Anstatt sich auf energiehungrige Reaktoren zu verlassen, um hohe Temperaturen und Drücke zu erzeugen, untersuchen Forscher im Untergrund die natürliche Wärme und Kräfte der Erde, um Ammoniak für Düngemittel zu kochen. In einer Proof-of-Concept-Studie, die am 21. Januar in der Zeitschrift Joule von Cell Press veröffentlicht wurde, erzeugten Forscher Ammoniak, indem sie stickstoffhaltiges Wasser mit eisenreichen Gesteinen vermischten – ohne Energiezufuhr oder CO2 Emission. Dieses neue Rezept könnte zu einer nachhaltigeren Alternative zu aktuellen Methoden führen und theoretisch genug Ammoniak für 2,42 Millionen Jahre produzieren.
Die Idee geht auf ein ungewöhnliches geologisches Phänomen zurück, das in den 1980er Jahren in Mali, Westafrika, beobachtet wurde. Einheimische entdeckten einen Brunnen, aus dem Wasserstoffgas strömte, was Wissenschaftler später auf eine chemische Reaktion zwischen Wasser und Gestein unter der Erdoberfläche zurückführten.
„Es war ein Aha-Erlebnis“, sagt der leitende Autor Iwnetim Abate vom Massachusetts Institute of Technology (MIT). „Möglicherweise können wir die Erde als Fabrik nutzen und ihre Hitze und ihren Druck nutzen, um wertvolle Chemikalien wie Ammoniak auf sauberere Weise herzustellen.“
Ammoniak ist ein wichtiger Bestandteil von Düngemitteln und könnte eines Tages als sauberer Kraftstoff die Zukunft antreiben, doch die heutige industrielle Ammoniakproduktion ist energieintensiv. Es verbraucht etwa 2 % der weltweiten Energie und setzt etwa 2,4 Tonnen CO frei2 pro produzierter Tonne (2.204 lb) Ammoniak, was es zum höchsten CO2-Ausstoß der chemischen Industrie macht2 Emitter.
Um ihre Idee einer „Erdfabrik“ zu testen, bauten Abate und sein Team ein Gesteins-Wasser-Reaktionssystem, das die unterirdische Umgebung der Erde nachahmt. Sie setzten synthetische eisenreiche Mineralien stickstoffhaltigem Wasser aus und lösten eine chemische Reaktion aus, die das Gestein oxidierte und Ammoniak ergab, das das Team „geologisches Ammoniak“ nannte. Der Prozess erforderte keinen Energieaufwand und emittierte kein CO2und funktionierte sogar unter Umgebungsbedingungen.
Anschließend tauschte das Team das synthetische Mineral gegen Olivin aus, ein natürliches eisenhaltiges Gestein, um reale Szenarien besser nachzuahmen. Sie optimierten den Prozess weiter, indem sie einen Kupferkatalysator hinzufügten und die Hitze auf 300 °C (572 °F) erhöhten. Innerhalb von 21 Stunden produzierten sie etwa 1,8 kg (4 lb) Ammoniak pro Tonne (2.204,6 lb) Olivin, was die Machbarkeit und Nachhaltigkeit der Methode demonstrierte.
„Diese Gesteine gibt es überall auf der Welt, daher könnte die Methode weltweit sehr weit verbreitet sein“, sagt Abate. Aber dennoch: „Es gibt noch eine ganz andere Ebene der Komplexität, die wir bewältigen müssen.“ Die Umsetzung umfasst das Bohren in eisenreiches Gestein tief im Erdinneren, das Einspritzen von stickstoffhaltigem Wasser und die Auseinandersetzung mit den Feinheiten, wie Gesteine knacken, sich ausdehnen und mit Gasen und Flüssigkeiten interagieren.
Die wirtschaftlichen Aussichten der Idee sind ermutigend. Die Herstellung von geologischem Ammoniak kostet etwa 0,55 US-Dollar pro Kilogramm (2,2 Pfund) und liegt damit auf dem Niveau herkömmlicher Methoden, die zwischen 0,40 und 0,80 US-Dollar kosten. Die Forschung könnte auch neue Wege zur Bekämpfung der Abwasserverschmutzung eröffnen.
„Stickstoffquellen gelten als Verschmutzung im Abwasser und ihre Entfernung kostet Geld und Energie“, sagt Erstautor Yifan Gao vom MIT. „Aber vielleicht können wir das Abwasser nutzen, um Ammoniak herzustellen. Das ist eine Win-Win-Strategie.“ Durch die Integration der Abwasserbehandlung in die Ammoniakproduktion könnte ein zusätzlicher Gewinn von 3,82 US-Dollar pro Kilogramm Ammoniak erzielt werden.
„Ammoniak ist ziemlich wichtig für das Leben“, sagt der leitende Autor Ju Li vom MIT. Abgesehen von Mikroben besteht die einzige andere natürliche Möglichkeit, Ammoniak auf der Erde zu produzieren, darin, Stickstoffgas durch Blitzeinschlag zu erzeugen. „Deshalb ist die geologische Produktion von Ammoniak sehr interessant, wenn man darüber nachdenkt, woher das Leben kam.“
Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation unterstützt.
