Schonende Ammoniaksynthese : Ein grüner Weg zum Stickstoffdünger
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Hundert Millionen Tonnen Stickstoffdünger werden jährlich auf den Feldern verstreut - ein Segen für die Landwirtschaft, mittlerweile aber auch ein Problem für die Umwelt. Bild: dpa
Vorbild Natur: Ein Molybdän-Katalysator verwandelt erstmals Luftstickstoff und Wasser effizient in Ammoniak. Das legendäre Haber-Bosch-Verfahren erhält Konkurrenz.
Als Fritz Haber um das Jahr 1905 herum ein Gemisch aus Stickstoff (N₂) und Wasserstoff (H₂) bei großer Hitze durch einen Eisen-Katalysator leitete, läutete er ein neues chemisches Zeitalter ein. Am Ausgang seiner Apparatur strömte eine Substanz, die einen stechenden Geruch verbreitete. Was Haber roch, war nichts anderes als Ammoniak (NH₃). Dem Chemiker war es gelungen, den flüchtigen Stickstoff in eine stabile Verbindung zu überführen, die zu Nitrat weiterverarbeitet werden konnte.
Damit war der Weg zum dringend benötigten Stickstoffdünger geebnet. Haber tat sich mit dem Industriellen Carl Bosch zusammen und entwickelte ein Verfahren, das es ermöglichte, Ammoniak in großem Maßstab zu produzieren. Heute werden mit dem Haber-Bosch-Verfahren pro Jahr mehr als 150 Millionen Tonnen Ammoniak produziert. Rund 90 Prozent davon gehen in die Düngemittelherstellung.
Doch die industrielle Herstellung von Ammoniak hat ihren Preis: Ein bis zwei Prozent des globalen Energieverbrauchs, so die Schätzung, entfallen auf die industrielle Ammoniaksynthese. Zudem werden bei der Erzeugung von Wasserstoff durch Dampfreformierung von Methan große Mengen an Erdgas verbraucht (3 bis 5 Prozent der weltweit produzierten Gasmenge). Bei diesem Prozess entstehen große Mengen an klimaschädlichem Kohlendioxid. Deshalb haben Chemiker nie aufgehört, nach weniger energieintensiven und sauberen Wegen suchen, Stickstoff in Ammoniak umzuwandeln. Diesem Ziel sind japanische Chemiker nun ein gutes Stück näher gekommen. Yoshiaki Nishibayashi von der Universität Tokio und seine Kollegen haben eine Reaktion ersonnen, die unter milden Bedingungen abläuft und Wasser und gewöhnlichen Stickstoff aus der Luft als Ressourcen nutzt. Dabei orientierten sie sich an der Natur.
Der Trick des Nitrogenase-Enzyms
Was die Synthese von Ammoniak so erschwert, ist der Umstand, dass Stickstoff ein äußerst stabiles zweiatomiges Molekül ist. Um die Dreifachbindung zwischen den beiden Stickstoffatomen aufbrechen zu können, ist viel viel Energie erforderlich. Beim Haber-Bosch-Verfahren benötigt man eine Temperatur von 500 Grad Celsius und mehr als den hundertfachen Atmosphärendruck sowie einen Eisenkatalysator. Nur auf diese Weise lässt sich das Stickstoff-Molekül spalten und mit Wasserstoff zur Reaktion bringen.
Ohne großen Aufwand beziehen dagegen einige Pflanzen den Stickstoff aus der Luft. Die bekanntesten Gewächse mit dieser Fähigkeit sind Hülsenfrüchtler wie Erbsen, Bohnen und Erdnüsse. An ihren Wurzeln sitzen Knöllchenbakterien. Diese wandeln den Luftstickstoff in Ammoniak um und reichern den Boden mit Ammoniumverbindungen an, die von der Pflanze aufgenommen werden. Die natürliche Ammoniaksynthese geschieht mit Hilfe des Enzyms Nitrogenase. Die für diese Reaktion notwendige chemische Energie liefern ATP-Moleküle.
Schon seit langem versuchen Forscher, die Arbeitsweise des Eiweißmoleküls Nitrogenase biotechnisch nutzbar zu machen. Doch das ist nicht so einfach: Denn trotz aller Bemühungen sind Aufbau und vor allem Funktionsweise des Enzyms noch nicht vollständig aufgeklärt. Ein Grund ist der recht komplexe Aufbau des Eiweißstoffs.
