Interview mit Prof. Wolfgang Lubitz für die GDNÄ
Prof. Wolfgang Lubitz, Direktor Emeritus am Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr (MPI CEC), spricht in einem Interview für die Gesellschaft Deutscher Naturforscher und Ärzte e. V. (GDNÄ) über seine Forschung, die Schlüsselrolle von Katalysatoren und sein Selbstverständnis als Wissenschaftler. Lubitz ist seit vielen Jahren GDNÄ-Mitglied und seit 2017 auch Mitglied des Vorstandsrats. Ihm sind wichtig der „Dialog mit der Öffentlichkeit, aber auch der interdisziplinäre Dialog zwischen den wissenschaftlichen Disziplinen“. Er sieht dort noch viel Verbesserungspotenzial.
Wolfgang Lubitz, CEC – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify
„Was mir auch am Herzen liegt, ist mehr Verständnis für die Methodik der Wissenschaft. Ihre Ergebnisse entwickeln sich in sorgfältig geplanten und durchgeführten Experimenten, die oft fehlerbehaftet sind und mehrfach validiert werden müssen, bis ein zuverlässiges Ergebnis vorliegt. Auf Knopfdruck funktioniert das alles nicht, es braucht seine Zeit. Dafür ein Bewusstsein zu schaffen und Vertrauen in die Wissenschaft aufzubauen, dazu trage ich gerne bei – zusammen mit der GDNÄ.“
Um diese Botschaft zu verbreiten, braucht es Wissenschaftler die gut kommunizieren und über ihre Arbeit sprechen können. Ohne Wissenschaft und Forschung und die technische Umsetzung ihrer Ergebnisse sähe das moderne Leben ganz anders aus. Telekommunikation, Antibiotika, Impfstoffe, nachhaltige Energienutzung, all das wäre nicht Teil unserer Welt, wenn es keine Wissenschaftler gäbe. Für Lubitz steht fest: „Wissenschaftler verändern die Welt.“
Im Interview spricht Lubitz auch über seine Forschung am MPI CEC zur effizienten Energiespeicherung in chemischen Verbindungen: „Ein perfekter Katalysator, der alle Ansprüche bezüglich Effizienz, Stabilität, Skalierbarkeit, Umweltfreundlichkeit, Materialverfügbarkeit und Preis erfüllt und sich in der Praxis bewährt hat“, sei leider noch nicht gefunden, so der ehemalige Direktor der Abteilung Biophysikalische Chemie. „Es bleibt damit noch viel Raum für gute Ideen und Entwicklungen auf diesem heißen Forschungsgebiet.“
Lubitz: Mit grünem Wasserstoff in eine saubere Zukunft
Ein wichtiger Baustein für die Energiewende ist eine nachhaltige Energiespeicherung. „Das große Vorbild dafür ist die natürliche Photosynthese, bei der Sonnenenergie umgewandelt und gespeichert wird, auch wenn von der einfallenden, reichlich vorhandenen Sonnenenergie viel verloren geht.“ Die Menschheit verdanke der Photosynthese ihre gesamte Nahrung, alle nachwachsenden Rohstoffe und fossilen Brennstoffe.
Ein zentraler Schritt in der Photosynthese ist die lichtinduzierte Spaltung des Wassers, wobei Sauerstoff als Abfallprodukt entsteht. Dieser hat zur Ausbildung der sauerstoffreichen Erdatmosphäre und auch der schützenden Ozonschicht in der Stratosphäre geführt und damit die Voraussetzung zur Entstehung höheren Lebens auf unserem Planeten geschaffen. Durch die Photosynthese werden enorme Mengen von Kohlendioxid aus der Luft aufgenommen und in Kohlenhydrate umgewandelt, in denen letztlich die Sonnenenergie gespeichert ist. Speicherung in chemischen Verbindungen – in Brennstoffen – ist bei weitem die effizienteste Speicherform für Energie.
Zwar liefern Sonne und Wind prinzipiell mehr als genug saubere Energie, um den weltweiten Bedarf zu decken, aber dort wo sie gebraucht werden, steht diese nicht immer in ausreichender Menge zur Verfügung. „Daher,“ so Lubitz, „suchen wir an unserem Institut nach Wegen, wie man Energie effizient in speicherbare, nutzbare und über weite Strecken transportfähige Formen umwandeln kann. Die künstliche Photosynthese ist eine Möglichkeit, die von uns und vielen anderen Arbeitsgruppen intensiv erforscht wird.“
Schlüsselstellung für die Enzyme Wasseroxidase und die Hydrogenasen
Inzwischen hat die Wissenschaft eine ziemlich genaue Vorstellung davon, wie die natürliche Photosynthese funktioniert. Diese Erkenntnisse sind unter anderem wichtig, um eine effiziente Spaltung von Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff im Labor zu realisieren. Eine Schlüsselstellung nehmen dabei die notwendigen Katalysatoren ein: In der Natur sind das die Enzyme Wasseroxidase und die Hydrogenasen.
