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.

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.

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.

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.

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.

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.