Arbeiten

Unser umtriebiges Element

DIE ZEIT, 25. September 2014

Dem Kohlenstoff, dem Element des Lebens, galt mein erster literarischer Traum (…): ich wollte die Geschichte eines Kohlenstoffatoms erzählen.

Primo Levi (Chemiker und Schriftsteller): Das periodische System (1975)

Sechs Protonen, sechs Neutronen, sechs Elektronen. Das ist der Stoff, aus dem das Leben ist: Kohlenstoff, kurz C. Sein Geheimnis liegt in seiner Struktur, all seine elementaren Bestandteilchen sind so fein und praktisch arrangiert, dass C außerordentlich kontaktfreudig ist und gern Bindungen eingeht. Die wiederum sind zugleich stark und flexibel. C ist der Casanova des Periodensystems: Kohlenstoff steckt in mehr chemischen Verbindungen als jedes andere Element, an die zehn Millionen verschiedene sind es. Auch wir Menschen bestehen, sieht man einmal vom Wasser ab, hauptsächlich aus Kohlenstoff, nämlich zu zwei Dritteln. »Wasser mag das Lösemittel des Universums sein«, schreibt die Pulitzer-Preisträgerin Natalie Angier in ihrem Buch Naturwissenschaft. »Aber Kohlenstoff ist das Klebeband des Lebens.«

C ist Bau- und Brennstoff zugleich, er sorgt für das Lebensnotwendige – Wärme, Nahrung, Kleidung, ein Dach über dem Kopf. Doch C hat auch eine dunkle Seite, geht am Ende den Weg alles Irdischen: Er wird, oxidiert, mit kräftigen Doppelbindungen an zwei Sauerstoffatome gefesselt, zum Molekül Kohlendioxid. Das ist das Ende seines geselligen Lebens: Im CO₂ steht Kohlenstoff unter Arrest. Keine Energie hat er mehr übrig für aufregende neue Verbindungen und verrückte Formexperimente. Ausgerechnet in dieser Gestalt, der er so schwer entkommen kann, heizt er seit je die Atmosphäre auf. Jetzt aber wird das brenzlig, weil wir Menschen immer mehr kohlenstoffhaltige Brennstoffe verfeuern und den Klimawandel damit anfeuern. Für uns ist CO₂ ein Problem, weil es für die C-Atome ein Verlies ist.

(…) für ihn, der doch potentiell lebendig ist, eine Gefangenschaft, würdig der katholischen Hölle.

Wie kann man den Gefangenen wieder für andere Bindungen gewinnen, ihn damit unschädlich, womöglich gar nützlich machen? Das ist ein großes Rätsel für Chemiker und Ingenieure, seit Jahrzehnten. Nun nehmen sie endlich die Herausforderung an.

Um diese zu verstehen, muss man den Elementarcasanova kennenlernen. Man muss seine unvergleichliche Kontaktfreude verstehen. Ein C reiht sich leicht ans andere, es entstehen lange Ketten: Energieträger, Bausteine für die chemische Industrie, Kunststoffe für unseren Alltag. So vielseitig wird er durch die Fähigkeit, ganz unterschiedliche Bindungen einzugehen: Er bildet eines der weichsten Materialien, die wir kennen (Grafit) und das härteste (Diamant). Im Grafit werden hauchdünne Kohlenstoffblättchen nur von feinsten Kräften zusammengehalten. Ein Bleistiftstrich genügt, um eine Schicht zu lösen. Im Diamanten sind die C-Atome fest in ein Gitterkorsett eingeschnürt, geordnet und haltbar für die Ewigkeit.

Beide, Grafit und Diamant, finden sich dort, wo der allergrößte Teil des Kohlenstoffs der Erde steckt: in ihrer Gesteinshülle. Dort lagern Erdöl, Erdgas und Kohle, und auch manches Gestein enthält Kohlenstoff: Marmor, Kreide, Kalkstein. Letzterer formt ganze Gebirge, etwa die Dolomiten mit ihren Riffen, die einmal am Meeresgrund lagen.

