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Prof. Dr. Markus Antonietti
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Originalveröffentlichungen

Cui, XJ.; Antonietti, M.; Yu, SH.
Structural effects of iron oxide nanoparticles and iron ions on the hydrothermal carbonization of starch and rice carbohydrates
Yu, SH.; Cui, XJ.; Li, LL.; Li, K.; Yu, B.; Antonietti, M.; Colfen, H.
From starch to metal/carbon hybrid nanostructures: Hydrothermal metal-catalyzed carbonization

Chemie . Materialwissenschaften

Zauberkohle aus dem Dampfkochtopf

Max-Planck-Wissenschaftler stellt Prozess vor, mit dem sich feuchte Biomasse zu Kohle verdichten lässt / Neue MaxPlanckForschung erschienen

9. Oktober 2006

Stroh, Holz, feuchtes Gras oder Laub über Nacht in Kohle umzuwandeln - das erinnert zunächst an den Stein der Weisen, mit dem die Alchemisten des Mittelalters mindere Stoffe zu Gold machen wollten. Doch es funktioniert tatsächlich: Markus Antonietti, Direktor am Potsdamer Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, hat ein Verfahren vorgestellt, mit dem sich pflanzliche Biomasse ohne Umwege und komplizierte Zwischenschritte weitgehend vollständig in Kohlenstoff und Wasser umarbeiten lässt. Das Verfahren - "hydrothermale Karbonisierung" genannt - könnte eine einfache Lösung zum Umgang mit dem CO2-Problem darstellen. Darüber berichtet die neueste Ausgabe des Wissenschaftsmagazins MaxPlanckForschung (2/2006).
Der Erfolg liegt auf der Hand: Füllt man Biomasse, zum Beispiel Grünzeug, in ein Druckgefäß, gibt ein paar Brösel Katalysator dazu und erhitzt das Ganze unter Luftabschluss auf 180 Grad, erhält man nach zwölf Stunden das schwarze Pulver aus Kohle-Nanokügelchen. Bild vergrößern
Der Erfolg liegt auf der Hand: Füllt man Biomasse, zum Beispiel Grünzeug, in ein Druckgefäß, gibt ein paar Brösel Katalysator dazu und erhitzt das Ganze unter Luftabschluss auf 180 Grad, erhält man nach zwölf Stunden das schwarze Pulver aus Kohle-Nanokügelchen. [weniger]

Der Kohlenmeiler funktioniert im Prinzip wie ein Dampfkochtopf, nur eben bei höheren Temperaturen. Und das Kochrezept für Kohle ist verblüffend einfach: Das Druckgefäß wird mit beliebigen pflanzlichen Produkten gefüllt, also etwa mit Laub, Stroh, Gras, Holzstückchen oder Pinienzapfen. Dazu kommen noch Wasser und eine Prise Katalysator. Dieser beschleunigt die Aufspaltung der Zuckermoleküle in Kohlenstoff und Wasser um ein Vielfaches, damit der Prozess rascher abläuft als in der Natur.

Dann wird der Topf geschlossen und das Ganze unter Druck und Luftabschluss für zwölf Stunden auf 180 Grad Celsius erhitzt. Nachdem die Mischung abgekühlt ist, wird der Topf geöffnet: Er enthält eine wässrige schwarze Brühe mit feinst verteilten kugelförmigen Kohlepartikeln (Kolloiden). Sämtlicher Kohlenstoff, der in dem Pflanzenmaterial gebunden war, liegt nun in Form dieser Partikel vor - als kleine, poröse Braunkohle-Kügelchen.

Markus Antonietti benutzt diese nanoskopischen Kohlestrukturen zur Lösung materialwissenschaftlicher Fragestellungen, aber er diskutiert wegen der Einfachheit des Verfahrens auch die Vision, die Vorstufen als "Schwarzboden" zur Bodenverbesserung einzusetzen. Kohlendioxid, durch Pflanzen effektiv der Luft entzogen, würde so als Mutterboden langfristig gebunden werden und nebenbei noch die Qualität karger Böden verbessern. Die Zahlen sehen dabei gar nicht so schlecht aus: Jeder Mitteleuropäer muss etwa 1,5 Kubikmeter Kohlenstoff als Mutterboden ausbringen, dann leben wir CO2-neutral. In Anbetracht der rund 50 Millionen Tonnen agroindustrieller Abfälle allein in Deutschland weckt diese Vorstellung durchaus Hoffnung.

