Katalysatoren gehören zu den Dingen, über die sich nur wenige Menschen Gedanken machen, abgesehen vielleicht vom Chemieunterricht in der Schule, aber sie bringen die Welt in Schwung. Fast alles in unserem täglichen Leben hängt von Katalysatoren ab: Autos, Post-It-Zettel, Waschmittel, Bier.

Katalysatoren sind überall um uns herum.

Katalysatoren gehören zu den Dingen, über die sich nur wenige Menschen Gedanken machen, abgesehen vielleicht vom Chemieunterricht in der Schule, aber sie bringen die Welt zum Ticken. Fast alles in unserem täglichen Leben hängt von Katalysatoren ab: Autos, Post-It-Zettel, Waschmittel, Bier. Alle Bestandteile Ihres Butterbrots, Cheddarkäse, Truthahnbraten. Katalysatoren spalten den Papierbrei auf, um das glatte Papier in Ihrer Zeitschrift herzustellen. Sie reinigen jeden Abend Ihre Kontaktlinsen. Sie verwandeln Milch in Joghurt und Erdöl in Plastikmilchkannen, CDs und Fahrradhelme.

Was ist Katalyse?

Katalysatoren beschleunigen eine chemische Reaktion, indem sie die Energiemenge verringern, die man braucht, um sie in Gang zu setzen. Die Katalyse ist das Rückgrat vieler industrieller Prozesse, die chemische Reaktionen nutzen, um Rohstoffe in nützliche Produkte umzuwandeln. Katalysatoren sind ein wesentlicher Bestandteil bei der Herstellung von Kunststoffen und vielen anderen Produkten.

Auch der menschliche Körper funktioniert mit Katalysatoren. Viele Proteine in unserem Körper sind eigentlich Katalysatoren, die Enzyme genannt werden und alles Mögliche tun, von der Erzeugung von Signalen, die unsere Gliedmaßen bewegen, bis zur Unterstützung der Verdauung unserer Nahrung. Sie sind wirklich ein grundlegender Bestandteil des Lebens.

Kleine Dinge können große Wirkungen haben.

In den meisten Fällen braucht man nur eine winzige Menge eines Katalysators, um eine Wirkung zu erzielen. Selbst die Größe des Katalysatorpartikels kann den Ablauf einer Reaktion verändern. Letztes Jahr fand ein Argonne-Team, dem auch der Materialwissenschaftler Larry Curtiss angehörte, heraus, dass ein Silberkatalysator seine Aufgabe besser erfüllt, wenn er in Nanopartikeln vorliegt, die nur wenige Atome breit sind. (Der Katalysator verwandelt Propylen in Propylenoxide, was der erste Schritt zur Herstellung von Frostschutzmitteln und anderen Produkten ist).

Es kann Dinge grüner machen.

Bei der industriellen Herstellung von Kunststoffen und anderen lebenswichtigen Produkten entstehen oft unangenehme Nebenprodukte, die eine Gefahr für die menschliche Gesundheit und die Umwelt darstellen können. Bessere Katalysatoren können helfen, dieses Problem zu lösen. Der gleiche Silberkatalysator erzeugt zum Beispiel weniger giftige Nebenprodukte, was die gesamte Reaktion umweltfreundlicher macht.

Im Grunde genommen ist ein Katalysator eine Möglichkeit, Energie zu sparen. Und der Einsatz von Katalysatoren im großen Stil könnte der Welt eine Menge Energie sparen. Drei Prozent der in den USA jährlich verbrauchten Energie werden für die Umwandlung von Ethan und Propan in Alkene verbraucht, die unter anderem zur Herstellung von Kunststoffen verwendet werden. Das entspricht einer Menge von mehr als 500 Millionen Barrel Benzin.

