Ertl / Soentgen N

Stickstoff - ein Element schreibt Weltgeschichte
1. Auflage 2015
ISBN: 978-3-86581-949-9
Verlag: oekom
Format: PDF
Kopierschutz: 0 - No protection

E-Book, Deutsch, Band 9, 272 Seiten

Reihe: Stoffgeschichten

Er ist häufig und knapp zugleich: Mit jedem Atemzug gelangt er in unsere Lungen und doch begrenzte er lange Zeit das pflanzliche Wachstum und hielt so die Zahl der Menschen auf niedrigem Niveau. Es dauerte bis zum Vorabend des Ersten Weltkrieges, ehe sich die Menschheit aus der Stickstofffalle befreien konnte. Fritz Haber und Carl Bosch erfanden ein Verfahren, mit dessen Hilfe der Stickstoff der Luft gebunden werden konnte, und brachten damit den Kunstdünger in die Welt. Was als Siegeszug begann, endete Jahre spatter allerdings in einer wahren Stickstoffflut, die
bis heute Gewässer umkippen lässt, den Klimawandel befeuert und in Form von Nitrat im Trinkwasser auftaucht.
Der neueste Band der Stoffgeschichten gibt dem gleichermaßen unsichtbaren wie unterschätzten Stoff ein Gesicht, indem er seine Geschichte erzählt und die Umweltprobleme diskutiert, die er heute mit sich bringt.

Autoren/Hrsg.