Natürlich vorkommende Enzyme enthalten häufig vorkommende und preiswerte Metalle wie Mangan, Eisen und Nickel. Für den chemisch-technischen Einsatz jedoch werden heute fast ausschließlich Edelmetalle wie Platin als Katalysatoren eingesetzt, die sehr gut funktionieren, deren Vorkommen aber leider begrenzt sind. Dem Vorbild der Natur folgend wird daher nach neuen Metall-Katalysatoren gesucht, um die künftige Erzeugung von Wasserstoff im großen Maßstab ebenso effizient wie umweltfreundlich zu machen. Das Ziel ist also der sogenannte grüne Wasserstoff, der nicht nur für die Energieversorgung der Zukunft eine zentrale Rolle spielt, sondern auch als einer der wichtigsten Grundstoffe in der Industrie.
Auf dem Weg zur technischen Umsetzung seien bereits beachtliche Erfolge erzielt worden, sagt Lubitz: „Katalytische Wasseroxidation und Wasserstofferzeugung sind weltweit sehr intensiv bearbeitete Forschungsgebiete. Doch den perfekten Katalysator, der alle Ansprüche bezüglich Effizienz, Stabilität, Skalierbarkeit, Umweltfreundlichkeit, Materialverfügbarkeit und Preis erfüllt und sich in der Praxis bewährt hat, gibt es bisher noch nicht. Es bleibt noch viel Raum für gute Ideen und Entwicklungen auf diesem heißen Forschungsgebiet.“
Fortschritte bei EE, Problem Speicherung
Mit Blick auf eine künftige Wasserstoffwirtschaft hebt Wolfgang Lubitz die Technologien zur Erzeugung von regenerativem Strom hervor. Etwa die Photovoltaik (PV), die heute Wirkungsgrade um die 25 Prozent für Siliziumzellen und mehr als 45 Prozent für komplexere PV-Zellen erziele. Ein Problem bleibe die Speicherung. Batterien seien gesellschaftlich zwar weithin akzeptiert, beispielsweise in der Elektromobilität, aber sie seien nicht sehr effizient und auch nicht umweltfreundlich. Lubitz: „Wasserstoff kann ein Vielfaches an Energie speichern und bei seiner Verbrennung entsteht ausschließlich Wasser. Er eignet sich für die großtechnische Nutzung und bildet eine sehr gute Brücke vom fossilen in ein nachhaltiges Energiezeitalter.“
Mit Blick auf die Energiewende ist Wolfgang Lubitz auch die gesellschaftliche Diskussion über die Tragweite wissenschaftlicher Erkenntnisse wichtig. Oft führten diese zu historischen Umwälzungen, so bei der Entdeckung der Uranspaltung und ihre Folgen in Gestalt der Atombombe und der Kernkraft. Unser modernes Leben sei von Forschung und Technik geprägt – ohne sie gäbe es weder Internet noch moderne Telekommunikation, keine Antibiotika und Impfstoffe und keinerlei Erkenntnisse zum Umwelt- und Klimaschutz oder zu erneuerbaren Energien.
Im Wortlaut: Eine nachhaltige Energieversorgung für die Menschheit – diesem visionären Ziel dient die Forschung des Max-Planck-Wissenschaftlers Wolfgang Lubitz – Interview für die für die GDNÄ
Herr Professor Lubitz, Sie sind Direktor emeritus am Mülheimer Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion. Wie können wir uns Ihren Alltag derzeit vorstellen?
Ich bin noch oft im Institut, arbeite derzeit aber auch viel von zu Hause aus. Im Großen und Ganzen geht es darum, meine Forschungsprojekte allmählich abzuschließen. Ich bin jetzt seit fast vier Jahren emeritiert und will mehr Freiraum für anderes schaffen. Aktuell erledige ich die letzten Korrekturen an einem Buchkapitel.
Um welches Thema geht es?
Das Buch behandelt die chemische Energiespeicherung und ich beschreibe in einem Kapitel, wie in der Natur Sonnenenergie durch die Photosynthese umgewandelt und gespeichert wird.
Warum ist dieser Prozess so interessant für Sie?