Katalysatoren sind auch der Schlüssel zur Erschließung von Biokraftstoffen. Jede Biomasse – Mais, Rutenhirse, Bäume – enthält eine zähe Verbindung namens Zellulose, die zur Herstellung von Kraftstoff aufgespalten werden muss. Die Suche nach dem perfekten Katalysator für den Abbau von Zellulose würde Biokraftstoffe billiger und als erneuerbare Energiequelle praktikabler machen.

Oft haben wir keine Ahnung, warum sie funktionieren.

Die genauen Gründe, warum Katalysatoren funktionieren, sind den Wissenschaftlern oft noch ein Rätsel. Curtiss arbeitet auf dem Gebiet der Computerkatalyse: Er nutzt Computer, um das komplizierte Zusammenspiel von Physik, Chemie und Mathematik zu verstehen, das die Funktionsweise eines Katalysators erklärt.

Wenn sie den Prozess verstanden haben, können Wissenschaftler versuchen, einen Katalysator zu bauen, der noch besser funktioniert, indem sie simulieren, wie verschiedene Materialien stattdessen funktionieren könnten. Die möglichen Konfigurationen für neue Katalysatoren können Tausende von Kombinationen umfassen, weshalb Supercomputer am besten geeignet sind, um sie zu bearbeiten.

Als Edison die Glühbirne baute, testete er buchstäblich Hunderte von verschiedenen Glühfäden (und stellte damit wahrscheinlich auch die Geduld seiner Laboranten auf die Probe), bevor er den verkohlten Glühfaden entdeckte. Durch den Einsatz von Supercomputern und moderner Technologie können Wissenschaftler die jahrelangen Tests und die damit verbundenen Kosten beschleunigen, um zu einem Durchbruch zu gelangen.

Curtiss führt Simulationen auf dem Blue Gene/P-Supercomputer von Argonne durch, um mögliche neue Katalysatoren zu entwickeln. „Da die Supercomputer immer schneller geworden sind, können wir Dinge tun, die wir vor 10 Jahren noch nicht hätten tun können“, sagt er.

Sie könnten für die nächste große Revolution bei den Batterien unerlässlich sein.

Neue, effiziente Lithium-Ionen-Batterien haben dazu beigetragen, dass aus klobigen Autotelefonen die schlanken, eleganten Handys und Laptops von heute geworden sind. Doch Wissenschaftler sind bereits auf der Suche nach der nächsten Batterierevolution – einer Batterie, die eines Tages leicht und leistungsstark genug sein könnte, um ein Auto 500 Meilen weit zu bringen. Eine vielversprechende Idee sind Lithium-Luft-Batterien, die Sauerstoff aus der Luft als Hauptbestandteil verwenden. Diese neue Batterie erfordert jedoch eine völlige Umgestaltung der internen Chemie und einen leistungsstarken neuen Katalysator, damit sie funktioniert. Eine Lithium-Luft-Batterie funktioniert, indem sie Lithium- und Sauerstoffatome miteinander verbindet und sie dann immer wieder aufspaltet. Das ist eine Situation, die wie geschaffen ist für einen Katalysator, und ein guter Katalysator würde die Reaktion beschleunigen und die Batterie effizienter machen.

Wie kann man einen neuen Katalysator herstellen?

Der erste Schritt besteht darin, die Chemie hinter den Reaktionen zu verstehen; dann können Wissenschaftler mithilfe von Modellen potenzielle neue Katalysatoren entwerfen und sie im Labor testen. Aber dieser erste Schritt ist schwierig, wenn man nicht bis auf die atomare Ebene vordringen kann, um zu sehen, was während einer Reaktion passiert. Hier kommen große wissenschaftliche Einrichtungen wie die Advanced Photon Source (APS) von Argonne ins Spiel.

In der APS können Wissenschaftler die hellsten Röntgenstrahlen der Vereinigten Staaten nutzen, um die Reaktionen in Echtzeit zu verfolgen. Im Elektronenmikroskopiezentrum des Labors machen die Forscher Fotos von den Atomen, während sie reagieren. Curtiss und sein Team haben beides bei ihrer Suche nach besseren Katalysatoren eingesetzt.