Ertl, Gerhard

Soentgen, Jens

Inhaltsverzeichnis

1;Stickstoff – ein Elementschreibt Weltgeschichte;1
2;Stoffgeschichten – Band 9;3
3;Inhalt;7
4;Kapitel 1 – Der Stickstoff und das Leben;19
4.1;Primo Levi – Stickstoff;21
4.2;Armin Reller – Im Reich der Sinne;29
4.2.1;Element des Lebens;29
4.2.2;Küchengerüche;32
4.2.3;"Werkstoff" der Moderne;34
4.2.4;Zwischen Heilung und Rausch;35
4.2.5;Zwei letzte Entdeckungen zur Nacht;39
4.2.6;Fazit;40
4.3;Jens Soentgen und Josef Cyrys – Dicke Luft;41
4.3.1;Lungengift und Artenkiller;43
4.4;Achim Müller und Dieter Rehder – Biologische Stickstofffixierung: Grundlagen, Geschichte und Bedeutung;47
4.4.1;Zwei grundsätzliche Wege der Stickstofffixierung;47
4.4.2;Der natürliche Stickstoffkreislauf;48
4.4.3;Aufbau und Funktion der Nitrogenasen;50
4.4.4;Entdeckungsgeschichtliches zu den Nitrogenasen;52
4.5;Jörg Matschullat, Richard Vogt und Martin Wessels – Stickstoff ist grün – Eutrophierung auch;55
4.5.1;Was ist eigentlich Eutrophierung?;56
4.5.2;Eutrophierung der Moderne – eine kurze Bilanz;58
4.5.3;Früher war (auch nicht) alles besser – Paradebeispiel Bodensee;60
4.5.4;Sind eutrophe Seen ein menschengemachtes Phänomen?;64
4.6;Jörg Matschullat und Bianca Fiedler – Die himmlische Stickstoffmaschine;67
4.6.1;Die himmlische Stickstoffmaschine in Aktion;68
4.6.2;LNOx im Labor und in der Natur;68
4.6.3;Paddeltour auf dem Pazifik oder doch lieber nach Zentralafrika?;71
4.6.4;Die himmlische Stickstoffmaschine im Klimawandel;72
5;Kapitel 2 – Salpeter;77
5.1;Jens Soentgen – Die Bluttaufe des Salpeters: Über die vorindustrielle Herstellung einer Machtsubstanz;79
5.1.1;Der "kalte Drache" – Salpeter bei den Alchemisten;87
5.1.2;Der Salpeter in der Französischen Revolution;93
5.2;Rainer Slotta – Chilesalpeter – bis 1913 unersetzlich: Bergbau, Aufbereitung und Export;101
5.2.1;Die Natur des Chilesalpeters und seine chilenischen Lagerstätten;102
5.2.2;Entstehung und Geschichte der chilenischen Salpeterindustrie;103
5.2.3;Der Salpeterkrieg;105
5.2.4;Die weitere Geschichte und Entwicklung der Salpeterindustrie;106
5.2.5;Kunstdünger als Salpeterersatz;107
5.2.6;Bergbau und Aufbereitung des Salpeters;108
5.2.7;Die Arbeitsverhältnisse;111
5.2.8;Zusammenfassung;114
5.3;Helmut Hammerich – "Papa erfindet jetzt zur Abwechslung neue Mordgeschoße …" – Baron Fuchs und die Entwicklung der Brisanzmunition vor dem Ersten Weltkrieg;117
5.3.1;Ausbildung zum Artillerieoffizier und erste Kriegserfahrungen: 1863–1866;120
5.3.2;Auf dem Weg zum Artillerieexperten: 1872–1880;121
5.3.3;Referent in der APK in Berlin 1881–1889: Von der Schießbaumwolle zur Pikrinsäure;122
5.3.4;Die Entwicklungen der Chemie und der Aufstieg der deutschen Artillerie zur kriegsentscheidenden Waffe;135
5.4;Katrin Vogel – Raketen für Regen: Das Boonbangfai-Festival im Nordosten Thailands;138
6;Kapitel 3 – Stickstoff im Überfluss – das Haber-Bosch-Verfahren;147
6.1;Jens Soentgen – Fritz Haber;149
6.2;Gerhard Ertl – Der mühsame Weg zum Haber-Bosch-Prozess und dessen Mechanismus;161
6.2.1;Konkurrenz belebt das Geschäft;162
6.2.2;Schwierigkeiten auf dem Weg zur technischen Produktion;163
6.2.3;Dem Geheimnis auf der Spur;165
6.3;Sabine König – Carl Bosch;169
6.3.1;Der Chemiker Carl Bosch;169
6.3.2;Der Privatmensch Carl Bosch;175
6.3.3;Nobelpreis – Prämierung industrieller Technik;177
6.4;Sandro Fehr – Stickstoff als Schlüsselressource im Ersten Weltkrieg;179
6.4.1;Die Stickstoffindustrie vor dem Ersten Weltkrieg;179
6.4.2;Die deutsche Versorgungskrise nach dem Kriegsbeginn;181
6.4.3;Die Erzeugung von Salpetersäure für die Streitkräfte;182
6.4.4;Die Steigerung der Kalkstickstoffproduktion;184
6.4.5;Der Aufstieg des Haber-Bosch-Verfahrens;185
6.4.6;Die Stickstoffversorgung während des Kriegs;187
6.4.7;Fazit;189
6.5;Frank Uekötter – Fruchtbare Böden: Vom Suchen und Finden des Stickstoffdüngers;191
6.5.1;"In der Chemie habe ich leider in der Schule nicht aufgepaßt.";192
6.5.2;Mehr Klarheit gewünscht;194
6.5.3;Zwischen Revolution und Vertrauenskrise;195
6.5.4;Nitrophoska – Sicherheit frei Haus?;197
6.5.5;Die Düngerfrage wird öffentlich;199
7;Kapitel 4 – Perspektiven;203
7.1;Alexander H. Wissemeier – Können neue, innovative Düngemitteltypen das moderne Stickstoffproblem lösen?;205
7.1.1;Das moderne Stickstoffproblem;205
7.1.2;Düngung im historischen Kontext;207
7.1.3;Ursachen einer geringen pflanzenbaulichen Stickstoffausnutzung;208
7.1.4;Neue Düngemittel zur Minimierung von Stickstoffverlusten;209
7.1.5;Düngemittel mit Ureaseinhibitor;211
7.1.6;Düngemittel mit Nitrifikationsinhibitor;213
7.1.7;Fazit;214
7.2;Hugh S. Gorman – Wie kann der menschliche Anteil am Stickstoffkreislauf begrenzt werden?;217
7.2.1;Die Industrialisierung eines biogeochemischen Prozesses;218
7.2.2;Erste Reaktionen auf Umweltbedenken;225
7.2.3;Die Vorstellung von einem biogeochemischen Kreislauf nimmt Gestalt an;228
7.2.4;Zusammenfassung;233
8;Anhang;237
8.1;Grüner Klee und Dynamit: Der Stickstoff und das Leben – eine interaktive Wanderausstellung über Politik, Technik und Ökologie;239
8.2;Bianca Flock und Hayo Hauptmann – Experimente rund um Stickstoff;241
8.2.1;Dicke Muckis – alles nur Luft? Quarkherstellung;241
8.2.2;Stickoxide im Dieselabgas;243
8.2.3;Spinat niemals aufwärmen?;244
8.2.4;Nitrate in Flüssen und Bächen;246
8.2.5;Nitrate im Flüssigdünger;247
8.2.6;Der brennende Tischtennisball;249
8.3;Zu den Autorinnen und Autoren;257
8.4;Bildnachweis;263

