1000 Ideen - Wie man Pflanzen mit elektrischem Strom füttert

Pflanzen mit Strom füttern

Ohne das chemische Element Stickstoff (N) wäre Leben in seiner uns bekannten Form nicht möglich – Stickstoff ist beispielsweise ein Bestandteil von Aminosäuren und ist damit für praktisch alle Lebewesen auf unserem Planeten essentiell. In Tieren, und natürlich auch beim Menschen, sind Aminosäuren die Grundbausteine aus denen Muskeln, Haut, und andere Gewebe aufgebaut sind. In Pflanzen ist Stickstoff außerdem ein wichtiger Bestandteil von Chlorophyll, das ihnen die Energiegewinnung mittels Photosynthese ermöglicht. Die Biosynthese von allen biologisch wichtigen stickstoffhaltigen Verbindungen hängt von der Versorgung mit Stickstoffspezies wie Ammoniak (NH3) ab, da weder Pflanzen noch Tiere Stickstoff direkt aus der Luft (N2) aufnehmen können. Manche Pflanzen (z.B. Klee) haben durch Symbiose mit bestimmten Bakterien einen Weg gefunden um N2 aus der Luft in speziellen Wurzelknöllchen als NH3 zu fixieren und damit bioverfügbar zu machen.

Um in der modernen Landwirtschaft eine gezielte Bereitstellung von Stickstoff zu gewährleisten, wurde vor gut 100 Jahren das Haber-Bosch-Verfahren entwickelt, mit dem N2 aus der Luft in NH3 umgewandelt wird. Dieser Prozess war ein entscheidender Faktor um unsere moderne Welt möglich zu machen, denn ohne Stickstoffdünger könnte man heute nur einen Bruchteil der Weltbevölkerung ernähren. Der große Nachteil des Haber-Bosch-Verfahrens ist, dass der benötigte Wasserstoff aus fossilen Quellen gewonnen wird und dass es durch die Reaktionsbedingungen einen enormen Energiebedarf aufweist. Um die industrielle Ammoniakherstellung nachhaltig und CO2-neutral zu machen, wird seit Jahren an alternativen Zugängen geforscht, die sich sehr oft am biologischen Vorbild orientiert haben, aber meistens nicht die nötige Effizienz aufweisen konnten.

In diesem Projekt soll ein gänzlich anderer Weg beschritten werden. Das Ziel ist es, eine besondere Form von Festoxidelektrolysezellen mit neuartigen Elektrokatalysatoren zu kombinieren, um so Stickstoff aus der Luft mit erneuerbarem Strom als Ammoniak zu fixieren. Die besondere Eigenschaft der genannten Elektrolysezellen besteht darin, durch Anlegen einer elektrischen Spannung an einer der Elektroden lokal extrem hohen Wasserstoffdruck bereit zu stellen. Dieser kann dazu verwendet werden N2 direkt zu hydrieren um NH3 zu gewinnen. Um hier erfolgreich zu sein, ist die Kombination der Wasserstoffelektrode mit bestimmten Katalysatormaterialien notwendig, die es ermöglichen N2 aus der Luft zu binden und seine sehr stabile chemische Bindung zu spalten. Die besondere Herausforderung dabei entsteht aus den komplexen Wechselwirkungen der einzelnen Materialien, die so aufeinander abgestimmt werden müssen, dass die gewünschte Funktionalität mit ausreichender Effizienz erhalten wird. Gelingt das Unterfangen, wird es in Zukunft möglich sein, grünen Strom mit Luftstickstoff in Pflanzendünger umzuwandeln, der so dezentral auf der ganzen Welt zur nachhaltigen Nahrungsmittelproduktion eingesetzt werden kann.