Für chemische Reaktoren geht’s jetzt tief runter – jedenfalls, wenn es nach der Idee eines US-Startups läuft. Nach dessen Plan sollen künftig wichtige Grundlagenstoffe tief unter der Erdoberfläche produziert werden. Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass Ammoniak, eine für Düngemittel wichtige Substanz, aus Gestein bei Temperaturen und Drücken hergestellt werden könnte, die im Untergrund üblich sind. Die Studie in der Fachzeitschrift Joule, an der unter anderem Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) arbeiteten, führte direkt zur Gründung von Addis Energy, einer Firma, die damit beginnt, das Verfahren zu vermarkten.

„Die Erde kann eine Fabrik für die chemische Produktion werden“, sagt Iwnetim Abate, ein MIT-Professor und Autor der neuen Studie. Diese Idee könnte große Veränderungen für die chemische Industrie bedeuten, die heute auf riesige Anlagen angewiesen ist, in denen Reaktionen bei extrem hohen Temperaturen und Drücken ablaufen, um Ammoniak herzustellen.

Ammoniak ist ein wichtiger Bestandteil unseres modernen Lebensmittelsystems, da es in Form von Dünger das Pflanzenwachstum anregt. Es wird auch als umweltfreundlicher Treibstoff in Branchen wie der Hochseeschifffahrt eingesetzt. Das Problem ist, dass die derzeitigen Verfahren zur Herstellung sehr viel Energie erfordern und große Mengen an Treibhausgasen erzeugen, die den Klimawandel verstärken – mehr als ein Prozent der weltweiten CO₂-Gesamtmenge entsteht so. Die neue Studie zeigt, dass die inneren Bedingungen unseres Planeten genutzt werden könnten, um Ammoniak in einem viel saubereren Verfahren herzustellen.

Die wichtigsten Zutaten für die Ammoniak-Produktion sind Stickstoff- und Wasserstoffquellen. Ein Großteil der Bemühungen um sauberere Produktionsmethoden konzentriert sich derzeit darauf, neue Wege zur Herstellung von Wasserstoff zu finden, da diese Chemikalie den größten Teil der Klimabilanz von Ammoniak ausmacht, sagt Patrick Molloy, Leiter der gemeinnützigen Forschungseinrichtung Rocky Mountain Institute (RMI).

In jüngerer Zeit haben Forscher und Unternehmen natürliche Wasserstoffvorkommen im Untergrund entdeckt. Eisenhaltiges Gestein treibt Reaktionen an, die das Gas erzeugen, und dies könnte eine Quelle für kostengünstigen, emissionsarmen Wasserstoff sein. Die geologische Wasserstoffgewinnung steckt zwar noch in den Kinderschuhen, aber einige Forscher hoffen, den Prozess durch die Förderung der Wasserstoffproduktion direkt im Untergrund voranzutreiben. Mit dem richtigen Gestein, Wärme und einem Katalysator kann man das grüne Gas kostengünstig und ohne große Klimabelastung herstellen.

Da Wasserstoff jedoch schwer zu transportieren ist, wollte Abate noch einen Schritt weiter gehen und die chemischen Reaktionen, die Wasserstoff und Stickstoff in Ammoniak umwandeln, gleich durch die guten Bedingungen im Untergrund ankurbeln. „Wenn man gräbt, bekommt man Wärme und Druck umsonst“, sagt er.

Um zu testen, wie dies funktionieren könnte, zerkleinerten Abate und sein Team eisenhaltige Mineralien und fügten Nitrate (eine Stickstoffquelle), Wasser (eine Wasserstoffquelle) und einen Katalysator hinzu, um die Reaktionen in einem kleinen Reaktor im Labor zu unterstützen. Sie stellten fest, dass sie selbst bei relativ niedrigen Temperaturen und Drücken innerhalb weniger Stunden Ammoniak herstellen konnten. Die Forscher schätzen, dass bei einer Skalierung des Prozesses ein einziges Bohrloch 40.000 Kilogramm Ammoniak pro Tag produzieren könnte.

Während die Reaktionen bei hohen Temperaturen und hohem Druck tendenziell schneller ablaufen, fanden die Forscher heraus, dass die Ammoniak-Produktion selbst bei 130 Grad Celsius und etwas mehr als zwei Atmosphären Druck ein wirtschaftlich tragfähiger Prozess sein könnte. Das sind Bedingungen, die in Tiefen herrschen, die mit der vorhandenen Bohrtechnik erreichbar sind.

