POWERSTOFF AUS SAUERSTOFF

TEXTBERND KALTWASSER

Enthaltene Medien

POWERSTOFF AUS SAUERSTOFF

Kosmetik, Reinigung, Mikroelektronik – Wasserstoffperoxid befeuert seit zwei Jahrhunderten innovative Anwendungen in der Chemie. Als Zusatztreibstoff für Raketen liefert die Verbindung aus Wasserstoff und Sauerstoff nun auch einen wichtigen Beitrag für eine umweltfreundlichere Weltraumfahrt.

TEXTBERND KALTWASSER

Aufbruch ins All: Eine Sojus-Rakete wird startklar gemacht. Mit an Bord: H₂O₂.

Vor drei Stunden war Sonnenuntergang, jetzt ist der Dschungel in tiefe Dunkelheit getaucht. Die Nacht endet an einem Stacheldrahtzaun, der sich quer durch die tropische Landschaft zieht. Dahinter: eine mehr als 46 Meter hohe Weltraumrakete, von Scheinwerfern in gleißendes Licht gehüllt. Über Lautsprecher ist die Stimme des Directeur des Opérations zu hören, die auf Französisch den bevorstehenden Start ankündigt: „À tous de DDO: Attention pour moins d’une minute.“

Weltraumbahnhof Kourou, Französisch-Guayana, 6. November 2018, 21.46 Uhr Ortszeit. Es läuft die letzte Minute vor dem Start einer Sojus-Rakete, mit der der Wettersatellit „Metop-C“ auf seine Reise ins All geschickt werden soll. Mit an Bord: Wasserstoffperoxid (H₂O₂) von Evonik. Auf einem Video des Raumfahrt­unternehmens Arianespace lässt sich das Spektakel mit­erleben. 20 Sekunden vor dem Start: Mit einem Lichtblitz zünden die mächtigen Triebwerke, die das mehr als 300 Tonnen schwere Ungetüm in den Himmel heben sollen. Brausen und Zischen, das anschwillt. Schrittweise wird die Leistung gesteigert, zum Schluss verbrennen Booster und Haupttriebwerk in jeder Sekunde mehr als 450 Kilogramm Kerosin und 1.100 Kilogramm flüssigen Sauerstoff. Das Kontrollzentrum meldet sich erneut: „Attention pour le décompte final.“ Die letzten Sekunden laufen. „… trois, deux, unité.“ Die ganze Startplattform ist in orangefarbenes Glühen gehüllt. „Top, décollage …“ Majestätisch schiebt sich die Rakete in den Himmel. Sie fliegt einen Bogen, steigt immer höher. Rund eine Stunde nach dem Start verkündet eine Sprecherin der Europäischen Wettersatelliten-Organisation Eumetsat, dass erste Signale von „Metop-C“ aufgefangen worden seien: Die Mission ist ein Erfolg.

Wasserstoffperoxid:
Vielseitige Verbindung

Wasserstoffperoxid (H₂O₂) ist eine klare, farblose Flüssigverbindung aus Sauerstoff und Wasserstoff. Entdeckt wurde es 1818 von Louis Jacques Thénard, als dieser Barium­peroxid mit Salpetersäure reagieren ließ. Seitdem dient Wasserstoffperoxid als starkes Oxidationsmittel. Es wird zur Herstellung von Bleichmitteln verwendet, zum Beispiel von Papier, Textilien oder Haaren. Darüber hinaus dient es als Desinfektions- und Reinigungsmittel im Haushaltsbereich. Wasserstoffperoxid wird zu Wasser und Sauerstoff abgebaut.

 

Louis Jacques Thénard: französischer Chemiker, 1777–1857
Bariumperoxid (BaO₂): chemische Ver- bindung von Barium und Sauerstoff
Salpetersäure (HNO₃): Sauerstoffsäure des Stickstoffs
Oxidationsmittel: Element oder Verbindung, die andere Stoffe oxidiert, indem sie Elektronen aufnimmt

Evonik hat daran einen maßgeblichen Anteil: „Schon heute hat jede Sojus-Rakete etwa zehn Tonnen hochreines, hochkonzentriertes H₂O₂ an Bord. Damit werden Turbopumpen angetrieben, die die eigentlichen Treibstoffe mit hohem Druck in die Brennkammer pressen“, berichtet Dr. Stefan Leininger, der bei Evonik im Segment Resource Efficiency das Geschäft mit H₂O₂ für Spezialanwendungen betreut. Zehn Tonnen, das ist noch eine überschaubare Menge. Als einer der weltweit führenden Hersteller kann Evonik an 13 Standorten auf sechs Kontinenten jedes Jahr mehr als 950.000 Tonnen Wasserstoffperoxid herstellen.

