Beschleuniger des Wandels

Neue Katalysatoren machen Produktionsprozesse schneller, effizienter und billiger. Und sie ermöglichen vielleicht eine Chemie, die ohne Erdöl auskommt.

Die moderne Welt hängt am Öltropf: Alle gängigen Kraftstoffe, die meisten Kunststoffe, dazu Harze, Lacke und Farben, viele Medikamente sowie Kosmetika basieren auf dem Grundstoff Erdöl und seinen Derivaten – selbst im Kaugummi findet sich mit Polyisobuten ein Produkt aus dem fossilen Energieträger.

"Zumindest noch", sagt Reinhard Schomäcker, Chemiker an der TU Berlin. Ziel von Wissenschaftlern wie ihm ist eine Chemieproduktion, die langfristig nicht mehr auf Erdöl basiert und kurzfristig zumindest deutlich ressourceneffizientere Prozesse als bisher ermöglicht. "Wir müssen uns ranhalten", sagt der Experte, "denn unsere bekannte Quelle für Energie und chemische Grundbausteine wird über kurz oder lang versiegen."

Eine Schlüsseltechnologie, um zu solch einer umweltfreundlicheren grünen Chemie zu kommen, ist Schomäckers Spezialdisziplin: die Entwicklung neuer Katalysatoren. Das richtige chemische Helferlein macht Reaktionen möglich, die unter normalen Umständen gar nicht oder allenfalls im Schritttempo ablaufen. Mit wenigen Gramm eines geeigneten Katalysators können innerhalb von kurzer Zeit mitunter Tonnen des gewünschten Produkts hergestellt werden. Obendrein ist der Reaktionsweg per Katalyse energetisch günstiger, was Kosten spart. Oft fallen auch weniger, zum Teil giftige Abfälle an. In mehr als 80 Prozent der chemischen Prozesse wirkt daher bereits heute zumindest in einem Verfahrensschritt so ein Reaktionsbeschleuniger mit.

Nahezu jede chemische oder biochemische Reaktion lässt sich durch die schiere Anwesenheit eines hochspezifischen Katalysators erleichtern. Es kann eine bestimmte Metallverbindung sein oder – bei biochemischen Prozessen – ein Eiweißstoff, ein sogenanntes Enzym. Das Besondere daran: Ein Katalysatormolekül fördert die Reaktion, ohne sich selbst dabei chemisch zu verändern. Es kann daher wieder und wieder für die sperrigen Partner den Kuppler spielen.

Schomäcker will nun mit Katalysatorhilfe ein Molekül zur Reaktion bewegen, das bisher nur unter Einsatz von enorm viel Energie und hohen Drücken dazu gezwungen werden konnte: Methan. Als Hauptbestandteil der Erdgaslagerstätten wird Methan noch mindestens 60 Jahre in ausreichenden Mengen vorhanden sein, schätzen Experten – rund zwanzig Jahre länger als Erdöl. "Das Beste an einer Methan-Chemie ist aber, dass wir mit ihrer Hilfe langfristig unabhängig vom Öl werden, da wir Methan im Biogasverfahren auch aus Biomasse produzieren können", sagt Schomäcker. Das Wunschprodukt, das er aus Methan herstellen möchte, ist die Massenchemikalie Ethylen. Rund 100 Millionen Tonnen davon werden weltweit jedes Jahr für verschiedenste Produkte benötigt, von diversen Kunststoffen bis hin zu Waschmitteln und Shampoos. 2008 lagen die Umsätze, die Unternehmen mit der Chemikalie erzielt haben, bei über 160 Milliarden Dollar.

Um die Methan-Moleküle, die kleinsten aller Kohlenwasserstoffe, in Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu spalten, sind derzeit Temperaturen von 800 bis 900 Grad Celsius und eine Sauerstoffatmosphäre von 25 Bar nötig. Ein Aufwand, den Chemiekonzerne zwar in Kauf nehmen, weil sie den Grundbaustein Kohlenmonoxid brauchen, um daraus komplexere Verbindungen wie Ethylen zusammenzubasteln.

Weitaus eleganter wäre es aber, wenn man das reaktionsträge Methan direkt und ohne großen Energieeinsatz in andere Stoffe umwandeln könnte. Doch das Ermitteln des richtigen Katalysators für eine gewünschte Reaktion ist oft sehr aufwendig und glich früher in vielen Fällen der berühmten Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Mit komplizierter Messtechnik analysieren Forscher deshalb heutzutage zunächst die Struktur der möglichen Katalysatorsubstanzen, um anschließend am Großrechner zu simulieren, welche Katalysatormoleküle aufgrund ihres Aufbaus überhaupt mit dem vorgesehenen Reaktionspartner reagieren können.

Nur die so vorausgewählten Kandidaten werden dann in der Praxis getestet. Gemeinsam mit einem Team von rund 50 Wissenschaftlern hat Schomäcker dafür an der TU Berlin im Rahmen des Exzellenzclusters "Unifying Concepts in Catalysis", kurz UniCat, eine Minifabrik zur Ethylen-Produktion aus Methan aufgebaut. Mit den bisherigen Katalysatoren lässt sich das farblose Gas dort nur bei Temperaturen von 600 Grad Celsius herstellen. Bei dem Verfahren, im Fachjargon "oxidative Kupplung von Methan" genannt, entsteht aus vier Tonnen Methan derzeit rund eine Tonne des gewünschten Ethylens.