Er ist das große Vorbild für eine nachhaltige Energiespeicherung – auch wenn von der einfallenden, reichlich vorhandenen Sonnenenergie viel verloren geht. An dieser Stelle möchte ich ein wenig ausholen, um die Zusammenhänge zu verdeutlichen: Wir verdanken der Photosynthese unsere gesamte Nahrung, alle nachwachsenden Rohstoffe und fossilen Brennstoffe auf der Erde. Ein zentraler Schritt in der Photosynthese ist die lichtinduzierte Spaltung des Wassers, wobei Sauerstoff als Abfallprodukt entsteht. Dieser hat zur Ausbildung unserer sauerstoffreichen Erdatmosphäre und auch der uns schützenden Ozonschicht in der Stratosphäre geführt und damit die Voraussetzung zur Entstehung höheren Lebens auf unserem Planeten geschaffen. Durch die Photosynthese werden enorme Mengen von Kohlendioxid aus der Luft aufgenommen und in Kohlenhydrate umgewandelt, in denen letztlich die Sonnenenergie gespeichert ist. Speicherung in chemischen Verbindungen – in Brennstoffen – ist bei weitem die effizienteste Speicherform für Energie.
Soweit die Biochemie. Wie kommen wir nun zur technischen Nutzung?
Die Idee ist, solche Verfahren zu verwenden, um zum Beispiel regenerativ erzeugten Strom zu speichern und über weite Strecken zu transportieren. Sonne und Wind liefern ja im Prinzip mehr als genug saubere Energie, um den weltweiten Bedarf zu decken, aber dort wo sie gebraucht werden, steht diese nicht immer in ausreichender Menge zur Verfügung. Daher suchen wir an unserem Institut nach Wegen, wie man Energie effizient in speicherbare und nutzbare Formen umwandeln kann. Die künstliche Photosynthese ist eine Möglichkeit, die von uns und vielen anderen Arbeitsgruppen intensiv erforscht wird.
Wie weit sind Sie?
Inzwischen haben wir eine ziemlich genaue Vorstellung davon, wie die natürliche Photosynthese funktioniert. Diese Erkenntnisse sind unter anderem wichtig, um eine effiziente Spaltung von Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff im Labor zu realisieren. Eine Schlüsselstellung nehmen dabei die notwendigen Katalysatoren ein: In der Natur sind das die Enzyme Wasseroxidase und die Hydrogenasen. Im Groben ist die Photosynthese vielen noch aus dem Schulunterricht bekannt, in unserer Forschung geht es um die Feinheiten.
Haben Sie ein Beispiel für uns?
Die Natur verwendet für ihre Reaktionen Enzyme, die häufig vorkommende und preiswerte Metalle wie Mangan, Eisen und Nickel enthalten. Für den chemisch-technischen Einsatz jedoch werden heute fast ausschließlich Edelmetalle wie Platin als Katalysatoren eingesetzt, die sehr gut funktionieren, deren Vorkommen aber leider begrenzt sind. Dem Vorbild der Natur folgend suchen wir daher nach neuen Metall-Katalysatoren, um die künftige Erzeugung von Wasserstoff im großen Maßstab ebenso effizient wie umweltfreundlich zu machen. Das Ziel ist also der sogenannte grüne Wasserstoff, der nicht nur für die Energieversorgung der Zukunft eine zentrale Rolle spielt, sondern auch als einer der wichtigsten Grundstoffe in der Industrie.
Gibt es bereits Ergebnisse?
Katalytische Wasseroxidation und Wasserstofferzeugung sind weltweit sehr intensiv bearbeitete Forschungsgebiete, und es wurden in den letzten Jahren beachtliche Erfolge erzielt. Ein perfekter Katalysator, der alle Ansprüche bezüglich Effizienz, Stabilität, Skalierbarkeit, Umweltfreundlichkeit, Materialverfügbarkeit und Preis erfüllt und sich in der Praxis bewährt hat, existiert bisher allerdings noch nicht. Es bleibt damit noch viel Raum für gute Ideen und Entwicklungen auf diesem heißen Forschungsgebiet.
Ein heißes Thema ist derzeit die gesamte Wasserstoffwirtschaft. Welche Chancen räumen Sie ihr ein?
Wir sind inzwischen sehr gut darin, regenerativen Strom zu erzeugen, etwa mithilfe der Photovoltaik (PV), die heute Wirkungsgrade um die 25 Prozent für Siliziumzellen und mehr als 45 Prozent für komplexere PV-Zellen erzielt. Ein Problem bleibt die Speicherung. Batterien sind gesellschaftlich zwar weithin akzeptiert, beispielsweise in der Elektromobilität, aber sie sind nicht sehr effizient und auch nicht umweltfreundlich. Wasserstoff kann ein Vielfaches an Energie speichern und bei seiner Verbrennung entsteht ausschließlich Wasser. Er eignet sich für die großtechnische Nutzung und bildet eine sehr gute Brücke vom fossilen in ein nachhaltiges Energiezeitalter.