Die Flüssigverbindung aus Wasserstoff und Sauerstoff ist zwar schon seit zwei Jahrhunderten bekannt (siehe Chronik), doch bis heute erobert sie immer neue Märkte. H₂O₂ und andere Peroxide kommen mittlerweile in so unterschiedlichen Bereichen zum Einsatz wie der Halbleiterbranche, der Papierherstellung oder der Lebensmitteltechnik. „Das liegt nicht zuletzt an der guten Umweltverträglichkeit des Stoffs und seiner Effizienz“, sagt Leininger.

Papierproduktion in Eilenburg (Sachsen): Wasserstoffperoxid ersetzt bei der Bleiche umweltschädliche Mittel auf Chlorbasis.

»Dass H₂O₂ immer neue Märkte erobert, liegt an seiner guten Umweltverträglichkeit und seiner Effizienz.«

STEFAN LEININGER, BUSINESS DIRECTOR SPECIALTIES

Diese Aspekte werden auch in der Raumfahrt immer wichtiger. Der Markt ist im Umbruch: Private Anbieter wie das von Tesla-Erfinder Elon Musk geführte Unternehmen SpaceX, der von Amazon-Chef Jeff Bezos gegründete Wettbewerber Blue Origin, OneWeb oder Rocketlab drängen nach vorn. 2018 hoben 114 Raketen ab – so viele wie nie zuvor in einem Jahr. Zugleich schrumpft die durchschnittliche Größe der Satelliten, die von den Raketen ins All getragen werden. Sogenannte Nanosatelliten (bis zehn Kilogramm Masse) und Mikrosatelliten (bis 100 Kilogramm Masse) werden immer häufiger eingesetzt. Bis zu 2.600 der kleinen künstlichen Trabanten könnten in den kommenden fünf Jahren gestartet werden, so die Prognose des Beratungsunternehmens Spaceworks Inc. Zugleich geht der Trend zu kleineren Raketen.

„Der gesamte Markt ist gerade dabei, den nächsten Evolutionsschritt zu durchlaufen“, sagt Leininger. „H₂O₂ kommt dabei aufgrund seiner guten Handhabbarkeit eine gewichtige Rolle als Treibstoff zu.“ Bisher übernehmen zum Beispiel Hydrazin oder dessen Derivate diese Aufgabe. Hydrazin steht jedoch im Verdacht, Krebs zu erregen, weshalb sein Einsatz in der EU künftig möglicherweise verboten wird. H₂O₂ wäre eine saubere Alternative: Der Raketentreibstoff zersetzt sich bei Kontakt mit einem geeigneten Katalysator unter großer Hitzeentwicklung zu Wasserdampf und Sauerstoff.

GREEN ROCKETRY

H₂O₂ befeuert somit einen globalen Trend: Unter dem Schlagwort „Green Rocketry“ versuchen zahlreiche Akteure, die Raumfahrt nachhaltiger und umweltfreundlicher zu machen. Das ist – neben ökonomischen Aspekten – auch ein Ziel des Future Launchers Preparatory Programme (FLPP), in dem die Europäische Weltraumagentur ESA an Technologien für die übernächste Raketengeneration forscht. „Umweltfreundliche Treibstoffe sind uns wichtig“, sagt Jan Wörner, General­direktor der European Space Agency (siehe Interview). Die Weltraumagentur fördere seit vielen Jahren die nachhaltige Entwicklung auf der Erde und werde dies auch künftig tun.