Leseproben

Einleitung

N ist ein bekannter Buchstabe, 96 Prozent der Deutschen kennen ihn. In den Schulbüchern wird N meist mit Nashorn bezeichnet; später beschreibt man ihn oft mit der Wendung »N wie Nordpol«. Jeder hat seine eigene Lerngeschichte mit den schönen Bögen des kleinen n, die den Jungen oft schwer fallen und von den Mädchen mit Lust am Verzieren ausgeschmückt werden. Später verabschieden sich viele wieder vom Buchstaben N, weil er für handschriftliche Notizen entbehrlich scheint, und ziehen an der Stelle des kleinen n einen kühnen Strich.

Für den Chemiker hat N eine besondere Bewandtnis. Hier steht der Name für Nitrogenium. Deutsch: Stickstoff. Das sind zwei seltsame Namen, beide klingen nicht sehr attraktiv. Ein Stoff, der stickt? Das hört sich nicht sehr spannend an. Was hat es mit dem Stickstoff auf sich?

Viele kennen das chinesisch-asiatische Gleichnis von den fünf Blinden, die einen Elefanten untersuchen um herauszufinden, was er ist. Der Blinde, der das Bein befühlt, sagt, dass der Elefant eine Säule sei; der den Schwanz befühlt, dass ein Elefant eine Art Seil sei; der den Rüssel befühlt, dass ein Elefant Ähnlichkeit mit einem Ast habe; der das Ohr befühlt erklärt, dass ein Elefant wie ein Handfächer sein müsse; der den Bauch befühlt meint, dass ein Elefant sich wie eine Wand darstelle; der den Stoßzahn befühlt, ist sicher, dass ein Elefant eine Lanze sein müsse.

Ganz Ähnliches trug sich zu, als die Elemente entdeckt wurden. Denn ein Stoff wie Stickstoff, der den Kreislauf des Lebens von innen her antreibt, steht wie ein gigantischer Elefant in der Natur. Diejenigen Chemiker, die den Stickstoff am Ende des 18. Jahrhunderts isolierten, wussten aber nichts von der enormen biologischen Bedeutung dieser »Luftart«. Sie waren wie jene Blinden. So nahmen sie die erste beste Eigenschaft für das Ganze. Sie sagten: In diesem Zeug, da kann man nicht atmen, eine Maus erstickt darin, nennen wir es also Stickstoff. Oder gar azote – »leblos«, wie der Stickstoff im Französischen heißt. Das ist dasselbe, als würde man den Elefanten »Seiltier« nennen, weil eben sein Schwanz an ein Seil erinnert.

Der Stickstoff hat damals also einen falschen Namen bekommen oder jedenfalls einen einseitigen Namen. Dieser Name ist verwirrend: Lebensstoff wäre passender.

Die Stickstoffchemie ist ähnlich variantenreich und komplex wie die Kohlenstoffchemie. Stickstoff ist der Motor allen biologischen Wachstums, und eigentlich ist er überreichlich vorhanden, denn unsere Luft besteht zu 78 Prozent aus Stickstoff. Doch diesen können wir biologisch nicht verwerten, wir atmen ihn ein und wieder aus, ohne dass irgendetwas passiert: Nur der ebenfalls in der Luft enthaltene Sauerstoff wird vom Blut aufgenommen. Dennoch ist auch der Stickstoff für das Leben unverzichtbar.

Der atmosphärische Stickstoff existiert in Form von zweiatomigen Molekülen, in denen die beiden N-Atome durch die stärkste chemische Bindung zusammengehalten werden. Diese Bindung kann in der Natur nur durch sehr hohe Temperaturen (»Luftverbrennung«), durch Blitze oder durch Bakterien aufgebrochen werden. Bestimmte Bakterien sind dank eines bestimmten Enzyms, der Nitrogenase, in der Lage, Luftstickstoff chemisch zu binden und damit biologisch verfügbar zu machen. Etliche Pflanzen, wie etwa der Klee, die Luzerne oder auch die Erle, leben mit solchen Bakterien in einer nützlichen Symbiose. Diese Symbiose ist die wesentliche Quelle für das natürliche Vorkommen von reaktionsfähigem Stickstoff.