Während die Reaktionen im Labor funktionieren, bleibt noch viel zu tun, um festzustellen, ob und wie der Prozess in der Praxis funktionieren könnte. Das Team muss unter anderem herausfinden, wie die Reaktionen aufrechterhalten werden können, denn bei dem Vorgang, bei dem Ammoniak entsteht, wird die Oberfläche des eisenhaltigen Gesteins oxidiert, sodass es nicht weiter reagiert. Laut Abate arbeitet das Team jedoch daran, die Dicke dieser unbrauchbaren Gesteinsschicht und ihre Zusammensetzung zu kontrollieren, damit die chemische Reaktion weiterlaufen kann.

Um die Forschung zu kommerzialisieren, ist Abate Mitgründer von Addis Energy, das von Investoren wie Engine Ventures mit 4,25 Millionen US-Dollar ausgestattet wurde. Zu seinen weiteren Mitgründern gehören Michael Alexander und Charlie Mitchell (die beide in der Öl- und Gasindustrie tätig waren) sowie Yet-Ming Chiang, ein MIT-Professor und Serienunternehmer. Das Startup wird die Forschung weiter vorantreiben und nach potenziellen Standorten mit den geologischen Bedingungen für eine unterirdische Ammoniak-Produktion suchen.

Dabei kommt dem Unternehmen zugute, dass ein Großteil der erforderlichen Technologie bereits in der Öl- und Gasindustrie vorhanden ist, sagt Alexander, CEO von Addis Energy. Ein System, das vor Ort eingesetzt wird, beinhaltet die Bohrung, das Pumpen von Flüssigkeit in den Boden und die Extraktion anderer Flüssigkeiten aus dem Boden – alles sehr übliche Vorgänge in der fossilen Branche. „Das ist eine neuartige Chemie, die in ein Öl- und Gaspaket integriert ist“, sagt er.

Das Team will auch daran arbeiten, die Kostenschätzungen für das Verfahren zu verfeinern und ein besseres Verständnis für Sicherheit und Nachhaltigkeit zu erlangen, sagt Abate. Ammoniak ist schließlich eine giftige Industriechemikalie, die aber so weitverbreitet ist, dass es etablierte Verfahren für die Handhabung, die Lagerung und den Transport gibt, sagt Molloy vom RMI.

Nach den ersten Schätzungen der Forscher könnte das mit der neuen Methode hergestellte Ammoniak bis zu 0,55 US-Dollar pro Kilogramm kosten. Das ist mehr als Ammoniak, das heute mit fossilen Brennstoffen hergestellt wird (0,40 Dollar pro Kilo), aber die Technik wäre wahrscheinlich billiger als andere emissionsarme Methoden zur Herstellung. Durch Verbesserungen des Verfahrens, einschließlich der Verwendung von Luftstickstoff anstelle von Nitraten, könnten die Kosten weiter gesenkt werden, sogar bis auf 0,20 Dollar pro Kilo.

Neue Ansätze zur Herstellung von Ammoniak könnten für die Klimaschutzbemühungen von entscheidender Bedeutung sein. „Es handelt sich um eine Chemikalie, die für unsere Lebensweise unverzichtbar ist“, sagt Karthish Manthiram, Professor am Caltech, der sich mit Elektrochemie und alternativen Methoden der Ammoniak-Produktion beschäftigt.

Die Forschung des Teams scheint von Anfang an auf Skalierbarkeit ausgelegt zu sein. Die Erde selbst als Reaktor zu nutzen, sei die Art von Denkweise, die notwendig ist, um den langfristigen Weg zu einer nachhaltigen chemischen Produktion zu beschleunigen, ergänzt Manthiram.

Während sich das Unternehmen auf die Maßstabsvergrößerung konzentriert, müssen bei Abate und anderen Labors noch viel Grundlagenarbeit geleistet werden, um zu verstehen, was während der Reaktionen auf atomarer Ebene vor sich geht. Das betrifft besonders die Schnittstelle zwischen Gestein und der reagierenden Flüssigkeit. Die Wissenschaft ist spannend, aber sie ist nur der erste Schritt, sagt Abate. Der nächste besteht darin, zu sehen, ob das Ganze auch in der Praxis funktioniert.