Die Grundstoffchemie läuft bis heute auf fossilen Brennstoffen: Wärme und Druck für die großen Reaktionen stammen meist aus Erdgas. Das ERC-finanzierte Projekt SCOPE hat einen anderen Weg getestet — Strom aus erneuerbaren Quellen, ein Gas im vierten Aggregatzustand und einen Katalysator, der die Sache zusammenhält. Der CO2-Fußabdruck fällt dabei um bis zu über 90 %. Dahinter steckt eine Denkweise, die in Laboren zählt: an Parametern drehen, Bedingungen vergleichen, Zahlen einordnen — und ob diese Art zu denken zu dir passt, klärt der Test am Ende.
Fest, flüssig, gasförmig — bei diesen drei Zuständen endet der Schulstoff meistens. Der vierte heißt Plasma: ein überhitztes Gas, in dem Atome in freie Elektronen und positive Ionen aufgespalten sind. In der Industrie war das lange ein Werkzeug für Spezialfälle, denn die Temperaturen bringen jede Anlage an ihre Grenzen. Genau daran arbeitet eine Forschungsrichtung, die den Zustand bändigen will, statt ihn zu meiden.
Der Kniff besteht darin, die Leistungszufuhr im Nanosekunden- bis Mikrosekundenbereich schnell zu pulsieren. So lässt sich die Erzeugung hochenergetischer Elektronen exakt steuern, während die umgebenden Gasmoleküle kühl bleiben. Fachleute sprechen von schnellmoduliertem Plasma.
Das Ergebnis heißt kaltes oder nicht-thermisches Plasma (NTP). Damit lassen sich kleine, wenig reaktive Moleküle umwandeln — Kohlendioxid, zweiatomiger Stickstoff, Methan und Wasser — und zwar bei Temperaturen und Drücken nahe der Umgebung. Das macht die Kopplung mit erneuerbaren Energien interessant: Elektrifizierung statt Gasflamme.
Ein Plasma allein liefert noch kein brauchbares Produkt. Ohne Katalysator laufen die Reaktionen in alle Richtungen, gebraucht wird aber selektiv eine bestimmte Verbindung. Der Haken: Ein fester Katalysator kann die plasmaaktivierten Moleküle auch stoppen, statt mit ihnen zusammenzuwirken. Das ERC-finanzierte Projekt SCOPE hat deshalb untersucht, modelliert und angewandt, wie NTP und feste Katalysatoren zusammenspielen — mit dem Ziel eines Effekts, der die Summe der Einzelwirkungen übersteigt.
Erprobt wurde das Verfahren dort, wo besonders viel Energie im Spiel ist. SCOPE setzte NTP in drei wichtigen industriellen Reaktionen ein:
Der CO2-Fußabdruck fällt dabei deutlich aus — bis zu über 90 % geringer als bei den herkömmlichen thermischen Verfahren, die unter weit härteren Bedingungen laufen.
Am konkretesten wird das beim Dünger. Projektkoordinator Gabriele Centi von der Universität Messina in Italien beschreibt es so: „Wir haben beispielsweise neue Verfahren entwickelt, um Düngemittel dezentral aus atmosphärischem Stickstoff herzustellen. Anorganische Düngemittel sind für die globale Ernährungssicherheit unverzichtbar, da sie den Stickstoff liefern, der für den Anbau von Nahrungsmitteln für nahezu die Hälfte der Weltbevölkerung benötigt wird.“
Dezentral heißt hier: keine Großanlage und kein langer Transportweg, sondern Produktion näher am Feld.
„Kaltes Plasma ist unglaublich vielseitig und kann zu mehr Nachhaltigkeit in der Herstellung, der Landwirtschaft, der Gesundheitsversorgung, im Umweltschutz und sogar in der Lebensmittelindustrie beitragen“, sagt Centi. In der Landwirtschaft wird Saatgut vor der Pflanzung behandelt, ganz ohne Chemie. Das Verfahren „verbessert die Wasseraufnahme, erhöht die Keimrate und fördert ein stärkeres frühes Pflanzenwachstum“, so der Koordinator.
In der Lebensmittelherstellung beeinflusst Plasma die Kristallbildung in Schokolade: besserer Glanz, bessere Textur und das erwartete Knackgeräusch, erreichbar in Minuten statt in Stunden. Untersucht werden außerdem die Sterilisation medizinischer Ausrüstung sowie die Reinigung von Luft- und Wasserverunreinigungen.
Hinter SCOPE steht ein Berufsbild, das wenig mit dem Klischee vom Reagenzglas zu tun hat. Gefragt sind Leute, die Prozesse lesen können: Welcher Parameter verändert das Ergebnis? Unter welchen Bedingungen bricht eine Reaktion ab? Womit genau vergleicht man eine Angabe wie „über 90 % weniger“? Chemie, chemische Verfahrenstechnik, Werkstoffkunde und Elektrotechnik treffen hier aufeinander, dazu kommt Modellierung am Rechner.
Wer eines dieser Fächer wählt, landet selten nur im Labor. Dieselben Fragen stellen sich in der Energiewirtschaft, in der Agrartechnik und in der Lebensmittelproduktion.
Kaltes Plasma plus Katalysator ist ein Weg, große chemische Verfahren von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energien umzustellen. Das ERC-Projekt SCOPE unter Gabriele Centi an der Universität Messina hat das für Stickstofffixierung, Methanverwertung und die Umwandlung von Kohlendioxid in flüssige solare Brennstoffe durchgespielt, mit einem bis zu über 90 % kleineren CO2-Fußabdruck. Dieselbe Technik reicht inzwischen von der Saatgutbehandlung bis zur Schokoladenherstellung.
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