Die chemische Reaktion, die die Welt ernährt – Daniel D. Dulek

Die ganze Lektion unter: http://ed.ted.com/lessons/the-chemical-reaction-that-feeds-the-world-daniel-d-dulek

Wie können wir Getreide schnell genug anbauen, um die Milliarden Menschen auf der Erde zu ernähren? Durch das Haber-Bosch-Verfahren, das den Stickstoff der Luft in Ammoniak verwandelt, das wiederum im Boden sehr einfach in Nitrat umgewandelt wird, das Pflanzen zum Überleben benötigen. Das Haber-Bosch-Verfahren hat zwar das weltweite Nahrungsangebot erhöht, aber auch seinen unverhergesehen Tribut von der Umwelt gefordert. Daniel D. Dulek befasst sich eingehend mit der Chemie und den Konsequenzen.

Lektion von Daniel D. Dulek, Animation von Uphill Downhill.

Was würdest du
als die wichtigste Entdeckung

der letzten Jahrhunderte bezeichnen?

Den Computer? Das Auto? Elektrizität?

Oder die Entdeckung des Atoms?

Ich würde sagen, es ist
die folgende chemische Reaktion:

Ein gasförmiges Stickstoffmolekül

und drei gasförmige
Wasserstoffmoleküle

ergeben zwei gasförmige
Ammoniakmoleküle.

Das ist das Haber-Bosch-Verfahren,

bei dem Stickstoffmoleküle aus der Luft

an Wasserstoffmoleküle gebunden werden,

oder anders gesagt:
Luft wird in Dünger umgewandelt.

Ohne diese Reaktion

könnten Bauern nur genug Nahrungsmittel

für 4 Mrd. Menschen produzieren;

wir haben aber derzeit
7 Milliarden Menschen.

Ohne das Haber-Bosch-Verfahren

hätten also über 3 Milliarden
Menschen nichts zu essen.

Stickstoff ist als Nitrat, NO3,

ein lebenswichtiger Nährstoff
für Pflanzen.

Beim Wachsen verbrauchen
Nutzpflanzen Stickstoff aus dem Boden.

Der Stickstoff kann durch
langwierige natürliche Vorgänge,

wie das Verrotten von Tieren,
wieder aufgefüllt werden.

Aber Menschen wollen Nahrungsmittel

viel schneller anbauen.

Hier nun der frustrierende Teil:

78 % der Luft besteht aus Stickstoff,

aber Feldfrüchte können nicht einfach
Stickstoff aus der Luft aufnehmen,

da dieser sehr starke
Dreifachbindungen besitzt,

die die Feldfrüchte nicht
aufbrechen können.

Im Grunde fand Haber heraus,

wie man den Stickstoff aus der Luft
in den Boden bringt.

Der deutsche Chemiker Fritz Haber

entwickelte 1908 ein chemisches Verfahren,

um die enorme Menge Stickstoff
in der Luft zu nutzen.

Haber fand eine Methode,

die den Stickstoff aus der Luft
an Wasserstoff bindet

und Ammoniak erzeugt.

Ammoniak kann dann
dem Boden zugeführt werden,

wo es schnell in Nitrat umgewandelt wird.

Aber wenn Habers Methode
die Welt ernähren sollte,

musste er einen Weg finden,

schnell und einfach
sehr viel Ammoniak herzustellen.

Um Habers Meisterleistung zu verstehen,

müssen wir etwas über
das chemische Gleichgewicht wissen.

Ein chemisches Gleichgewicht kann

bei einer Reaktion in einem
geschlossenen Gefäß erreicht werden.

Wir geben zum Beispiel

Wasserstoff und Stickstoff
in ein geschlossenes Gefäß

und lassen sie miteinander reagieren.

Am Anfang des Experiments

haben wir sehr viel
Stickstoff und Wasserstoff,

also bildet sich Ammoniak sehr schnell.

Aber während Wasserstoff
und Stickstoff reagieren

und dabei aufgebraucht werden,

wird die Reaktion langsamer,

da immer weniger Stickstoff
und Wasserstoff im Gefäß sind.

Irgendwann fangen
die Ammoniakmoleküle schließlich an,

wieder zurück in Stickstoff
und Wasserstoff zu zerfallen.

Nach einer Weile erreichen
die beiden Reaktionen

-- Bildung und Zerfall von Ammoniak --

die gleiche Geschwindigkeit.

Genau dann sagt man,

dass die Reaktion
ihr Gleichgewicht erreicht hat.

Das ist aber nicht so gut,

wenn man eine Tonne
Ammoniak herstellen möchte.

Haber wollte natürlich nicht,
dass Ammoniak zerfällt.

Aber wenn die Reaktion
in dem geschlossenen Gefäß bleibt,

dann passiert das.

Hier kann Henry Le Chatelier,

ein französischer Chemiker, helfen.

Er fand heraus:

Wenn man einem System im Gleichgewicht

etwas hinzufügt, wie
zum Beispiel Stickstoff,

versucht das System, wieder
ins Gleichgewicht zu gelangen.

Le Chatelier fand auch heraus:

Wenn man den Druck auf ein System erhöht,

dann versucht das System,

den ursprünglichen Druck
wiederherzustellen.

Es ist wie in einem überfüllten Raum.

Je mehr Moleküle, umso höher der Druck.

Schauen wir zurück auf unsere Gleichung,

sehen wir, dass sich links
vier Moleküle befinden

und rechts nur zwei.

Wenn der Raum weniger voll

und damit weniger Druck
vorhanden sein soll,

wird das System anfangen,

Stickstoff und Wasserstoff
miteinander zu verbinden,

um die kompakteren
Ammoniakmoleküle herzustellen.

Haber erkannte: Um große Mengen
an Ammoniak herstellen zu können,

müsste er eine Maschine erfinden,

die beständig Stickstoff
und Wasserstoff zuführt

und zugleich den Druck
auf das Gleichgewicht erhöht.

Und genau das tat er.

Heute ist Ammoniak

eine der meistproduzierten
Chemikalien in der Welt.

Jährlich werden ungefähr
131 Millionen Tonnen produziert,

was etwa 290 Milliarden Pfund
Ammoniak entspricht.

Das entspricht etwa 30 Millionen
Afrikanischen Elefanten,

von denen jeder ungefähr
10 000 Pfund wiegt.

80 % dieses Ammoniaks wird
in der Düngemittlelproduktion genutzt,

und der Rest in Industrie-
und Haushaltsreinigern

sowie zur Produktion anderer
stickstoffhaltiger Substanzen,

wie Salpetersäure.

Laut neuesten Studien

wird die Hälfte des Stickstoffs
in diesen Düngern

nicht von Pflanzen aufgenommen.

Dies bedeutet, dass Stickstoff
als flüchtige Chemikalie

im Wasservorrat und
in der Atmosphäre der Erde vorkommt,

wo es unsere Umwelt stark schädigt.

Natürlich konnte Haber dieses
Problem nicht vorhersehen,

als er seine Erfindung vorführte.

Seinem Pioniergeist folgend suchen
Wissenschaftler heutzutage

nach einem neuen Haber-Bosch-
Verfahren des 21. Jahrhunderts,

das uns in gleichem Maße helfen soll,

aber ohne die gefährlichen Konsequenzen.