Ihre Forschung in diesem spannenden Bereich läuft, wie Sie sagten, allmählich aus. Heißt das, Sie haben künftig mehr Zeit für die GDNÄ?
Ja, und darauf freue ich mich. Als Mitglied des Vorstandsrats arbeite ich zum Beispiel sehr gern an der Vorbereitung der 200-Jahr-Feier mit, die 2022 in Leipzig stattfinden soll. Da werden gerade tolle Ideen zusammengetragen. Ich will noch nicht zu viel verraten, aber die Vorträge und Diskussionen werden im attraktiven Kongresszentrum der Messestadt und das Rahmenprogramm zum Teil im berühmten Leipziger Zoo stattfinden. Es gibt ein Schüler- und Besuchsprogramm und viele hochinteressante Vorträge aus unterschiedlichen Disziplinen. Für den Nobelpreisträgervortrag haben wir Reinhard Genzel eingeladen, der das gigantische Schwarze Loch im Herzen unserer Milchstraße entdeckt hat.
Gegründet 1822 in Leipzig hat die GDNÄ eine lange Tradition. Was bedeutet sie Ihnen?
Sehr viel. Für die deutsche Wissenschaft hat die GDNÄ Großartiges geleistet. Auf ihren Versammlungen wurden bedeutende naturwissenschaftliche Erkenntnisse vorgestellt und debattiert; es gab viele Auseinandersetzungen, aber auch Konsens. Die GDNÄ hat die gesamte Ära der Industrialisierung begleitet und maßgeblich dazu beigetragen, dass die Öffentlichkeit neue Forschungsergebnisse kennenlernte und annahm. Eine Zäsur war die NS-Zeit. Was diese Jahre für die GDNÄ bedeuteten, sollte meiner Ansicht nach näher beleuchtet werden. Das Jubiläum im kommenden Jahr wäre dazu ein geeigneter Anlass.Welche Zukunft sehen Sie für die GDNÄ?Es warten große Aufgaben auf sie. Da ist zum einen der immens wichtige Dialog mit der Öffentlichkeit, aber auch der interdisziplinäre Dialog zwischen den wissenschaftlichen Disziplinen, an dem es in Deutschland immer noch hapert. Die Fördermittelgeber fordern das verstärkt, und da könnte die GDNÄ wichtige Anstöße liefern. Ein weiterer Punkt ist die Zusammenarbeit mit Schulen. Meiner Erfahrung nach wächst das Interesse an Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik, denn viele junge Leute erkennen, wie wichtig diese Fächer für die Zukunft sind. Die GDNÄ engagiert sich hier bereits mit ihrem Schülerprogramm. In Kooperation mit anderen wissenschaftlichen Gesellschaften könnten wir aber noch deutlich mehr tun.
Ein großes Programm, das Sie da skizzieren…
…Moment, bitte, ich bin noch nicht fertig. Ich würde mir auch wünschen, dass die GDNÄ die mögliche Tragweite wissenschaftlicher Erkenntnisse verstärkt zur Sprache bringt. Oft führten diese zu historischen Umwälzungen, denken wir nur an die Entdeckung der Uranspaltung und ihre Folgen in Gestalt der Atombombe und der Kernkraft. Unser ganzes modernes Leben ist von Forschung und Technik geprägt – ohne sie gäbe es weder Internet noch moderne Telekommunikation, keine Antibiotika und Impfstoffe und keinerlei Erkenntnisse zum Umwelt- und Klimaschutz oder zu erneuerbaren Energien. Es ist also nicht vermessen zu sagen: Wissenschaftler verändern die Welt. Was mir auch am Herzen liegt, ist mehr Verständnis für die Methodik der Wissenschaft. Ihre Ergebnisse entwickeln sich in sorgfältig geplanten und durchgeführten Experimenten, die oft fehlerbehaftet sind und mehrfach validiert werden müssen, bis ein zuverlässiges Ergebnis vorliegt. Auf Knopfdruck funktioniert das alles nicht, es braucht seine Zeit. Dafür ein Bewusstsein zu schaffen und Vertrauen in die Wissenschaft aufzubauen, dazu trage ich gerne bei – zusammen mit der GDNÄ.
Das Interview führte Prof. Dr. Michael Dröscher Schatzmeister und Generalsekretär der Gesellschaft deutscher Naturforscher und Ärzte e. V.
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