Nachhaltigkeit in der Chemie

Grünes Design allein reicht nicht mehr

Von Klaus Kümmerer
 - 11:41

Wie uns das Kupferbeil von „Ötzi“ zeigt, hat die Menschheit schon in der präfossilen Kupferzeit chemische Stoffe in erstaunlichen Mengen umgewandelt, was enorme Folgen für Gesellschaft, Kultur und Handel hatte. Vor etwa 150 Jahren begann mit dem Übergang von Alchemie zur Chemie der Siegeszug der Chemie als Wissenschaft und als Industriezweig. Die Folge war eine ungeheure Zunahme an Vielfalt und Komplexität von Stoffen, Materialien und Produkten. Selbst vermeintlich einfache Kunststoffe, die heutzutage zum Verpacken von Lebensmitteln verwendet werden, enthalten oft mehrere unterschiedliche Bestandteile. Ganz zu schweigen von Materialien, wie sie für die Energiewende (Rotorblätter von Windrädern oder Photovoltaikzellen), für die Mobilitätswende (Batterien und Hochleitungskunststoffe) und für die moderne Kommunikation (Touchscreens oder Speichermedien) benötigt werden. Die Chemie wie auch die Pharmazie sind zu einem der wesentlichen Pfeiler geworden, auf dem unsere Gesundheit und unser Wohlstand beruhen. Materialien und Stoffe, die lange als inkompatibel galten, sind heute Bestandteile von komplexen Verbundmaterialien. Gleichzeitig werden chemische Verbindungen immer spezifischer in ihrer Funktion.

Die Spuren der bisherigen Erfolgsgeschichte der Chemie sind vielfältig und global sichtbar. Die enorme Zunahme der Nutzung von Rohstoffen aller Art – mittlerweile nutzen wir die Elemente des gesamten Periodensystems – und der daraus hergestellten Stoffe, Materialien und Produkte sowie die enormen Tonnagen, die über die ganze Welt bewegt und verteilt werden, sind nicht ohne Folgen geblieben. Am Ende ihres Lebens begegnen uns die Produkte weltweit wieder als Abfälle, etwa in Form von Elektroschrott oder „wertlosen“ Kunststoffen in den Ozeanen oder als Verunreinigung in Gewässern oder Böden, verursacht von Arzneimitteln, Flammschutzmitteln, Produkten der Körperhygiene und Kosmetik, Weichmachern, Pestiziden, Bioziden, Tensiden, Korrosionsschutzmitteln oder UV-Absorbern. Einhergehend mit ihrer zunehmenden Nutzung, trifft man vermehrt auch auf Metalle, die vor zehn Jahren selbst bei vielen Chemikerinnen und Chemikern kaum bekannt waren oder als Laborkuriositäten galten. Die „grüne Chemie“ und ihre Grundprinzipien sind eine wichtige Voraussetzung dafür, umweltfreundlichere Stoffe weniger umweltbelastend zu produzieren. Aber wann ist eine Verbindung tatsächlich „grün“? Genügt es, eines der Grundprinzipien zu erfüllen, oder müssen es alle sein? Wird die Chemie dadurch allein schon nachhaltig? Und wie werden die Prinzipien gegeneinander gewichtet? So wäre es möglich, dass sogar ein chemischer Kampfstoff alle Prinzipien der „grünen Chemie“ erfüllt.

Es gibt oft auch nichtchemische Lösungen

Eines dieser Grundprinzipien ist das zielgerichtete Design von Stoffen, damit sie nach der Nutzung natürlich abgebaut werden können, ohne der Umwelt zu schaden. Chemikalien, die nach ihrem Eintrag in die Umwelt schnell und vollständig abgebaut werden, sind in der Zukunft unabdingbar: Sie verhindern nicht nur die Verschmutzung von Gewässern und machen damit große Investitionen in die Aufrüstung von Kläranlagen und die intensive Aufbereitung von „Rohwasser“ etwa zu Trinkwasser unnötig. Von vollständig abbaubaren Stoffen profitierten massiv auch jene Länder, die über keine eigene Abwasserreinigung verfügen. Das würde hier nicht nur die Wasserqualität verbessern, sondern auch die Ernährungssituation, da immer mehr Abwässer aufgrund der wachsenden Bevölkerung und der Wasserverknappung (in)direkt wiederverwendet werden müssen. Allerdings, wenn viele chemische Stoffe gar nicht erst verwendet würden, bedürfe es auch keines Substituts. Darüber hinaus wären alle Ressourcen, die man zu deren Synthese benötigt, nicht notwendig, und die mit der Synthese einhergehenden Abfälle würden nicht entstehen. So kann sich durch kluge Planung die Anwendung eines Fungizides für den Holzschutz erübrigen. In einer Klinik könnte man den Hygienestandard auch ohne vermehrten Gebrauch von Desinfektionsmitteln erhöhen, indem man etwa verstärkt auf Ausbildung und auf das Wissen in der medizinische Mikrobiologie setzt. Natürlich sind hier Grenzen gesetzt, denn ganz ohne Chemie wird es nicht gehen, aber deutliche Verbesserungen sind möglich.