Erst wenn der Luftstickstoff chemisch gebunden wird, gelangt er in den Kreislauf des Lebens. Wo Stickstoff im Boden fehlt, da entwickeln sich Pflanzen nur kümmerlich; typische Zeichen für Stickstoffmangel sind gelbe Blätter – denn auch das Blattgrün, das die Pflanzen für die Photosynthese brauchen, ist eine Stickstoffverbindung. Mistdüngung wurde und wird seit Jahrtausenden mit Erfolg betrieben, sie schaufelt aber den biologisch verwertbaren Stickstoff nur um, schafft jedoch keinen neuen. Erst im 18. Jahrhundert wurde zu diesem Zweck in größerem Umfang Klee gezielt angebaut. Mit dieser Maßnahme begann der Mensch, in den Stickstoffkreislauf aktiv einzugreifen – er förderte eine Pflanze, die ihrerseits durch die mit ihr kooperierenden Bakterien in der Lage ist, Luftstickstoff zu binden und in den Lebenskreislauf zu bringen. Eine erfolgreiche Maßnahme – denn mehr Stickstoff im Boden ermöglicht größere Ernten.

Doch die so erzielte Steigerung reichte nicht. Bis in die Neuzeit konnte den Pflanzen der für ihr Wachstum erforderliche Stickstoff noch in einem natürlichen Kreislauf über die Zersetzung anderer Pflanzen oder über animalische Ausscheidungen als Dünger zugeführt werden, während der menschliche Bedarf sich neben der Ernährung auf die Erzeugung von Schießpulver aus Salpeter erstreckte. Hierbei handelt es sich um Nitrate – wiederum im Endeffekt biologischen Ursprungs –, die aus Böden und vor allem natürlichen Lagerstätten (z. B. »Chilesalpeter«) gewonnen werden können.

Als im 19. Jahrhundert aufgrund der Industrialisierung die Weltbevölkerung und damit auch der Nahrungsbedarf stark zu wachsen begannen, zeichnete sich ein Mangel an Stickstoffdünger ab. In der Tat erschien an der Wende zum 20. Jahrhundert eine »Ernährungskrise« am Horizont, die der heutigen »Umwelt- und Energiekrise« in nichts nachsteht. Angesichts der steigenden Bevölkerung in Europa und Nordamerika warnte der englische Chemiker William Crookes in einer berühmten Rede vor der British Association for the Advancement of Science im Jahre 1896 vor Hungersnöten in Europa. Er formulierte das »Weizenproblem«, das »wheat problem«: »England and all civilized nations stand in deadly peril of not having enough to eat«, warnte er und präsentierte sogleich die Rettung: »It is the chemist who must come to the rescue of the threatened communities.« In ähnlicher Weise äußerte sich 1905 der bedeutende deutsche Chemiker Wilhelm Ostwald in einem Zeitungsartikel mit dem Titel: »Stickstoff. Eine Lebensfrage«. Eine technische Lösung des Problems wurde durch verschiedene Ansätze in Angriff genommen. Erfolg hatte schließlich der Karlsruher Chemiker Fritz Haber, dem es 1909 gelang, im Labor nennenswerte Mengen von Ammoniak, NH3, aus den Elementen Stickstoff und Wasserstoff, N2 + H2, unter Zuhilfenahme eines Katalysators zu erzeugen. Die Umsetzung in einen großtechnischen Prozess erfolgte bei der BASF dann umgehend durch die Chemiker Carl Bosch und Alwin Mittasch, sodass bereits im September 1913 die Produktion begonnen werden konnte. Die erste Ammoniakanlage nahm am 9. September 1913 in Oppau (Ludwigshafen) ihre Produktion auf. Sie synthetisierte etwa zehn Tonnen Ammoniak pro Tag und sicherte den Düngemittelnachschub für Deutschland, ein Jahr später auch den Schießpulverbedarf des deutschen Heeres. Denn nicht nur die Äcker benötigen reaktiven Stickstoff, auch die Heere sind ohne ihn nahezu wehrlos, denn reaktiver Stickstoff in Gestalt von Nitraten (die sich aus Ammoniak gewinnen lassen) ist bis heute der bei Weitem wichtigste Treib- und Sprengstoff aller sogenannten konventionellen Waffen. Das Haber-Bosch-Verfahren beeinflusste damit zwar nicht das Ergebnis, wohl aber den Verlauf des Krieges, weil ohne die industrielle Ammoniakproduktion den Deutschen schon 1915 das Pulver ausgegangen wäre.