Schomäckers neue Reaktionshelfer sollen zum einen die Prozesstemperatur halbieren, zum anderen die Ethylen-Ausbeute mindestens verdoppeln. Momentan arbeitet er unter anderem mit Magnesiumoxid, in das Lithiumatome eingebracht sind, und mit verschiedenen chemisch modifizierten Zinkoxid-Versionen. Dass er die Kandidaten überhaupt preisgibt, hat einen einfachen Grund: So richtig zufrieden ist er mit beiden Materialien noch nicht. Sie hätten zwar Potenzial nach oben, seien bisher aber nicht langzeitstabil, sagt der Chemiker.

Ein weiterer Schlüssel zu einer energieschonenderen Ethylen-Produktion könnte das Enzym Methan-Monooxygenase sein. Bakterien nutzen es, um Methan in Methanol umzuwandeln und sich so mit Energie zu versorgen. "Verstehen wir diesen Prozess genauer, könnten wir nach seinem Vorbild neue Katalysatorvarianten entwerfen, mit denen die Ethylen-Herstellung besser abläuft", sagt Schomäcker. Doch das sei noch Zukunftsmusik. Er habe auch noch andere Katalysatorsysteme im Blick, die möglicherweise schneller einsatzreif sind, darüber könne er aber nichts verraten: "Über seine vielversprechendsten Kandidaten spricht kein Katalyseforscher", entschuldigt sich der Wissenschaftler. Es gehe neben einer grüneren Chemie schließlich auch um enorm viel Geld.

"Diese Kombination aus ökonomischen und ökologischen Vorteilen macht die Katalysatorentwicklung zu einem der spannendsten Forschungsfelder und zu einer zentralen Zukunftstechnologie", sagt Katalyseforscher Wolfgang A. Herrmann, Präsident der Technischen Universität München (TUM). Eine große Herausforderung sei insbesondere auch die katalytische Umwandlung des Treibhausgases Kohlendioxid, so der Che-miker. Ein Thema, dem sich unter anderem die kürzlich von der TUM und dem Konzern Süd-Chemie geschlossene, 20 Millionen Euro schwere Forschungsallianz "Munich Catalysis" widmet. Ihr Ziel: Die gigantischen CO2-Mengen, die in Kohlekraftwerken entstehen, sollen effizient von den übrigen Abgasen abgetrennt werden und dann als Synthesebaustein zur Herstellung von Chemiegrundstoffen dienen.

Doch genau wie Methan ist auch Kohlendioxid ausgesprochen träge. "Das Molekül zum Reagieren zu bewegen wird eine harte Nuss", sagt Herrmann. Wie das Problem geknackt werden könnte, untersucht derzeit auch sein Fachkollege Matthias Beller, Direktor des Leibniz-Instituts für Katalyse (LIKAT) in Rostock. Der Wissenschaftler zieht verschiedene Verfahren mit jeweils unterschiedlichen Katalyseprozessen in Betracht, um das klimaschädliche Treibhausgas in nützliche chemische Produkte umzuwandeln. Theoretisch sei aus Kohlendioxid zum Beispiel Acrylsäure herstellbar, als Superabsorber in Babywindeln bekannt, aber auch Methacrylsäure, der Grundstoff für Plexiglas, sowie die Alkohole Ethanol und Methanol.

Schon etwas ausgereifter ist eine Methode, mit der sich aus CO2 Polyurethane gewinnen lassen. Die Kunststoffe sind unter anderem als Weichschaum für Schuhsohlen oder Spülschwämme verwendbar. Der Chemiekonzern Bayer hat im Februar dieses Jahres im Chempark Leverkusen eine solche Pilotanlage in Betrieb genommen.

Auch in diesen Prozess muss allerdings noch jahrelange Forschungsarbeit gesteckt werden. "Kurzfristig läuft auf dem Gebiet der Katalysatorentwicklung gar nichts", sagt Uwe Rosenthal, stellvertretender Direktor des LIKAT. Manchmal dauere es Jahrzehnte, bis ein Katalysatorsystem so weit erforscht ist, dass es in großchemischen Prozessen und Verfahren eingesetzt werden kann. Neben der Entwicklung gänzlich neuer Reaktionsbeschleuniger trägt nach Rosenthals Einschätzung auch das stetige Optimieren bestehender Katalysatorsysteme zu einer umweltfreundlicheren Chemie bei. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise giftige Abfälle vermeiden, etwa bei der Produktion von Vitamin K3, das in der Tier- und Humanmedizin Verwendung findet: Beim herkömmlichen Herstellungsverfahren fallen für ein Kilogramm K3 rund 18 Kilogramm hochtoxische chromhaltige Abfälle an. Mit einem unter TUM-Forscher Herrmann entwickelten Katalysator hingegen lässt sich inzwischen nahezu vollständig verhindern, dass bei der K3-Produk-tion Abfall entsteht.

Verbesserte Katalysatoren ersetzen zunehmend auch teure Edelmetallkatalysatoren aus Platin, Palladium oder Ruthenium, was die Prozesse noch einmal deutlich wirtschaftlicher macht. Katalyseforschung sei damit einer der wichtigsten Hebel für den Schwenk zu einer nachhaltigen Produktion. "So wird die vermeintlich schmutzige Chemie vom Saulus zum Paulus", sagt Rosenthal. (bsc)