Chemiker aus Berlin arbeiten an neuen Katalysatoren, mit denen sich Wasserstoff als Energieträger erzeugen lässt

Nicht nur in der Politik gibt es die K-Frage, die für Spannung und Nervenkitzel sorgt. Kein Wunder, denn der Job ist prekär. Ein Kanzler soll die richtigen Leute zusammenbringen, um Reformen in Gang zu setzen. Die große Politik hat ein Vorbild im Kleinen: In der Natur gibt es spezielle Stoffe, die ganz ähnlich dafür sorgen, dass chemische Reaktionen in Gang kommen und schneller ablaufen. „Wir nennen sie Katalysatoren. Sie bringen verschiedene chemische Elemente zueinander, die auf natürlichem Wege niemals oder nur sehr, sehr langsam miteinander reagieren“, sagt Matthias Driess, Experte für metallorganische Chemie und seit Winter 2004 Professor an der TU Berlin. „Katalysatoren erhöhen die Effizienz einer chemischen Reaktion. Anders als ein Kanzler verbrauchen sie sich jedoch nur sehr langsam.“

Katalysatoren legen in der chemischen Industrie den Turbogang ein. Auch die Wissenschaftler der TU wollen nun den Turbogang einlegen, und die K-Frage im Reagenzglas beantworten. Neue Katalysatoren könnten die chemische Industrie und die Energieversorgung von Grund auf verändern. „Dazu müssen wir Chemiker, Ingenieure, Physiker und Zellbiologen an einen Tisch bringen“, sagt Matthias Driess.

Wie wichtig diese Forschungen sind, verdeutlicht ein Beispiel: „Ohne Katalysatoren wäre es uns unmöglich, Erdöl zu verarbeiten“, erläutert Matthias Driess. Der schmutzigbraune, zähe Rohstoff lagert seit zig-Millionen Jahren tief unter der Erde, aber Plastik oder Sprit wird nur daraus, wenn sich die Chemiker der Sache annehmen. In einem mehrstufigen Verfahren wird das Erdöl mit Hilfe von Katalysatoren in verschiedene Ketten von Kohlenwasserstoffen gespalten, um daraus Treibstoffe, Heizöl, Kunststoffe oder Farben herzustellen. „Etwa neunzig Prozent aller Alltagsartikel werden durch chemische Reaktionen erzeugt, in denen Katalysatoren eine Rolle spielen“, sagt Driess weiter. „Auch in der menschlichen Atmung spielt ein Katalysator mit, im Hämoglobin, dem roten Blutfarbstoff, das den Sauerstoff aus der Lunge zu den Körperzellen bringt. Hämoglobin, ist ein biochemischer Katalysator, in dem ein Eisenatom als aktives Zentrum sitzt, das ein Sauerstoffmolekül huckepack nehmen kann.“

Mit Wissenschaftlern wie Matthias Driess tritt eine neue Forschergeneration an, die K-Fragen der modernen Chemie zu lösen: offen, kommunikativ, mit Begeisterung. Und mit Weitblick, denn künftige Generationen werden gezwungen sein, sehr sparsam mit den natürlichen Ressourcen zu wirtschaften. Immer mehr Kohlendioxid heizt die Atmosphäre auf, die fossilen Energiequellen versiegen.

„Erdöl oder Erdgas sind zu kostbar, um sie als Treibstoff oder Heizgas zu verfeuern", sagt Driess. „Wir versuchen, Wasserstoff zur Energieerzeugung zu nutzen.“ Er ist zwar im Wasser reichlich vorhanden, aber um ihn daraus wieder frei zu setzen, braucht man reichlich Energie. Die Natur zeigt, wie es geht: Das Blattgrün der Pflanzen nutzt das Sonnenlicht, um eine verzwickte Kaskade von Reaktionen in Gang zu setzen. Darin spalten so genannte Metallo-Enzyme, also komplexe Biomoleküle mit mindestens einem Metallatom als aktives Zentrum, das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auf.

Das lässt sich technisch noch nicht nachbauen, deshalb gehen die Chemiker den Umweg über das Methanol. „Das ist der kleine Bruder des Ethanol, dem Alkohol in den Spirituosen. Aus Methanol kann Wasserstoff viel leichter freigesetzt werden“, erklärt Driess. „Methanol kann man zum Beispiel aus Methan herstellen, dem Hauptbestandteil von Erdgas. Methan ist aber noch vielseitiger: Wir suchen einen Katalysator, der Methan in höherwertiges Ethen umwandelt.“

Methan besteht aus einem Kohlenstoffatom, das von vier Wasserstoffatomen umgeben ist. „Um zwei Methanmoleküle zu einem Ethan zu verknüpfen, muss man die Verbindung eines Wasserstoffatoms zum Kohlenstoff kappen“, meint Driess. „So entsteht Ethan, das wir später zu Ethen umsetzen können.“ Allerdings hat die Natur die chemische Bindung zwischen Wasserstoff und Kohlenstoff extrem stark gemacht. „Um sie zu knacken, brauchen wir besonders raffinierte Katalysatoren.“

Im Blick haben die Chemiker eine Tandemkatalyse, bei der zunächst ein Katalysator aus Magnesiumoxid die Hauptrolle spielt. In sein Atomgitter wurden einige Lithiumatome eingeschleust. Im zweiten Schritt übernimmt ein Nickelkatalysator die Show: Er sorgt dafür, dass sich nur vom Ethan ein Wasserstoffmolekül absetzt. Dieser freie Wasserstoff lässt sich zur Energieerzeugung etwa in Brennstoffzellen nutzen. Übrig bleibt Ethen, ein wichtiger Grundstoff der Petrochemie. „Die Spezialisten der TU haben eine kleine Testanlage dafür gebaut“, sagt Driess. „Nun muss die Sache aber auch großtechnisch klappen.“ Denn die Industrie denkt in Tonnen, Kubikmetern und Hektolitern. Am Ende der chemischen Reaktionsketten möchte man aus Methan sogar hochmolekulare Kunststoffe wie Polyethylen herstellen, für Flaschen, Folien oder für die Baubranche – bisher allesamt Produkte aus Erdöl.

Gelegentlich berühren sich die Kreise von Kanzler und Katalysator: Um Erdöl und Erdgas werden Kriege geführt, steigen Nationen auf oder gehen unter. Schafften es die Chemiker, Alternativen zu finden, hätte dies enorme politische und wirtschaftliche Konsequenzen. Methan lässt sich nämlich auch aus Pflanzen herstellen, durch Vergärung in einem Fermenter. Diese Technologie wird in Biogasanlagen angewandt, um aus Gülle und Silagemais brennbares Biogas zu erzeugen, als Treibstoff oder zur Heizung von Rinderställen. Würde die Europäische Union ihre landwirtschaftliche Überschussfläche beispielsweise nutzen, um Energiepflanzen anzubauen, könnten die Bauern im Jahr rund 300 Milliarden Kubikmeter Biomethan erzeugen. Das entspricht der halben Jahresfördermenge von Erdgas in Russland. Überproduktion würde sich sogar lohnen.

„Denkbar wäre, dass wir perspektivisch zumindest einen Großteil der Petrochemie auf biotechnologisch hergestelltes Methan als neuen Grundstoff umstellen“, sagt Metallorganiker Driess. „Bis hin zu Arzneimitteln, Antibiotika oder Insulin lässt sich vieles daraus herstellen.“ Und wieder berühren sich die Kreise von Wissenschaft und hoher Politik: Ohne Visionen ist auch in der Chemie kein Staat zu machen.