Reaktionspotenzial

Katalysatoren sind wahre Multitalente, sie beschleunigen chemische Reaktionen oder machen sie überhaupt erst möglich. Welches Beispiel für Katalysatoren kommt Ihnen als Erstes in den Sinn?

MROGINSKI Platin. Dieses Metall ist ein wichtiger Katalysator bei der Gewinnung von Wasserstoff. Wasser spaltet sich ja nicht von allein in Wasserstoff und Sauerstoff. Das Edelmetall Platin verringert die Aktivierungsenergie und ermöglicht dadurch erst den Prozess.

SCHLÖGL Die wichtigste katalytische Reaktion, die von der Menschheit genutzt wird und ohne die nicht so viele Menschen auf dem Planeten leben könnten, ist die berühmte Haber-Bosch-Synthese. Sie ermöglicht die Vereinigung von Stickstoff und Wasserstoff zu Ammoniak, das zur Herstellung von Düngemitteln benötigt wird. Ohne Dünger könnten wir die Menschheit nicht ernähren. Wir nehmen Stickstoff mit der Nahrung auf. Jedes zweite Stickstoffatom in unseren Körpern stammt somit aus der Haber-Bosch-Reaktion.

Ein faszinierender Gedanke…

SCHLÖGL …der die Bedeutung der Katalyse sehr gut illustriert. Das Institut, in dem wir dieses Gespräch führen, trägt aus diesem Grund den Namen von Fritz Haber. Katalytische Reaktionen sollen eine nachhaltigere Zukunft ermöglichen. Wie hängen Katalyse und Energiewende denn zusammen?

MRONGINSKI Mit der Energiewende soll der Anstieg der Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre gebremst werden. Katalysatoren können CO2 in nützliche Produkte umwandeln, etwa in Kohlenhydrate oder synthetische Treibstoffe. Auf diese Weise ließe sich der CO2-Anteil in der Luft sogar verringern. Das wäre eine wunderbare nachhaltige Strategie gegen den Klimawandel.

SCHLÖGL Es gibt schlicht keine Energiewende ohne Katalyse – weil Energieträger materielle Dinge sind. Um sie zu erzeugen und umzuwandeln, braucht man immer Katalysatoren. Wenn also Wasserstoff eine Rolle bei der Energieversorgung der Zukunft spielen soll, dann muss man ihn katalytisch und klimaneutral herstellen.

Frau Professor Mroginski, Sie suchen nach effizienten Biokatalysatoren. Sehen Sie die Natur als Vorbild?

MROGINSKI Auf jeden Fall. Die Natur ist für mich Vorbild und Inspiration zugleich. Biologische Katalysatoren, also Enzyme, arbeiten viel präziser und spezifischer als alle vom Menschen konstruierten Katalysatoren. Wir müssen verstehen, wie genau sie funktionieren, um bessere, technisch nutzbare Katalysatoren entwickeln zu können.

Von der Natur lernen, heißt Katalyse lernen?

MROGINSKI Genau. Wir sind noch immer nicht in der Lage, das nachzuahmen, was die Natur vormacht. Doch wenn wir die biokatalytischen Prozesse verstehen, haben wir die große Chance, davon zu profitieren.

Könnten technische Systeme irgendwann ähnlich leistungsfähig sein wie Biokatalysatoren?

MROGINSKI Im Prinzip ja, doch das ist eine ferne Vision. Es gibt noch einige Herausforderungen. Zum einen sind Enzyme nur in ihrer eigenen biologischen Umgebung stabil. Man kann sie nicht einfach auf die Oberfläche einer Elektrode verpflanzen. Dabei ändert sich in aller Regel die Struktur des Enzyms und seine Funktionalität. Ein weiteres Problem ist die langfristige Stabilität von Biomolekülen. Sie funktionieren in einer künstlichen Umgebung vielleicht eine Stunde und sind dann nicht mehr aktiv. In solchen Fällen ist eine wirtschaftliche Nutzung nicht möglich.

Angesichts so vieler Probleme muss es wohl auch große Vorteile geben.