Einen Schritt in diese Richtung ermöglicht das Projekt „Hyprogeo“, das von der Europäischen Kommis­sion als Teil des Forschungsrahmenprogramms „Horizon 2020“ gefördert wurde (Förderkennzeichen: 634534 HYPROGEO). Es hatte zum Ziel, einen Hybrid-Raketen­motor zu konstruieren, der den Festtreibstoff Polyethylen verbrennt und Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel nutzt. „Unsere Aufgabe als Projektpartner war es, möglichst hochkonzentriertes H₂O₂ zu produzieren“, erläutert Leininger. Evonik entwickelte eigens hierfür ein Verfahren, das den Stoff in einer Konzentration von bis zu 98 Prozent bereitstellt – ein Spitzenwert für die industrielle Produktion. „Während der eigentliche Herstellprozess von H₂O₂ eine 40- bis 50-prozentige Lösung liefert, wird durch anschließende Destillation und Kristallisation die gewünschte Endkonzentration erreicht“, erläutert Leininger.

Einsatz in Bodensanierung und Abwasserbehandlung

Seine Innovationskraft entfaltet Wasserstoffperoxid auch in Umweltanwendungen wie der Bodensanierung oder der Abwasserbehandlung. In den USA chlorieren Klärwerke häufig behandelte Abwässer, bevor sie diese wieder in Flüsse oder Seen einleiten. Seit einigen Jahren fördert die Umweltschutzbehörde EPA (Enviromental Protection Agency) den Einsatz alternativer Methoden. Dazu gehört unter anderem die Behandlung von Klärwasser mit H₂O₂ oder Peressigsäure (PAA). Eine umweltfreundliche Lösung, denn beim Einsatz der beiden Peroxide entstehen als Nebenprodukte lediglich Wasser und biologisch gut abbaubare Essigsäure.

Als starke Oxidationsmittel bekämpfen die Per­oxide die in den Abwässern vorhandenen Keime. Viren, Bakterien und andere Mikroben werden durch unspezifische Wirkmechanismen abgetötet. „Die Peroxide durchdringen die Zellhülle von Mikroorganismen und verändern sie, sodass sie ihre Barrierefunktion verliert“, sagt Evonik-Experte Leininger. Außerdem werden die Enzyme im Zellinnern oxidiert und so irreversibel geschädigt. Beides lässt den Zellstoffwechsel zusammenbrechen. Vor allem PAA hat sich als potentes Desinfektionsmittel bewährt. Bereits ein Hundertstel der entsprechenden H₂O₂-Dosis bringt eine vergleichbare Wirkung. „Durch die lipophilen Eigenschaften des Acetyl-­Teils des Moleküls kann PAA besonders leicht in die Zellmembran eindringen“, erläutert Leininger. Zudem kann PAA – anders als H₂O₂ – nicht durch ein besonderes Enzym, die mikrobielle Katalase, abgebaut werden. Resistenzmechanismen gegen PAA sind deshalb bisher unbekannt.

Es grünt so grün dank H₂O₂

Durch den Einsatz einer neuen Technologie entsteht

unter Verwendung von Wasser, Luft und elektrischem

Strom Wasserstoffperoxid.

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Diese Vorteile wissen immer mehr Kommunen in den USA zu schätzen. So fiel vor wenigen Jahren in der 650.000-Einwohner-Stadt Memphis die Grundsatz­ent­scheidung, für die Abwasserbehandlung fortan PAA einzusetzen. Die Verantwortlichen einigten sich mit dem US-Unternehmen PeroxyChem auf einen langfristigen Liefervertrag mit unbedingter Zahlungsverpflichtung. Daraufhin begann der Peroxid-Hersteller vor zwei Jahren mit den Planungen für eine neue PAA-­Fabrik in der Region. Anfang November 2018 hat ­Evonik angekündigt, PeroxyChem übernehmen zu wollen.

Peroxide wie H₂O₂ und PAA reduzieren nicht nur die Keimbelastung. Sie eliminieren auch schwer abbaubare organische Spurenstoffe, die bei der Einleitung von Klärwasser in Oberflächengewässer ein Problem darstellen könnten. Zudem wird Wasserstoffperoxid zum Entgiften cyanidhaltiger Abwässer genutzt, wie sie in Galvanobetrieben, Härtereien, im Gichtgas von Hoch­öfen oder in Minen anfallen. H₂O₂ oxidiert dort Cyanid zu Cyanat, das zu Ammoniak und Kohlensäure hydro­lysiert wird. In Galvanobetrieben nutzt man Wasser­stoff­peroxid zudem, um die im Ätzprozess aus Salpetersäure entstehenden Stickoxide wieder zu Salpetersäure zu oxidieren.

