CHEMIENOBELPREIS 1931: FRIEDRICH BERGIUS — CARL BOSCH

Chemienobelpreis 1931: Friedrich Bergius — Carl Bosch

 

Die beiden Deutschen erhielten den Nobelpreis für ihre Verdienste »bei der Entdeckung und Entwicklung chemischer Hochdruckverfahren«.

 

 Biografien

 

Friedrich Bergius, * Goldschmieden (Polen) 11. 10. 1884, ✝ Buenos Aires (Argentinien) 31. 3. 1949; 1910 Gründung eines Privatlabors zur Erforschung der Kohle, 1911 Entwicklung eines Verfahrens zur direkten Kohlehydrierung, ab 1913 Leiter des wissenschaftlichen Labors der Goldschmidt AG Essen, ab 1916 im Kohleforschungslabor in Mannheim tätig.

 

Carl Bosch, * Köln 27. 8. 1874, ✝ Heidelberg 26. 4. 1940; 15.4.1899 Eintritt in die BASF, 1916 Vorstandsmitglied, 1919 Vorstandsvorsitzender, 1925 Vorstandsvorsitzender der I.G. Farbenindustrie AG, 1935 Aufsichtsratsvorsitzender, 1937 Präsident der Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft.

 

 Würdigung der preisgekrönten Leistung

 

Um die Jahrhundertwende wurde erkannt, dass die chilenischen Salpetervorräte, die bis dahin die Hauptquelle für stickstoffhaltige Düngemittel waren, in absehbarer Zeit erschöpft sein würden, und man suchte nach einem Ersatz.Stickstoff ist zwar mit 78 Prozent der Hauptbestandteil der Luft, jedoch ist dieser elementare Stickstoff sehr reaktionsträge und lässt sich nur schwer in Verbindungen überführen.

 

 Die Entwicklung des Haber-Bosch-Verfahrens

 

Fritz Haber (Nobelpreis 1918) hatte zwischen 1907 und 1909 in Karlsruhe ein Verfahren zur Synthese von Ammoniak aus Luftstickstoff entwickelt, das zwar im Labormaßstab funktionierte, aber zunächst nur sehr geringe Mengen Ammoniak lieferte. Bosch machte sich daran, dieses Verfahren so weiterzuentwickeln, dass es großtechnisch angewandt werden konnte. Zwei Probleme waren zu bewältigen. Das von Haber gefundene Verfahren erforderte neben einer hohen Reaktionstemperatur auch die Anwendung von hohem Druck. Zur Senkung der Temperatur und des Drucks konnten Katalysatoren eingesetzt werden.

 

Haber hatte mit Osmiumverbindungen gearbeitet, doch Osmium war sehr selten und teuer. Die BASF hatte zwar eine Option auf den gesamten Weltvorrat erworben, aber auch dieser betrug nur wenige Kilogramm, was für eine großtechnische Anwendung nicht ausreichte. Es galt also, einen Katalysator zu finden, der billiger und zugleich in genügender Menge vorhanden war. Nach mehrjähriger Arbeit an 20 000 verschiedenen Substanzen erwies sich reines Eisen mit einer Beimischung aus Tonerde als günstigster Katalysator.

 

Das zweite große Problem war die Anwendung hoher Drücke, die bisher bei großtechnischen Synthesen keine Rolle gespielt hatten. Trotz des Katalysators war immer noch ein Druck von etwa 200 bar nötig, und dies bei einer Reaktionstemperatur von etwa 500 bis 600 °C! Großtechnisch gab es noch nahezu keine Erfahrungen mit Materialien, die diesen Bedingungen standhielten. Bosch und seine Mitarbeiter experimentierten anfangs mit speziellen Stahlsorten, aber die daraus hergestellten Reaktionsgefäße platzten meist schon nach wenigen Tagen. Die Untersuchungen zeigten, dass der im Reaktionsgemisch enthaltene Wasserstoff hierfür verantwortlich war. Unter den herrschenden extremen Bedingungen griff er den Stahl an und entzog ihm den Kohlenstoff, der für die Festigkeit ausschlaggebend ist. Bei der Lösung dieses Problems kam Bosch seine Ausbildung im Maschinenwesen zugute. Das Besondere hierbei waren die so genannten »Bosch-Löcher«: Die Reaktionsgefäße erhielten eine Auskleidung aus Weicheisen, das kohlenstoffarm war und vom Wasserstoff nicht angegriffen wurde. Die äußere Hülle aus druckbeständigem Edelstahl erhielt kleine Bohrungen, durch die der hindurchdiffundierende Wasserstoff drucklos entweichen konnte.

