Um das Jahr 1900 lebten geschätzt 1,65 Milliarden Menschen auf der Erde. Um diese zu ernähren, wurden Stickstoffdünger immer wichtiger, die Pflanzen mit dem für sie essenziellen Stickstoff in biologisch verwertbarer Form versorgten. Molekularer Stickstoff ist zwar bekanntlich mit 78 Prozent Hauptbestandteil der Luft, allerdings durch seine Dreifachbindung chemisch sehr reaktionsträge. Seine Umwandlung in andere stickstoffhältige Moleküle, wie Ammoniak, wird als Stickstofffixierung bezeichnet und nur von einigen Mikroorganismen in einem komplexen Zusammenspiel von Enzymen wie der Nitrogenase beherrscht.
Die stark wachsende Bevölkerung führte vor einem Jahrhundert dazu, dass der Bedarf mit herkömmlichen Stickstoffdüngern nicht mehr gedeckt werden konnte und von einigen Wissenschaftern eine weltweite Hungersnot befürchtet wurde. Unter dem Titel "Brot aus Luft" entstand deshalb ein Wettlauf der damaligen Chemiker um eine Methode, den Stickstoff aus der Luft in eine für Pflanzen brauchbare Form umzuwandeln.
Bis heute unersetzlich
Den deutschen Chemikern Fritz Haber und Carl Bosch gelang es schließlich, mit dem nach ihnen benannten Haber-Bosch-Verfahren Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff herzustellen. Erst dieses Verfahren ermöglichte weitgehend die Bevölkerungsexplosion ab dem 20. Jahrhundert. Bei mittlerweile über sieben Milliarden Menschen ist es auch heute noch in seiner Bedeutung ungebrochen und für bis zu 2 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs verantwortlich.
Seine hohen ökonomischen und ökologischen Kosten sind auch Kernpunkt einer aktuellen Entdeckung, die japanische Forscher im Journal "Nature" veröffentlichten. Das Haber-Bosch-Verfahren benötigt den 100- bis 200-fachen Atmosphärendruck und Temperaturen von 400 bis 600 Grad Celsius. Dabei setzt es pro Reaktionszyklus nur 10 Prozent des Ausgangsmaterials um und verbraucht große Mengen an fossilen Brennstoffen.
Katalysatoren, die die natürliche Nitrogenase imitieren sollen, verloren oft schon nach wenigen Zyklen ihren Nutzen. Der neuartige Molybdän-Katalysator ist dagegen länger wirksam und ermöglicht eine Reaktion bei Umgebungstemperatur und -druck mit einer Umsetzung von 90 Prozent der Ausgangsmaterialien in einem Durchlauf. Damit wird eine 300- bis 500-mal schnellere Rate der Ammoniakproduktion als im Haber-Bosch-Verfahren erreicht.
Luft und Wasser
Der SWAP (Samarium-Water Ammonia Production)-Prozess der Forscher von der Universität Tokio verbindet Stickstoff aus der Luft mit Protonen aus Wasser und Elektronen aus Samariumiodid. Samarium ist ein Metall der sogenannten Seltenen Erden und wird hauptsächlich in China abgebaut. Es kann jedoch neue Elektronen aufnehmen und so recycelt werden.
"Ich war sehr positiv überrascht, als wir etwas so Gewöhnliches wie Wasser als Protonenquelle gefunden haben. Ein Molybdän-Katalysator kann das normalerweise nicht, unserer aber schon", sagt Gruppenleiter Yoshiaki Nishibayashi. "Es ist die erste künstliche Stickstofffixierungsreaktion, die eine Geschwindigkeit nahe der Nitrogenase in der Natur erreicht."
Während die Reaktion noch nicht für industrielle Maßstäbe geeignet ist, sehen die Wissenschafter den Vorteil auch darin, dass sie in kleineren Größenordnungen machbar ist. Im Gegensatz zum Haber-Bosch-Verfahren kann ihr neuer Prozess von jedem kleinen Chemielabor durchgeführt werden. "Es geht nicht nur um die Einstiegskosten, sondern um die kontinuierliche Kosten- und Energieersparnis durch die Rohmaterialien. Mein Team bietet die Idee an, um in der landwirtschaftlichen Anwendung an den Orten zu helfen, die sie am nötigsten brauchen."
Neben der schon jetzt günstigen Bilanz in Sachen Effizienz, Kosten und Rohmaterialien eröffnet die neue Methode in jedem Fall einen weiteren vielversprechenden Forschungsansatz zum Thema Brot aus Luft. Und Wasser. (pkm, 3.5.2019)