Bei manchen Schadstoffen kann H₂O₂ allein nichts ausrichten. Geht es beispielsweise um die Entfernung von Benzolen oder Phenolen aus Abwasser, greifen Chemiker zu einem Trick: Wasserstoffperoxid wird entweder durch zweiwertige Eisenionen (Fe²+), UV-Strahlung oder Ozon zu Hydroxylradikalen (•OH) gespalten. Dieses Radikal ist eines der stärksten Oxidationsmittel überhaupt und reagiert mit fast allen organischen Verbindungen.

Wasserstoffperoxid:

201 Jahre voller Innovationen

Wasserstoffperoxid: 201 Jahre voller Innovationen – H₂O₂ in Haarbleichmittel, antibakteriellen Reinigungsmittel, Treibstoff und Waschmittel.

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UMWELTFREUNDLICHE ALTERNATIVE

Aus der Elektronikindustrie ist H₂O₂ bereits nicht mehr wegzudenken. Vor allem in Asien wächst die Nachfrage rasant. Halbleiterhersteller dort nutzen beispielsweise besonders reines Wasserstoffperoxid allein oder in Kombination mit Schwefelsäure, um Siliziumscheiben von Photolacken zu reinigen und mit einer wenige Nano­meter dünnen Oxidationsschicht zu versehen. Zudem wird das Gemisch bei der Herstellung von Leiterplatten als Ätzmittel genutzt. „Wasserstoffperoxid/Schwefelsäure-Ätzmittel werden wegen ihrer geringen Kosten, der guten Wirksamkeit und der reduzierten Entsorgungsprobleme gern gewählt“, berichtet Dr. ­Jürgen Glenneberg, Leiter Process Engineering im Geschäftsgebiet Active Oxygens. H₂O₂ wird zunehmend auch bei der Herstellung von Flüssigkristall­displays (LCD) eingesetzt, wo wasserstoffperoxidhaltige Lösungen die Kupferleiterbahnen zur Stromversorgung der LCDs herausätzen.

Keimfrei: Peroxide bekämpfen Mikroorganismen im Abwasser.

In einer Reihe großtechnischer Synthesen findet H₂O₂ ebenfalls Verwendung – zum Beispiel bei der Produktion von epoxidiertem Sojabohnenöl, einem wichtigen Weichmacher für PVC-Plastisole, der zunehmend auch in anderen Kunststoffen eingesetzt wird. Ein Gemisch aus Wasserstoffperoxid und Ameisensäure oxidiert dabei die Kohlenstoffdoppelbindungen in den Fettsäureketten unter Bildung der entsprechenden Epoxide. Bei der Synthese von Caprolactam, das unter anderem zur Herstellung von Nylonfasern verwendet wird, hat sich in jüngster Zeit ein auf Wasserstoff­per­oxid basiertes Verfahren durchgesetzt. Hierbei wird Ammoniak selektiv mit H₂O₂ zu Hydroxylamin oxidiert, das in situ mit Cyclohexanon zu Caprolactam ­reagiert. Im Gegensatz zu klassischen Verfahren können über diesen Weg Tausende Tonnen an sulfathaltigen Abfallprodukten eingespart werden.

Wie H₂O₂ produziert wird:

Das Anthrachinon-Verfahren

Das H₂O₂ Produktionsverfahren beruht auf der zyklischen Reduktion und Oxidation eines alkylierten Anthrachinons.

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Neben Wasserstoffperoxid selbst kommen auch einige Folgeprodukte zum Einsatz. Reagiert H₂O₂ mit Natrium­carbonat (Soda), so bildet sich das feste Addukt Natrium­percarbonat. Dies wird aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften in Vollwaschmitteln als Bleichmittel oder in Geschirrreinigern als Bleich- und Desinfektionsmittel eingesetzt. Als weiteres „festes Wasserstoffperoxid“ wird Percarbamid, eine Verbindung aus H₂O₂ und Harnstoff, zum Bleichen von Haaren und Zähnen genutzt. Ein besonders wichtiges H₂O₂-­Folgeprodukt ist Peressigsäure, eigentlich eine Gleichgewichtsmischung aus Essigsäure, Wasserstoffperoxid und Peressigsäure. Aufgrund der stark keim­tötenden Wirkung werden die unterschiedlichen Formulierungen überwiegend in Desinfektionsanwendungen in der Lebensmittelindustrie, der Tierhygiene, der Wäsche­desinfektion und im Umweltbereich eingesetzt.