MROGINSKI Absolut. Der wichtigste Vorteil ist, dass Enzyme im Gegensatz zu den allermeisten Metallkatalysatoren bei Zimmertemperatur und unter normalem Druck betrieben werden können. Außerdem sind sie besonders nachhaltig und umweltfreundlich.

SCHLÖGL Bei Anwendungen in der Pharmaindustrie sind Biokatalysatoren unschlagbar. Auch zur Herstellung von Corona-Impfstoffen werden sie gebraucht.

Und was inspiriert Sie bei Ihrer Forschung, Herr Professor Schlögl?

SCHLÖGL Nachweisen zu wollen, dass es nur eine Art der Katalyse gibt. Ich bin fest davon überzeugt, dass es keine Rolle spielt, ob man mit einem Enzym oder einem Platinpartikel arbeitet. Die dynamische Wirkungsweise dieser Katalysatoren ist die gleiche. Und wir stehen kurz davor, dies auch zu beweisen.

Wie entstehen solche Ideen bei Ihnen?

SCHLÖGL Beim Betrachten der atomaren Strukturen von Katalysatoren. Dabei kann man eine Idee bekommen, wie sie funktionieren. Wir schauen den Katalysatoren mit sehr aufwendigen Messapparaturen bei ihrer Arbeit zu, um zu verstehen, wie die Prozesse im Detail ablaufen. Das ist dann die Grundlage für die zielgerichtete Entwicklung von neuen Katalysatoren.

Das klingt nach harter Arbeit.

SCHLÖGL Gute Ideen hat man in der Katalysatorforschung nur, wenn man sich die Dinge sehr genau anschaut.

MROGINSKI Ich muss ein Enzym ganz genau am Computer betrachten. Erst dann kann ich mir Gedanken machen, was man ändern könnte, um neue Funktionalitäten zu erreichen. Solche Ideen kommen nicht über Nacht im Schlaf. Ich empfinde die Strukturen von Enzymen übrigens als wunderschön.

Auch wenn Sie, Professor Schlögl, überzeugt sind, dass es nur eine Art von Katalyse gibt, so arbeiten sie doch beide an sehr unterschiedlichen Fragen. Gibt es eine gemeinsame Sprache, mit der Sie sich über Disziplingrenzen hinweg verständigen können?

MROGINSKI Es gibt nicht von vornherein eine gemeinsame Sprache. In der Biokatalyseforschung arbeiten Physiker, Biologen, Chemiker, Mikrobiologen, Mathematiker, Ingenieure und IT-Spezialisten zusammen. Jedes Fachgebiet hat seine eigenen Begriffe. Als ich beim Berliner Exzellenzcluster zur Katalyseforschung als Physikerin begann, mit Biologen und Chemikern zusammenzuarbeiten, mussten wir uns erst einmal um ein gemeinsames Verständnis bemühen. Durch die sehr enge Kooperation kann ich nach zehn Jahren Zusammenarbeit feststellen: Heute sprechen wir alle die gleiche Sprache.

SCHLÖGL Diese intensive Kooperation über Fachgrenzen hinweg ist ein Alleinstellungsmerkmal von Berlin. Wir haben es hier geschafft, die Erforschung von molekularer Katalyse und Grenzflächenkatalyse miteinander zu verknüpfen. Diese Exzellenz „made in Berlin” ist weltweit sichtbar.

MROGINSKI Bundesweit einzigartig ist auch die interdisziplinäre Ausbildung am Berliner Einstein-Zentrum für Katalyse. Das ist etwas ganz Besonderes.

SCHLÖGL Weil dort alle Berliner Universitäten und Forschungsinstitute effizient und fruchtbar zusammenarbeiten. Für mich ist das ein Leuchtturmprojekt. So könnte und sollte man es in anderen Fachbereichen auch machen. Die Ausbildung junger Forscherinnen und Forscher ist mindestens genauso wichtig wie die materielle Ausstattung von Forschungseinrichtungen.

Wie viele Menschen arbeiten in Berlin rund um die Katalyseforschung?

SCHLÖGL Das ist eine dreistellige Zahl. Berlin ist Deutschlands größtes Kompetenzzentrum für Katalyse.

Oder gar weltweit?

