diese hochreaktiven Spezies reagieren mit den im Wasser gelösten PFAS-Molekülen und zerlegen sie in kleinere Komponenten. Der Abbau erfolgt damit direkt im Wassermedium und kommt ohne chemische Zusätze oder Filtermaterialien aus.
In einer Fallstudie verglich das Forschungsteam das vorgeschlagene Beschleunigerkonzept mit der derzeit eingesetzten Filteranlage zur PFAS-Entfernung am ehemaligen Flughafen Tegel. Dabei zeigte sich, dass die Betriebskosten des beschleunigerbasierten Ansatzes perspektivisch wettbewerbsfähig gegenüber konventioneller Technik sein könnten. Langfristig ist ein kompakter Elektronenbeschleuniger vorgesehen, der in einen Container integriert werden kann und direkt an PFAS-Kontaminationsstandorten eingesetzt wird. Zwar ist bis zur praktischen Umsetzung noch Entwicklungsarbeit erforderlich, doch zeigt die Studie, dass der SRF-Photoinjektor eine geeignete Plattform darstellt, um Nutzen, Effizienz und Kosten solcher Anlagen systematisch weiter zu untersuchen.
Die Studie wurde im Rahmen der HGF-Hi-Acts-Initiative gefördert.
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. PLOS One. January 14, 2026. DOI: 10.1371/journal.pone.0323581