Allerdings bestand die ursprüngliche Intention der Erfinder nicht darin, Waffen, sondern Brot zu schaffen. Dies gelang ihnen auch, und darin liegt die langfristige und entscheidendere Bedeutung des Haber-Bosch-Verfahrens. Heute stehen auf allen Kontinenten Haber-Bosch-Anlagen. Wenn die Produktion von Stickstoffdünger heute eingestellt werden würde, müsste einer allgemein anerkannten Schätzung zufolge etwa ein Drittel der Weltbevölkerung verhungern! In seinem Testament hatte der schwedische Industrielle Alfred Nobel bestimmt, dass der nach ihm benannte Preis an diejenigen vergeben werden soll, die »der Menschheit den größten Nutzen geleistet haben«. Unter diesem Gesichtspunkt hat kaum jemand den Nobelpreis mehr verdient als Fritz Haber, dem er 1919, unmittelbar nach Ende des Ersten Weltkriegs (trotz internationaler Proteste wegen seiner umstrittenen Rolle während des Krieges), auch verliehen wurde.

Heute produzieren Menschen dank Haber-Bosch mehr reaktiven Stickstoff als alle natürlichen Prozesse an Land. Doch nur 30 Prozent des auf Äcker ausgebrachten Stickstoffs werden von den Pflanzen aufgenommen. Der große Rest verteilt sich im Boden, in Gewässern und in der Luft. Auch die Düngemittelproduktion hat ihre Schattenseiten: Der Feststellung des Paracelsus zufolge »Ein jed’ Ding ist ein Gift« führten eine Überdüngung der Böden und der Eintrag stickstoffhaltiger Verbindungen in die Abwässer zu ernsthaften Umweltschäden. Empfindliche Ökosysteme werden durch das Stickstoffüberangebot förmlich erstickt. Dies ist, über 100 Jahre nach dem Erfolg der Haber-Bosch-Synthese, das neue Stickstoffproblem. Das globale Überangebot von biologisch verfügbarem Stickstoff verändert global die Umwelt, wirkt sich aber vielerorts auch lokal erheblich aus, wenn etwa Grundwasserbrunnen immer tiefer gebohrt werden müssen, weil die höheren Grundwasserschichten mit Nitrat verunreinigt sind. Schließlich soll noch erwähnt werden, dass in den Abgasen von Autos und Industrieanlagen schädliche Oxide des Stickstoffs enthalten sind, deren Beseitigung wiederum erheblichen Aufwand erfordern.

All diese Faktoren unterstreichen den Titel dieses Buches: »Stickstoff – ein Element schreibt Weltgeschichte«. Diese »Weltgeschichte« wird hier von Forschern und Fachleuten erzählt, und zwar so, dass sie nicht nur für Fachleute interessant und verständlich wird. Denn N, dieser...

Über Autor(innen)

Soentgen, Jens
Jens Soentgen ist wissenschaftlicher Leiter des Wissenschaftszentrums Umwelt der Universität Augsburg und Adjunct Professor für Philosophie an der Memorial University of St. John’s in Kanada. Der Chemiker und Philosoph veröffentlichte zahlreiche populäre Sachbücher, zuletzt »Wie man mit dem Feuer philosophiert«, das 2016 zum »Wissensbuch des Jahres« gewählt wurde.

Ertl, Gerhard
»Professor Genie erklärt uns seine Formel« titelte stolz die Berliner Zeitung, als Gerhard Ertl im Dezember 2007 den Nobelpreis für Chemie erhielt. Dem emeritierten Direktor der Berliner Max-Planck-Gesellschaft war es gelungen, die Mechanismen des Haber-Bosch-Verfahrens zu identifizieren.

'Professor Genie erklärt uns seine Formel' titelte stolz die Berliner Zeitung, als Gerhard Ertl im Dezember 2007 den Nobelpreis für Chemie erhielt.
Dem emeritierten Direktor der Berliner Max-Planck-Gesellschaft war es gelungen, die Mechanismen des Haber-Bosch-Verfahrens zu identifizieren.

Jens Soentgen leitet das Wissenschaftszentrum Umwelt (WZU) der Universität Augsburg und ist mit Armin Reller Herausgeber der Reihe Stoffgeschichten. 'N' ist der neunte Band der Reihe.