Nobelpreisträger Susumu Kitagawa: Wie Luft zur Goldmine der Zukunft werden kann

KI-generiertes Bild eines metall-organischen Gerüsts (MOF).

Gerüststrukturen mit der Oberfläche eines Fußballfelds

MOFs entstehen, wenn Metallionen mit organischen „Verbindern“ zu einem riesigen, oft dreidimensionalen Kristallgitter verknüpft werden. In diesem Gitter befinden sich zahllose Poren, in denen Gasmoleküle eingefangen werden können. Das Ergebnis sind extrem poröse Materialien, die Gase aufnehmen und speichern können. Ein Gramm MOF kann, so betont Kitagawa, eine innere Oberfläche von der Größe eines kompletten Fußballfelds besitzen.

Rohstoffe aus der Luft statt aus dem Boden

Auf dem 10. EuChemS Chemistry Congress in Antwerpen wies Kitagawa darauf hin, dass wir feste Stoffe und Flüssigkeiten inzwischen recht gut beherrschen, Gase jedoch nach wie vor schwierig sind. Mit Materialien wie MOFs können wir seiner Ansicht nach direkt aus der Luft Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff als Rohstoff für die Industrie gewinnen. Das würde allen Ländern Zugang zu denselben Quellen verschaffen – ohne Druck auf knappe Ressourcen wie Süßwasser.

Stickstoff kennen wir schon, jetzt fehlt noch nachhaltiger Wasserstoff

Stickstoff aus der Luft nutzen wir bereits, etwa im Haber-Bosch-Verfahren zur Herstellung von Düngemitteln. Die Schwachstelle ist der Wasserstoff, der derzeit vor allem aus Erdgas und Erdöl stammt. Kitagawa erwartet, dass wir Wasserstoff in Zukunft erzeugen können, indem wir Wasserdampf aus der Luft einfangen und in Wasserstoff und Sauerstoff spalten. Dieser Wasserstoff kann dann nicht nur mit Stickstoff zu Düngemitteln und anderen Chemikalien reagieren, sondern auch als Rohstoff für synthetische Kraftstoffe über Fischer–Tropsch-Verfahren dienen.

Kraftstoffe aus Kohlendioxid und Wasserstoff aufbauen

In einer solchen zukünftigen Chemie wird CO₂ aus der Luft zunächst mit Wasserstoff über die umgekehrte Wassergas-Shift-Reaktion in ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasser umgewandelt. Nach Trocknung und Zugabe von weiterem Wasserstoff entsteht Synthesegas (Syngas), das über metallische Katalysatoren in flüssige Kohlenwasserstoffe umgewandelt werden kann: Kraftstoffe und chemische Bausteine, hergestellt aus Luft statt aus Erdöl.

Langfristige Vision trifft auf kurzsichtige Politik

Die Wissenschaft ist im Großen und Ganzen vorhanden, sagt Kitagawa, doch die Politik blickt selten weiter als ein paar Jahre voraus. Sein Traum, das „unsichtbare Gold“ innerhalb von fünfzig Jahren im großen Maßstab zu fördern, erfordert enorme Investitionen und einen klaren langfristigen Blick. Gerade deshalb, so berichtet er, nutzte er seinen Plenarvortrag, um junge Forschende zu inspirieren und zu mobilisieren.

Eine verdünnte Molekülwirtschaft ist zäh

Der Übergang zu einer „verdünnten Molekülwirtschaft“ ist allerdings technisch anspruchsvoll. Kohlendioxid macht nur etwa 0,04 % der Atmosphäre aus; seine direkte Abscheidung aus der Luft ist derzeit sehr energie- und kostenintensiv. Kitagawa ist überzeugt, dass neue, noch selektivere poröse Materialien diese Gasabtrennung deutlich effizienter und günstiger machen können.

Intelligente, weiche MOFs, die mitgehen und selektieren

Seine Forschungsgruppe entwickelt dafür weiche, poröse MOFs. Einige davon sind sehr flexibel und können ihr Volumen nahezu verdoppeln, wenn sie Gastmoleküle aufnehmen – das macht sie interessant für mechanische Anwendungen wie Aktuatoren. Andere Strukturen ändern ihre Größe kaum, ordnen aber lokal ihre organischen Liganden um und eignen sich dadurch hervorragend für die gezielte Trennung von Gasen. Diese Materialien sind wesentlich robuster als ältere Varianten und können viele Zyklen von Adsorption und Desorption überstehen.

Wasser draußen halten, CO₂ hineinholen

Eine zusätzliche Herausforderung besteht darin, dass sowohl Abgase als auch Umgebungsluft Wasserdampf enthalten, der die selektive Aufnahme von CO₂ stört. Kitagawas Team hat daher MOFs mit hydrophoben Poren entwickelt. Wasser wird abgestoßen, während Kohlendioxid gezielt angezogen und festgehalten wird – ein entscheidender Schritt hin zu einer effizienten CO₂-Abscheidung aus realen, feuchten Gasströmen.

Ein visionärer Fahrplan für die Chemie von morgen

Gill Reid, ehemalige Präsidentin der Royal Society of Chemistry und Expertin für Koordinationschemie, nennt Kitagawas Idee ein außergewöhnliches Zukunftsbild. Seine Reise von der Entdeckung von Koordinationskomplexen mit molekularen „Löchern“ bis hin zum gezielten Design dynamischer Strukturen, die Gase wie Methan und Kohlendioxid mit hoher Präzision aufnehmen und wieder abgeben können, beschreibt sie als tief inspirierend – ein Vorgeschmack auf eine Chemie, die die Luft selbst als Mine nutzt.

Quelle: ChemistryWorld​
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