C-Atome nehmen viele Formen an – Gitter, Ringe, Spiralen. Erst Mitte der achtziger Jahre stellten Forscher daraus gar kugelige, fußballförmige Moleküle her: Fullerene. Dafür bekamen sie den Nobelpreis. Ebenso wie jene Wissenschaftler, die vor zehn Jahren flache, bienenwabenartige Gitter aus einer einzigen Schicht C-Atome erzeugten: Graphen. Die Kohlenstoff-Kugeln, ziemlich genau einen Nanometer groß, wurden zur Ikone einer neuen Technik, der Nanotechnologie. Graphen gilt, weil extrem dünn und extrem leitfähig, als neuer Wunderwerkstoff.

Jedes Kohlenstoffatom, das nicht in stabile Stoffe eingeschlossen ist (…), tritt alle zweihundert Jahre durch die enge Pforte der Photosynthese wieder in den Kreislauf des Lebens ein.

Ohne Kohlenstoff können wir nicht leben. Das Leben auf der Erde mit seiner ewigen Wiedergeburt ist nur möglich, weil es zwei Sorten von C-Wesen gibt: erstens Tiere (uns eingeschlossen), die Energie aus der Kohlenstoffverbrennung gewinnen und dabei CO₂ produzieren. Zweitens die Pflanzen, die aus dem trägen Verbrennungsprodukt wieder reaktionsfreudige Verbindungen schaffen. Jeder Gummibaum im Büro vollbringt dieses Kunststück mit nicht mehr als Wasser und Sonnenlicht: Das Wasser wird in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten, Letzterer reißt mit seiner elektrischen Ladung das CO₂ aus der Lethargie und verbindet sich mit ihm zu energiereichen Kohlenhydraten – schon kann C wieder im Bindungsreigen mitspielen, während der Sauerstoff entschwebt und die Luft frischer macht.

Damit der Kohlenstoff ins Spiel zurückkehren kann, müssen im Inneren der Blätter hochkomplexe Reaktionen ablaufen. Viel Energie wird dafür gebraucht. Die Sonne liefert sie zwar umsonst, aber ihr Licht muss eingefangen und umgewandelt werden. Und dies ist die große Kunst der Fotosynthese. Das Grün der Blätter, das Chlorophyll, beherrscht sie, es jongliert virtuos mit Photonen und Elektronen. Einen solchen Stoff, der zusammenbringt, was von allein nicht zusammen geht, nennen die Chemiker Katalysator.

Weil der Mensch dieses Kunststück bislang nicht beherrscht, hat er für die CO₂-getriebene Erderwärmung auch keine elegante Lösung parat. »Energie sparen« lautet noch die klügste, allerdings nur unzureichend praktizierte. Aber nun mehren sich die Techniken, mit denen sich tatsächlich CO₂ umwandeln und das Kohlenstoffatom aus seinem Gasgefängnis befreien lässt. Noch sind die bislang vom Menschen geschaffenen Synthesen praktisch bedeutungslos. Seit Jahrzehnten nutzen Chemiker CO₂ zwar als Rohstoff, um Harnstoff und Salicylsäure herzustellen (und aus Letzterer Acetylsalicylsäure für Kopfschmerztabletten) und um Lösungsmittel zu produzieren. Doch dies blieben Nischenanwendungen.

Liebe Kollegen, wenn wir lernen werden, es ihm [dem Blatt] gleichzutun, werden wir sicut Deus sein.

Sicut Deus, wie Gott – tatsächlich gilt eine effektive künstliche Fotosynthese als heiliger Gral der organischen Chemie. Im größeren Stil versuchte man bereits in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts einmal, das C aus Kohlendioxid für Kraftstoffe und Kunststoffe zu nutzen. Aus kohlenstoffhaltigen Gasmixturen mit geringem CO₂-Anteil wurde der Sprit Methanol hergestellt.

Gelänge das auch mit purem Kohlendioxid, könnte man dessen C-Atome wieder in Energieträger verwandeln. Und brächte man das träge CO₂ mit reaktionsfreudigen Molekülen zusammen, könnten diese es an sich reißen und mit ihm zu Kunststoffen verschmelzen. So ließe sich Erdöl einsparen. Das spekulierten Chemiker bereits in der Ölkrise der siebziger Jahre.

