Solarforscherin entwickelt klimaneutrales Herstellungsverfahren für Düngemittel
Schnell und zielsicher bewegen sich die Finger von Dorottya Gúban über ihre Versuchsanlage. Sie stellt noch einige Parameter ein, dann startet sie den Infrarot-Ofen und heizt das von ihr entwickelte Redox-Material auf bis zu 800 Grad Celsius. Eine von unzähligen Versuchsreihen, mit denen die promovierte Chemie-Ingenieurin ein geeignetes Verfahren entwickelt, mit dem Düngemittel nachhaltig aus Sonne, Luft und Wasser hergestellt werden können, wie das Deutsche Luft- und Raumfahrt-Zentrum am 14.11.2018 mitteilte.
– Foto © Gerhard Hofmann für Solarify
Zwei bis drei Prozent des weltweiten Energiebedarfs und damit ein entsprechend hoher Kohlendioxidausstoß gehen auf die Produktion von Stickstoff-Düngemitteln zurück. Ziel von Dorottya Gúbans Arbeit im Projekt DüSol (solare Düngemittelproduktion) ist die nachhaltige Herstellung von Stickstoff-Düngemitteln.“Über 90 Prozent der weltweit eingesetzten Düngemittel sind Stickstoffdünger. Wenn wir den Grundstoff – Ammoniak – nachhaltig gewinnen, können wir den Ausstoß umweltschädlicher Klimagase in die Atmosphäre deutlich verringern“, sagt die Wissenschaftlerin.
Ginge es nach ihr, dann sollten in der Landwirtschaft vor allem organische Düngemittel pfanzlichen oder tierischen Ursprungs eingesetzt werden. Aber sie ist realistisch: „Weltweit kommen wir an industriell hergestellten chemischen Düngemitteln nicht vorbei.“
Bereits heute ernährt sich rund ein Drittel der Weltbevölkerung von Nahrungsmitteln, die mit Hilfe von Kunstdünger produziert werden, vor allem in dicht bevölkerten Staaten mit knappen Agrarflächen spielen sie eine große Rolle. Experten gehen davon aus, dass ihre Bedeutung für eine sichere Ernährung der Menschheit in Zukunft weiter ansteigen wird. „Ein klimaneutrales Herstellungsverfahren dieser Düngemittel ist daher ein wichtiger Beitrag zur Lösung unserer Klimaprobleme.“
Stickstoff und Wasserstoff aus Sonnenenergie
Grundstoff für alle Stickstoffdünger ist Ammoniak (NH3), der sich aus Wasserstoff- und Stickstoffatomen zusammensetzt. Die beiden Elemente können seit über einhundert Jahren mit dem Haber-Bosch-Verfahren zusammengeführt werden. Das Ziel von Dorottya Gúban und ihrem Team ist es, die dafür benötigten Elemente Wasserstoff und Stickstoff mit Hilfe von Sonnenenergie herzustellen.
Hier liegt ein großes Einsparpotenzial für klimaschädliche Gase, denn bislang verbraucht die Düngemittelindustrie dafür große Mengen an fossilem Erdgas (CH4). Während Wissenschaftler bereits in vielen Forschungsprojekten, zum Beispiel den vier HYDROSOL-Projekten, daran arbeiten, Wasserstoff nachhaltig zu gewinnen, ist der solarthermische Prozess zur Produktion von Stickstoff ein noch sehr junges Forschungsfeld.
Das Projekt DüSol verfolgt die Idee, den Stickstoff mit Hilfe von Sonnenenergie aus der Luft zu holen, wo er mit über 78 Prozent reichlich vorhanden ist. Dabei sollen die Sauerstoffmoleküle, die fast 21 Prozent unserer Atmosphäre ausmachen, durch einen thermochemischen Kreisprozess vom Stickstoff abgetrennt werden.
Ihr Engagement für erneuerbare Energien erklärt die ungarische Chemie-Ingenieurin unter anderem mit ihrer Kindheit in einem Vorort von Budapest, der von Braunkohlebergwerken umgeben war: „Das hat mich geprägt. Ich glaube schon, dass das ein Grund ist, warum ich heute an umweltfreundlichen Verfahren arbeite.“ Dass die nachhaltige Gewinnung von Stickstoff noch ganz am Anfang steht, stört sie nicht. Sie habe einen langen Atem, sagt sie.
Derzeit erarbeitet Dorottya Gúban die Grundlagen für einen solchen Herstellungsweg und sucht dabei nach dem geeigneten Material. Es soll unter Zufuhr von Wärmeenergie möglichst große Mengen Sauerstoff aus der Luft binden können. Das gelingt mit einem sogenannten Redox-Prozess, der in einem mit Solarenergie betriebenen Reaktor reversibel verläuft: Im ersten Schritt oxidiert das Material, bindet Sauerstoffmoleküle und die Stickstoffmoleküle bleiben als Gas zurück. Im zweiten Schritt wird das Material wieder reduziert, der Sauerstoff freigesetzt und der Reaktor damit wieder „aufgeladen“, so dass der Prozess von Neuem durchgeführt werden kann.
Ein Fleischwolf für die richtige Konsistenz
Ausschlaggebend für ein erfolgreiches Verfahren ist nicht nur die chemische Zusammensetzung des Redox-Materials, für die Reaktionsfähigkeit spielt auch dessen Struktur eine große Rolle. Die besten Ergebnisse erzielt die Wissenschaftlerin, wenn sie aus der knetartigen Redox-Masse ein Granulat aus kleinen, etwa drei Millimeter großen Kügelchen macht. Dann bietet der Werkstoff viel Oberfläche für die Reaktion.
„Man kann ein solches Granulat nicht kaufen, zunächst mussten wir also einen Weg fnden, wie wir es selbst gewinnen können.“ Ein teures Spezialgerät hätte das Budget des Projekts stark strapaziert. Zusammen mit ihrem Kollegen Sebastian Richter hat Gúban lieber an einer eigenen Lösung gearbeitet und kurzerhand einen Fleischwolf umfunktioniert: „Zusammen mit der DLR-Werkstatt haben wir passende Aufsätze entwickelt und mit einem 3D-Drucker produziert, damit können wir der knetartigen Paste die richtige Körnung geben und unsere Versuchsmaterialien herstellen. Wenn ich im Labor arbeite, vergehen die Tage sehr schnell“, sagt Gúban.
Das Projekt DüSol wird vom Land Nordrhein-Westfalen durch das Programm „Investitionen in Wachstum und Beschäftigung“ mit Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert. Projektpartner sind die GTT (Gesellschaft für Technische Thermochemie und -physik mbH) und die aixprocess GmbH Die Laufzeit des Projekts beläuft sich auf insgesamt drei Jahre.
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