Die wenigen Beispiele demonstrieren die Limitierung der „grünen Chemie“. Damit diese im wahrsten Sinne des Wortes nachhaltig erfolgreich ist, braucht es auch einen viel weiter gefassten Blick, der weit über die eigentliche Chemie hinausgeht: den der nachhaltigen Chemie. Eine Definition von nachhaltiger Chemie wäre aber hinderlich, denn die Chemie selbst, ihre Anwendung und ihre Produkte sind so vielfältig, dass immer ein spezifischer Aspekt nicht oder nicht richtig oder nicht vollständig getroffen würde. Vielmehr ist die nachhaltige Chemie ein Leitbild. Sie geht von einer Funktion oder einem Zweck aus, der in einem gegebenen Kontext benötigt wird, und fragt zuerst, ob bestimmte Stoffe in einer bestimmten Anwendung oder in einem Produkt notwendig sind. Davor steht die Frage, ob es nicht chemische Alternativen gibt. Ein Beispiel ist ein spezielles architektonisches Design, das Holzschutzmittel überflüssig macht. Erst wenn klar ist, dass eine chemische Verbindung für einen bestimmten Zweck benötigt wird, stellt sich in der nachhaltigen Chemie die Frage, welche chemische Verbindung die benötigte Funktion am besten bereitstellen kann und wie sie am nachhaltigsten verwirklicht werden kann. Dabei werden alle Aspekte entlang des gesamten Lebenswegs auch über den eigentlichen chemischen Kontext hinaus betrachtet.

Es geht immer etwas verloren

Auch gilt es, allgegenwärtige Fallen und falsche Leitbilder – auch innerhalb der grünen und nachhaltigen Chemie – zu identifizieren und zu vermeiden. Geschlossene Stoffkreisläufe (Circular Economy) beispielsweise haben wir lange noch nicht vollständig verstanden. Das „Vorbild Natur“ führt uns hier auf den falschen Weg. Die vielen zirkulierenden kritischen Stoffe wie die Stoff-, Material- und Produktströme werden dadurch nicht automatisch kleiner oder besser zu recyclen. Das vielfach als Ausweg gepriesene „Upcycling“, bei dem Abfallprodukte oder scheinbar nutzlose Stoffe in neuwertige Produkte umgewandelt werden, gibt es nicht. Wir werden immer etwas von den Bestandteilen unwiederbringlich verlieren, die dann als Rohstoffe fehlen und (oder) die Umwelt belasten. Wir können nach den Gesetzen der Thermodynamik lediglich den Umfang der unvermeidlichen Verluste minimieren und zahlen dafür einen Preis. Je weniger Bestandteile eines Produkts wir verlieren wollen, desto mehr Energie müssen wir aufwenden, und desto mehr Entropie entsteht. Das zeigt sich an Umwelt- und Gesundheitsbelastungen, am Verlust von Rohstoffen und Materialien oder an deren geringerer Qualität. Hierzu zwei Beispiele: Alte PET-Getränkeflaschen lassen sich zu Textilien verarbeiten. Durch die Zugabe von Farbstoffen und Additiven wie UV-Stabilisatoren oder UV-Schutz sinkt aber die Materialreinheit, die das weitere Recycling erschwert. Moderne Kunststoffe sollen unter anderem durch Gewichtsreduktion den Kraftstoffverbrauch von Autos reduzieren und damit die CO₂-Bilanz verbessern. Solche und viele andere Kunststoffe bestehen schon lange nicht mehr nur aus einem Polymer, sondern oft aus einer physikalischen oder chemischen Mischung vieler unterschiedlicher Polymere und aus einer Vielzahl von Additiven, was die Wiedergewinnung außerordentlich erschwert oder gar unmöglich macht. Eine chemische De-Polymerisation hat ebenfalls mit den unterschiedlichen Bestandteilen heutiger Kunststoffe zu kämpfen – von der Energiebilanz ganz abgesehen. Das beim Autofahren durch Gewichtsreduktion eingesparte CO₂ wird wie die Entropieproduktion lediglich in andere Bereiche oder in spätere Zeiten (zum Beispiel ans Lebensende des Autos) transferiert. Müssten wir also nicht zuerst über Mobilität nachdenken und dann fragen, was die Chemie nachhaltig dazu beitragen kann?

Die „Industrie 4.0“ könnte hier eine Chance bieten, wenn wir sie umfassend genug verstehen, sie gemäß der nachhaltigen Chemie nutzen und dabei nicht vergessen, dass auch sie eine materielle Basis benötigt. Die vierte industrielle Revolution darf auch nicht dazu führen, dass durch sie Stoff-, Material- und Produktströme, weiter verringerte Produktionskosten und immer kürzere und schnellere Innovationzyklen zu weiter steigenden Stoff-, Produkt- und Materialströmen führen. Die hier nur exemplarisch angedeuteten, weit über das „Kerngeschäft“ der herkömmlichen Chemie, der Synthese und des Verkaufs chemischer Produkte hinausgehenden Gesamtbetrachtungen sind das Kennzeichen einer nachhaltigen, auch künftig erfolgreichen Chemie.

Im Jahr 2015 haben die Vereinten Nationen die sogenannten „Sustainable Development Goals“ (SDGs) verabschiedet. Sie zeigen Ziele auf, welche die Menschheit bis 2030 erreichen muss, um langfristig für alle ein menschenwürdiges Leben und einen gewissen materiellen Wohlstand zu ermöglichen. Ein genauer Blick zeigt, dass die meisten Ziele mit Chemie zu tun haben. Die angedeutete neue und breitere Sichtweise der nachhaltigen Chemie ist Voraussetzung und Garant gleichzeitig für einen nachhaltigen Beitrag der Chemie. Dazu bedarf es aller Akteure, beginnend mit den Studenten, der Forschung, den kleineren Unternehmen bis hin zu den global tätigen Konzernen sowie den Nutzern chemischer Produkte.

Der Beitrag ist im Rahmen unserer Serie „Die Zukunft hat begonnen“ erschienen.

Über den Autor

Klaus Kümmerer ist Professor für Nachhaltige Chemie und Stoffliche Ressourcen sowie Leiter des Instituts für Nachhaltige Chemie und Umweltchemie an der Leuphana Universität Lüneburg.

Quelle: F.A.Z.
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