Allen technischen Visionen zum Trotz bedeutete CO₂-Nutzung bislang meist: Bäume pflanzen. Unter dem Eindruck von Klimawandel und schrumpfenden Erdölreserven jedoch arbeiten Chemiker nun ernsthaft an Stoffen, die Ähnliches leisten wie das natürliche Chlorophyll – und haben brauchbare Katalysatoren zuwege gebracht. Mit denen rüsten sie zu einem groß angelegten Befreiungskampf für das an zwei O-Atome gekettete C. Dutzende Projekte existieren allein in Deutschland, Chemiekonzerne beteiligen sich, und das Bundesforschungsministerium investiert hundert Millionen Euro.

Eingefangen werden könnte das Kohlendioxid direkt dort, wo es entsteht, in Kraftwerken, in Zementfabriken und Stahlwerken, in Müllverbrennungs- und Biogasanlagen. Verschiedene Techniken wurden schon ausprobiert, ursprünglich mit dem Ziel, das CO₂ unter die Erde zu bringen: CCS – Carbon Capture and Storage – nennt sich das Verfahren. Zudem fällt CO₂ auch in reiner Form als Abfall in der chemischen Industrie an. Und eines Tages könnte es gar direkt mit »künstlichen Bäumen« aus der Luft gefischt werden. An denen wird bereits gearbeitet.

Für eine Nutzung des Klimagases (Carbon Capture and Utilization, kurz CCU) schöpfen die Chemiker von heute aus den Visionen von früher, verfolgen just die beiden in den siebziger Jahren vorgezeichneten Wege: Kraft- und Kunststoff.

Um Brennstoff herzustellen, brauen sie ein Gasgemisch aus Kohlendioxid und Wasserstoff, in dem die Wasserstoffteilchen den Kohlenstoff entführen und je zu viert umringen – es entsteht CH₄, Methan, also künstliches Erdgas. Dafür ist viel Energie nötig, denn ähnlich wie bei der Fotosynthese muss Wasser in Sauer- und Wasserstoff gespalten werden. Stammte diese Energie aus Kohlekraftwerken, wäre die CO₂-Verwertung völlig widersinnig – es entstünde mehr Klimagas, als unschädlich gemacht würde. Erst mit Solar- oder Windenergie ergibt der Plan Sinn. Schon sprießt der Traum, überschüssigen Grünstrom mittels künstlichen Erdgases zu speichern.

Ausprobiert wird die Technik deshalb vor allem dort, wo viel Ökoenergie anfällt. So läuft in Deutschland, wo die Windmühlen zeitweise schon überschüssigen Strom erzeugen, bereits die größte CO₂-Methan-Fabrik der Welt. In Island, wo Energie praktisch aus der Erde sprudelt, in Form von heißem Wasser nämlich, produziert eine Anlage in kommerziellem Maßstab aus Kohlendioxid Flüssigtreibstoff. Ganz ähnlich wie bei der Methanproduktion umringt dabei Wasserstoff das C des CO₂. Nur eines der Sauerstoffatome muss gehen, eines darf bleiben – es entsteht CH₃OH: Methanol, ein giftiger Alkohol, der herkömmlichem Sprit beigemischt wird. Eines Tages, so die Vision, könnten Tanker leer aufs Meer hinausfahren und voll zurückkommen, weil sie dort aus nichts als Sonnenenergie, Meerwasser und Kohlendioxid Methanol hergestellt haben.

Er [Der Mensch] hat bisher riesige Reserven organisch aufgeschlossenen oder zumindest reduzierten Kohlenstoffs gefunden und findet sie noch – aber wie viele Jahrzehnte wohl noch?

Bevor die fossilen Kohlenstoffquellen – also Erdöl, Erdgas und Kohle – versiegen, könnten sie in der Kraftstoffproduktion nach und nach ersetzt werden. Auch in der Kunststoffherstellung wird die CO₂-Nutzung erprobt. Dabei kommen Epoxide zum Einsatz, die schon in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts einmal als Hoffnungsträger galten. Sie sind dreieckig zusammengestaucht und können auf einen Schlag so viel Energie freisetzen, dass C trotz CO₂-Verlieses neue Verbindungen eingehen kann. Die Chemieriesen Bayer und BASF produzieren so zusammen mit Hochschulforschern schon Kunststoffe: Schaumstoffe und Plastik, aus denen sich Matratzen machen lassen und Gehäuse für Staubsauger, Föhne oder Mixer. Dafür ist weniger Energie vonnöten als für die Kraftstoffproduktion, weil die Doppelbindungen, die das Kohlenstoffatom an die beiden Sauerstoffatome fesseln, nicht aufgebrochen werden müssen: C wird mitsamt seinen Bewachern in allerhand Alltagsprodukte eingeschleust.

Mehr als zwei Milliarden Tonnen Kohlendioxid könnten so jedes Jahr gebunden werden, schätzen Fachleute, 80 Prozent davon in Kraft-, der Rest in Kunststoffen. Das klingt vielversprechend, entspricht aber bloß sechs Prozent dessen, was wir heute in die Luft pusten. Nur durch CO₂-Verwertung das Klima zu retten wird nicht funktionieren. Das geben alle Forscher zu, die daran arbeiten.

Und es stellen sich weitere Fragen: Wird es genug Ökostrom-Überschuss geben? Und falls ja, ist die Verwendung für die CO₂-Nutzung die beste? Sollte man die Energie nicht lieber in Pumpspeicherwerken oder anderweitig zwischenlagern? Außerdem verschwindet der Kohlenstoff ja auch nicht dauerhaft aus der Atmosphäre: Kraftstoffe werden rasch wieder verbrannt, und Kunststoffe eignen sich noch am besten als CO₂-Deponie, wenn sie als Baumaterial eingesetzt werden. Häuser halten nun mal länger als Matratzen.

Der Traum, es der Natur gleichzutun und aus einfachsten Rohstoffen mit sauberer Energie das Lebensnotwendige herzustellen – was bleibt von ihm? Welchen Sinn ergibt es, den Kohlenstoff aus seinem Verlies zu befreien? Immerhin: Jedes C, das dem CO₂ entrungen wird, muss nicht aus Öl oder Kohle gewonnen werden. Das spart Rohstoffe und hilft beim Ausstieg aus der Fossilindustrie.

Der größte potenzielle Nutzen liegt aber ganz woanders: Es könnte gelingen, mit Kohlendioxid Kohlendioxid einzusparen. Das klingt paradox, funktioniert in ein paar Fällen aber schon. Etwa in der Schaumstoffproduktion von Bayer: Wird CO₂ als Rohstoff genutzt, müssen weniger Epoxide eingesetzt werden, als wenn der Schaum aus Erdöl hergestellt würde. Weil die Erzeugung dieser Moleküle sehr energieaufwendig ist, spart das Energie und damit CO₂. Kohlendioxid wäre damit nicht mehr bloß ein lästiger Schadstoff, der entschärft werden muss – sondern ein Rohstoff, der eine effizientere Produktion möglich macht.

CO₂-Nutzung kann also auch verhindern, dass manches C überhaupt erst in die Fänge des Sauerstoffs gerät. Und sie kann bereits eingekerkerten Kohlenstoff schneller befreien als die Natur per Fotosynthese – einmal in der Luft, bleibt ein CO₂-Molekül im Schnitt 200 Jahre dort.

So elegant wie das Kunststück des Chlorophylls sind die technischen Verfahren indes nicht. Und C muss überdies mit einem Platz in der Matratze, im Staubsaugergehäuse oder im Kohlefaserbeton vorliebnehmen, während seinen auf natürliche Weise befreiten Elementargenossen viele Wege offenstehen: vom Gras in die Kuh in den Käse, vom Weinblatt in die Traube in den Wein, vom Kraut ins Lamm ins Kotelett – und schließlich in jeden und jede von uns. Ganz so, wie auch Primo Levi seine Geschichte eines C-Atoms enden ließ:

Ein Atom, eben jenes, das uns am Herzen liegt, überschreitet die Schwelle des Darms und dringt in den Blutstrom ein: es wandert, klopft an die Pforte einer Nervenzelle, tritt ein und ersetzt ein anderes Kohlenstoffatom. Diese Zelle gehört zu einem Gehirn, dem meinigen (…). Es ist die Zelle, die in diesem Augenblick, aus einem labyrinthartigen Wirrsal von Ja und Nein heraus, bewirkt, dass meine Hand einen bestimmten Weg auf dem Papier zurücklegt, (…) und sie drückt diesen Punkt aufs Papier: diesen.