 

Im Herbst 1913 ging in Oppau bei Ludwigshafen eine Fabrik in Betrieb, die Ammoniak nach dem Haber-Bosch-Verfahren herstellen sollte. Mit dem Beginn des Ersten Weltkriegs wurde die Entwicklung stark vorangetrieben, da Ammoniak, das in Salpeter umgewandelt wurde, wichtig für die Herstellung von Sprengstoffen war. Innerhalb kurzer Zeit wurde unter Leitung von Bosch in Leuna eine zweite, noch größere Ammoniakanlage errichtet. Trotz der kriegsbedingten Notwendigkeit des Einsatzes für die Sprengstoffindustrie verlor Bosch das eigentliche Ziel nicht aus den Augen. In diesem Zusammenhang steht die Gründung der Landwirtschaftlichen Versuchsanstalt Limburgerhof, wo in großem Maßstab Düngeversuche angestellt wurden. Noch heute wird Ammoniak fast ausschließlich nach dem Haber-Bosch-Verfahren erzeugt.

 

 Benzin aus Kohle

 

Bis zu Beginn des Ersten Weltkriegs überstieg der Verkauf von Benzin als Reinigungsmittel den von Benzin als Motortreibstoff. Verbreitet war hingegen bereits der Schiffsantrieb mit Dieselmotoren. Angesichts der zwar bescheidenen, aber zunehmenden Automobilisierung der Deutschen in den 1920er-Jahren, vor allem aber der aufkommenden Motorisierung in den USA, schien im Hinblick auf die damals bekannten Lagerstätten der Vorrat an Erdöl in wenigen Jahrzehnten aufgebraucht. Kohle galt als die sichere Ressource, um auch künftig eine Energieversorgung der industrialisierten Gesellschaften zu gewährleisten. Bergius erkannte, dass Kohle in Benzin umgewandelt werden konnte.

 

Der Prozess der Herstellung von Gas aus Kohle war seit der Beleuchtung der ersten Fabrik durch Matthew Boulton und James Watt in Großbritannien wohl bekannt. Bergius zielte in seinen Experimenten darauf ab, die eingesetzte Kohle nicht in gasförmige, sondern in flüssige Produkte umzuwandeln. Hierzu war nicht nur das Arbeiten unter erhöhten Temperaturen von etwa 450 bis 500 °C, sondern auch unter erhöhten Drücken von 100 bis 200 bar notwendig. Wie auch Carl Bosch musste Bergius spezielle Reaktionsgefäße entwickeln, die sowohl gegen die Hitze wie auch den Druck und darüber hinaus noch chemisch beständig waren. Der entscheidende Schritt zur Gewinnung flüssiger Produkte in den von Bergius und seinen Mitarbeitern erprobten Synthesen bestand in der Zugabe von Wasserstoff in den Reaktionsraum. Wasserstoff sollte die Kohle zu den gewünschten Kohlenwasserstoffen hydrieren. Die Kohle, die mit dem Wasserstoff reagieren sollte, wurde mit Öl vermischt. Dadurch konnte sie in das Reaktionsgefäß gepumpt werden, was den Transport und die Dosierung erleichterte und die Gefahr einer Staubexplosion vermied. Außerdem sorgte das Durchblasen des Wasserstoffs für eine gute Durchmischung der chemisch reagierenden Stoffe. Bei dieser Form der Kohlenhydrierung wurde verhindert, dass die Wand des Reaktiongefäßes durch den Wasserstoff spröde wurde und barst.

 

Aufgrund finanzieller Schwierigkeiten übertrug Bergius sein Verfahren an die I.G. Farbenindustrie AG, den Zusammenschluss der großen deutschen Chemiefirmen. Das nach dem Bergius-Pier-Verfahren seit 1927 in Leuna produzierte Benzin aus Kohle war anfangs jedoch teurer als das herkömmliche Benzin. Eine in den letzten Jahren der Weimarer Republik vorbereitete, aber erst im Dritten Reich abgeschlossene Übereinkunft, der »Reichsbenzinvertrag«, garantierte der I.G. Farben schließlich die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.