Die größte Einzelanwendung für Wasserstoff­per­oxid stellt im Augenblick die Synthese von Propylen­oxid dar, einem wichtigen Ausgangsstoff für die Herstellung von Kunststoffen auf Basis von Polyurethanen, die zum Beispiel in Polstern von Autositzen und Möbeln oder als Isoliermaterial für Kühlgeräte Verwendung finden. Im sogenannten HPPO-Verfahren wird H₂O₂ als Oxida­tions­mittel verwendet, um Propylen zu Propylen­oxid zu epoxidieren, wobei als einziges Koppelprodukt Wasser anfällt.

Dank des eigens für das HPPO-Verfahren entwickel­ten Katalysators Titansilikat-1 (TS-1) läuft die Reaktion schon bei relativ milden Umgebungsbedingungen ab. „Weil die Rohmaterialien im Prozess besonders effizient verwertet werden, der Katalysator besonders leistungsfähig ist und die Investitionskosten vergleichsweise niedrig sind, ist der Prozess so kosteneffektiv“, erläutert Dr.  Florian Lode, der im Geschäftsgebiet ­Active Oxygens strategische Projekte leitet.

Gesund und haltbar: In der Lebensmittelindustrie werden PET-Flaschen vor der Abfüllung mit Wasserstoffperoxid sterilisiert.

KUNSTSTOFF-KOOPERATION

Entwickelt wurde das Verfahren von Evonik und thyssen­krupp Industrial Solutions, die nun auch gemeinsame Lizenzen dafür vergeben. Während thyssenkrupp Industrial Solutions vor allem für den Anlagenbau verantwortlich zeichnet, übernimmt Evonik die Versorgung der Lizenznehmer mit Wasserstoffperoxid und dem Katalysator TS-1. „Mit dem HPPO-Verfahren gelingt es unseren Kunden, die Umwelt zu entlasten und gleichzeitig nachhaltig sowie wirtschaftlich zu produzieren“, so Lode. „Ein perfektes Beispiel für Ressourceneffizienz in der chemischen Industrie.“

»Wasserstoffperoxid ermöglicht eine vielseitige Chemie – und zerfällt am Ende zu Wasser und Sauerstoff.«

FLORIAN LODE, LEITER STRATEGIC PROJECTS, PERFORMANCE OXIDANTS

In der Praxis kann man das zum Beispiel im Norden Ungarns erleben: In dem 17.000-Einwohner-Städtchen Tisza­új­város baut die ungarische MOL-Gruppe gerade eine riesige HPPO-Anlage, die im ersten Halbjahr 2021 in Betrieb gehen soll. Die Anlage ist Teil eines insgesamt knapp zwei Milliarden US-$ schweren Investitionsprogramms, mit dem MOL zum führenden Chemie­unternehmen in Mittelosteuropa und zum einzigen inte­grier­ten Poly­ole-Produzenten der Region aufsteigen will. In Asien wird das HPPO-Verfahren bereits seit ­einigen Jahren erfolgreich eingesetzt. So wurden die beiden ersten kommerziellen Anlagen in Ulsan (Süd­korea) und Jilin (China) errichtet.

Raumfahrt, Mikrotechnik, Umweltanwendungen, chemische Synthesen – aus der heutigen Welt ist der Power­stoff aus Sauerstoff nicht mehr wegzudenken. Fragt man den Evonik-Experten Lode, so ist die Kraft des Wasserstoffperoxids aber noch keinesfalls ausgereizt: „Wasserstoffperoxid ermöglicht eine vielseitige Chemie – bei der am Ende nur Wasser übrig bleibt. Das macht es im Zeitalter eines gestiegenen Umwelt­bewusstseins spannend, nach neuen Anwendungen für dieses Produkt zu suchen.“

Fotos: UPI/laif, ESA - S. Corvaja, picture-alliance/ZB, iStockphoto (2)

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05. März 2019

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