SCHLÖGL So weit würde ich nicht gehen. In den USA ist alles immer noch ein bisschen größer. Das macht aber nichts – im Gegenteil. Hier in Berlin haben wir die richtige Größe, um maximal effizient miteinander arbeiten zu können.

Und da kennt jeder jeden?

MROGINSKI Absolut, auch wenn natürlich nicht jeder mit jedem in einem Projekt zusammenarbeitet. Wir treffen uns aber alle mehrmals pro Jahr, um Neuigkeiten und Forschungsergebnisse untereinander auszutauschen.

SCHLÖGL Uns alle verbindet, dass wir die dynamischen Prozesse zwischen Katalysatoren und ihren Umgebungen systemisch verstehen wollen.

Ist ein gemeinsames Ziel der Forscherinnen und Forscher auch die Nachhaltigkeit?

SCHLÖGL Das ist automatisch gegeben, denn Nachhaltigkeit ist per se der Sinn von Katalyse. Wenn die Chemie die Wissenschaft der Stoffumwandlung ist, dann ist die Katalyse die Wissenschaft von der nachhaltigen Stoffumwandlung. Sie ermöglicht chemische Produktionsprozesse mit minimalem Energieaufwand und geringstmöglicher Abfallmenge. Und die stoffliche Kreislaufwirtschaft, von der so oft geredet wird, ist ohne Katalyse gar nicht denkbar.

Angesichts der großen wirtschaftlichen und ökologischen Bedeutung der Katalyse ist es erstaunlich, wie wenig über diese Disziplin geredet wird.

MROGINSKI Alles, was irgendwie mit Chemie zu tun hat, wird hierzulande argwöhnisch betrachtet. Das gilt leider auch für die Katalyse.

SCHLÖGL Die chemische Industrie genießt kein hohes Ansehen in Deutschland. Der Dialog zwischen ihr und der Gesellschaft ist seit Langem zum Erliegen gekommen. Das ist gefährlich, wenn man bedenkt, dass die chemische Industrie ein Drittel unserer Volkswirtschaft ausmacht. Sie ist der Elefant im Raum, über den keiner redet.

Die Bundesregierung hat im vergangenen Jahr die sogenannte Wasserstoffstrategie verkündet. Sind sie damit glücklich?

SCHLÖGL Ich bin zufrieden, dass es da überhaupt mal eine Strategie gibt. Damit erkennt die Politik endlich an, dass eine Energiewende ohne stoffliche Energieträger nicht möglich ist. Strom aus erneuerbaren Quellen reicht nicht. Ob die Strategie auch zu Plänen führt, die umgesetzt werden, ist eine andere Frage. Ich hoffe es sehr.

MROGINSKI Auch ich begrüße die Wasserstoffstrategie. Sie wertet unsere Forschung auf. Die Strategie setzt aber zu sehr auf Wasserstoff an sich. Es wäre wichtig, auch die Rolle von Derivaten, also Treibstoffen wie Methanol, und die Nutzung von CO2 als Rohstoff zu betonen.

SCHLÖGL Manchen Politikern schwebt eine Wasserstoffwirtschaft vor, bei der alles mit Wasserstoff gemacht wird. Das kann aber nicht funktionieren. In der Praxis brauchen wir auch Energieträger, die den heutigen, aus Öl hergestellten Treibstoffen ähnlich sind, aber aus Wasserstoff und Kohlendioxid hergestellt werden.

MROGINSKI In biologischen Systemen kommt Wasserstoff nirgendwo explizit vor. Wasserstoffatome bestehen aus genau einem Proton und einem Elektron. Die Evolution hat das Management von Protonen und Elektronen optimiert. Das möchten wir kopieren. Wasserstoff herzustellen, um daraus wieder elektrische Energie zu machen, ist jedoch völlig unrentabel. Er sollte nur dort zum Einsatz kommen, wo es wirklich sinnvoll ist.

Zum Beispiel im Stahlwerk als Ersatz für Kohle?

SCHLÖGL Genau. Das wäre eine ideale Anwendung, wenn sich das großtechnisch umsetzen lässt.

Was kann die Grundlagenforschung zur Umsetzung der Wasserstoffstrategie beitragen?