Zur Not kann man die Kohle auch verbrennen oder den bekannten industriellen Verwertungsschritten von Braunkohle zuführen, etwa über die Kohleverflüssigung (dem Fischer-Tropsch-Verfahren) in Benzin umwandeln. "Aber dafür ist das Produkt eigentlich zu schade", sagt Antonietti. Interessant erscheinen auch die Zwischenstufen des Prozesses: Da die hydrothermale Karbonisierung nicht schlagartig abläuft, lassen sich während des Kochens bemerkenswerte Zwischenprodukte gewinnen. So findet man schon nach wenigen Minuten in dem Druckgefäß eine Vorstufe von Erdöl, und während einer späteren Phase ist das Kohlepolymer dem Torf oder Humus sehr ähnlich.

Bestechend ist die Tatsache, dass all diese Umwandlungen - geeignet kontrolliert - praktisch ohne Verlust an Kohlenstoff ablaufen, das Verfahren demnach mit hundertprozentiger Kohlenstoff-Effizienz arbeitet. Und dazu kommt noch, dass der Karbonisierungsprozess exotherm funktioniert, also selbst noch die Energie für die Umwandlung und viel mehr erzeugt. Er ist damit vielen anderen Methoden, aus Biomasse Energie zu gewinnen, überlegen und könnte einen Weg zu einer umweltneutraleren Energiewirtschaft eröffnen.

Was in Antoniettis Apparatur geschieht, die Bildung von Braunkohle, läuft auch in der Natur ab, dort allerdings ungleich langsamer, im Verlauf von Tausenden von Jahren bis hin zu Jahrmillionen. Diesen Prozess zu kopieren erforderte zunächst, ihn im Kern zu verstehen, das heißt, auf molekularer Ebene. Der Pionier dieser Arbeiten war der Nobelpreisträger Friedrich Bergius, der schon vor etwa einem Jahrhundert die Umwandlung von Pflanzenmasse untersuchte.

"Wir stehen letztlich auf den Schultern dieses Riesen", sagt Markus Antonietti. Pflanzliche Biomasse besteht aus Kohlenhydraten, also Zuckerbausteinen, die sehr viel Energie enthalten. Schon damals ließ sich zeigen, dass diese Energie ausreicht, auf direktem Weg Wasserstoff, Methan, oder eben Kohle aus dem Pflanzenmaterial herzustellen. "Wir können diesen Prozess heute dank moderner Instrumente nur genauer beschreiben und auch mit Katalysatoren besser lenken", sagt Antonietti. Das Verfahren der hydrothermalen Karbonisierung ist von all diesen Prozessen wohl der einfachste und wurde ausgewählt, weil entsprechende Anlagen dezentral und auch in Entwicklungsländern entstehen könnten.

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Eine ausführliche Version dieses Textes finden Sie im Fokus der neuesten Ausgabe von MaxPlanckForschung. Unter dem Titel "Energie" berichten wir über umweltverträgliche und ressourcenschonende Forschung für die Zukunft: über Fusionskraftwerke, künstliche Fotosynthese und den besten Energiemix. Der Essay "Dem Alter eine neue Zukunft geben" beleuchtet die demografische Entwicklung in Deutschland, die trotz des häufig entworfenen Szenarios einer alternden Gesellschaft keinen Grund für Horrorvisionen bietet, sondern vielfältige Chancen - etwa zur gleichmäßigeren Verteilung der Arbeit über den Lebenslauf. Außerdem finden Sie ein Porträt des Gesellschaftsforschers Jens Beckert, der die Mechanismen des Markts mit den Methoden der Neuen Wirtschaftssoziologie untersucht. Unter dem Titel "Schlafen im Tomografen" lesen Sie eine Reportage darüber, wie das Gehirn im Nachtbetrieb arbeitet. Im Artikel "Wenn Gene fehl am Platz sind" geht es um das Studium der Ursachen geistiger Behinderung, und der Beitrag "Das Weltgedächtnis der Wissenschaft" widmet sich der Frage, wie man die Qualität der Forschung misst.

Dem Heft liegen ein BIOMAX ("Mikroben schachmatt gesetzt" - Forscher rüsten Tuberkulose-Impfstoff nach) sowie ein TECHMAX ("Wunderlampe aus dem Quantenland" - wie der Laser zur Alltagstechnik wird) bei.

MaxPlanckForschung erscheint viermal im Jahr. Das Wissenschaftsmagazin kann bei der Pressestelle der Max-Planck-Gesellschaft oder über unser Webformular abonniert werden. Der Bezug ist kostenfrei.

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Bitte beachten Sie: Diese Presseinformation wurde aktualisiert und ersetzt die Version vom 12. Juli 2006!

 
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