SCHLÖGL Was die Herstellung von Wasserstoff per Elektrolyse betrifft, sind von der Grundlagenforschung kaum noch Impulse zu erwarten. Es geht jetzt hauptsächlich um die Übertragung auf industrielle Maßstäbe. Doch bei der Herstellung von Heiz- und Treibstoffen aus Wasserstoff und CO2 gibt es noch viel Forschungsbedarf.

Frau Professor Mroginski, Sie modellieren Enzyme am Computer. Was muss man sich darunter vorstellen?

MROGINSKI Ich entwerfe Modelle, um die Eigenschaften dieser Moleküle auf atomarer Ebene zu verstehen. Wenn ich auf diese Weise ein Enzym gut beschreiben kann, dann kann ich mit dem Molekül spielen. Ich ersetze dann Teile des Moleküls durch andere, die ich am Computer entworfen habe, und rechne aus, wie sich seine Eigenschaften verändern. So lassen sich neue Enzyme mit speziellen Eigenschaften konzipieren.

Welche Rolle kann Künstliche Intelligenz bei dieser Forschung spielen?

MROGINSKI KI eignet sich grundsätzlich sehr gut zum Erkennen von Mustern in großen Datenmengen, wie sie auch bei unserer Forschung anfallen. Die wollen wir analysieren. Ich bin davon überzeugt, dass KI in der Katalysatorforschung künftig eine große Rolle spielen wird. Sie wird uns beim Entwerfen neuer Moleküle helfen.

SCHLÖGL Das Problem ist, dass viele Forschungsdaten bislang unstrukturiert vorliegen. Wir entwickeln gerade ein Konzept zur Standardisierung, damit sich künftig Daten besser von einer KI nutzen lassen.

Wir sprachen darüber, dass die Chemie und die Katalyse ein Kommunikationsproblem haben. Was könnte man tun?

MROGINSKI Wir probieren, die Menschen direkt und über die Medien zu erreichen – oder auch mit der Langen Nacht der Wissenschaften.

SCHLÖGL Punktuell wird zweifelsohne viel getan. Doch das ist nicht nachhaltig und nicht jede oder jeder in der Forschung ist ein Kommunikationstalent. Es wäre Aufgabe der Akademie der Wissenschaften, für einen dauerhaften Strom von Informationen in die Gesellschaft zu sorgen. Sie könnte ein glaubwürdiger Mittler sein und die notwendige Übersetzungsarbeit leisten. Dafür sind Akademien ursprünglich mal gegründet worden.

MROGINSKI Der Journalismus ist leider oft zu oberflächlich, und es gibt insbesondere bei wissenschaftlichen Themen fehlerhafte Aussagen.

SCHLÖGL Ja, weil der Weg zur falschen Information bequem und kurz ist. Die Wissenschaft müsste dafür sorgen, dass es einen einfachen und bequemen Weg zu kompetenten Informationen gibt. Dass es dieses Angebot nicht gibt, ist ein Versagen der Wissenschaft. Wir haben da eine Bringschuld – genauso wie der Journalismus grundsätzlich eine Holschuld hat.

Vielleicht könnte man schon viel erreichen, wenn man den sperrigen Begriff Katalyse, bei dem viele gleich abschalten, durch ein gefälligeres Wort ersetzt.

MROGINSKI Es ist nicht Aufgabe der Wissenschaft, ihre Terminologie zu ändern, nur weil es gesellschaftlich opportun zu sein scheint.

SCHLÖGL Katalyse ist ein wohldefinierter wissenschaftlicher Begriff. Ich lehne es aufs Schärfste ab, ihn zu verändern. Es geht vielmehr darum, eine positive Konnotation herzustellen. Wenn wir beginnen, Begriffe zu verändern, werden wir beliebig.

Maria Andrea Mroginski ist Leiterin der Arbeitsgruppe „Modellierung biomolekularer Systeme” am Institut für Chemie der Technischen Universität (TU) Berlin und stellvertretende Sprecherin des Einstein-Zentrums für Katayse.

Robert Schlögl ist Direktor am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin-Dahlem und Gründungsdirektor am Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr.