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Erde+Umwelt

Wie Stickstoffdünger umweltverträglicher werden könnte

Dünger
Forscher haben einen neuartigen Stickstoffdünger entwickelt. © Gesine Born/ DESY

Düngemittel bringen Erträge, führen aber zur Überdüngung von Gewässern und belasten das Grundwasser mit Nitrat. Abhilfe könnte nun eine neue Form des Stickstoffdüngers bringen, der sparsamer und umweltschonender ist. Für seine Herstellung werden Gips und Harnstoff vermahlen und bilden dabei Kristalle, die sich langsamer als gängiger Dünger lösen. Dadurch wird nur so viel Stickstoff freigesetzt, wie die Pflanzen aufnehmen können – das schont Böden und Gewässer und spart Harnstoff.

Um optimale wachsen zu können, benötigen Pflanzen bestimmte Nährstoffe, darunter vor allem Stickstoff und Phosphor. Die Nutzung von Düngemitteln hilft der modernen Landwirtschaft daher, hohe Erträge zu bringen. Doch gerade Stickstoffdünger werden zunehmend zum Umweltproblem: Weil gängige Düngemittel ihren Stickstoff schneller freisetzen als ihn die Pflanzen aufnehmen können, bleibt ein Überschuss im Boden zurück. Im Schnitt verwerten die Pflanzen nur die Hälfte des eingebrachten Stickstoffs, der Rest wird vom Regen ausgewaschen und gelangt in Seen, Flüsse und das Grundwasser. Dadurch kommt es zur Überdüngung von Gewässern, sauerstoffarmen Todeszonen in küstennahen Meeren und zu hohen Nitratwerten im Trinkwasser.

Mechanochemie statt Reagenzglas

Doch es geht auch anders, wie nun ein neuartiger Stickstoffdünger hoffen lässt. Ivana Brekalo vom Ruder-Boskovic-Institut in Zagreb und ihre Kollegen haben dafür eine alternative Methode der Herstellung entwickelt und getestet. Bisher werden die Stickstoffkomponenten gängiger Düngemittel – Ammoniak oder Harnstoff – im Haber-Bosch-Verfahren erzeugt, einer extrem energieintensiven Methode. In einem weiteren chemischen Prozess werden dann diese Grundstoffe mit Kalzium, Kalium oder andern mineralischen Komponenten verbunden. Wird der reine Harnstoff als Düngemittel eingesetzt, setzt sein mikrobieller Abbau große Mengen Ammoniakgas und Kohlendioxid frei. Sein Einsatz ist daher reglementiert, sofern er nicht mit einem Hemmstoff versetzt ist.

Brekalo und ihr Team haben nun nach einem Weg gesucht, ein harnstoffhaltiges, aber umweltfreundliches Düngemittel zu erzeugen – und dabei auf eine alte Technik zurückgegriffen: die Mechanochemie. „Seit Jahrtausenden mahlen wir Dinge, wie zum Beispiel Getreide fürs Brot“, erklärt Co-Autor Martin Etter vom Deutschen Elektronensynchrotron DESY in Hamburg. Was weniger bekannt ist: Durch mechanische Prozesse wie Mahlen, Vibrationen oder Kompression lassen sich auch chemische Reaktionen auslösen. Dies haben die Wissenschaftler nun für ihren neuen Dünger genutzt. Dafür wurden Gips und Harnstoff gemeinsam fein vermahlen, bis sie eine feste Verbindung eingingen.

Langsamere Freisetzung, weniger Überschuss

Woraus das resultierende Pulver besteht, untersuchte das Team mithilfe der Röntgenstrahlungsquelle PETRA III am DESY. Die Analysen ergaben, dass bei der mechanochemischen Verarbeitung ein Kokristall entsteht – ein Kristall, in dem die beiden Ausgangsstoffe wechselnde Struktureinheiten bilden. „Man kann sich Kokristalle wie Gebilde aus LEGO-Steinen vorstellen“, erklärt Etter. „Man hat zwei Arten von Steinen und bildet mit diesen beiden Steinen ein sich wiederholendes Muster.“ Das Resultat ist ein kristalliner Stickstoffdünger, der allein durch Mahlen zustande kommt und keine chemischen Nebenprodukte enthält. Gleichzeitig hat er besonders günstige Eigenschaften: Der Kokristall löst sich 20-mal schlechter in Wasser als Harnstoff und wird dadurch unter Bodenbedingungen über mindestens 90 Tage hinweg nahezu gleichmäßig abgegeben.

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Für den Einsatz in der Landwirtschaft bedeutet dies, dass der Kokristall-Dünger seinen Stickstoff langsam und dosiert abgibt als gängiger Harnstoffdünger. Die Pflanzen bekommen dadurch nur so viel Dünger, wie sie auch aufnehmen und verstoffwechseln können. Während bisher knapp 50 Prozent des Stickstoffs aus Harnstoffdünger und anderen Stickstoff-Düngemitteln ungenutzt bleibt und ausgewaschen wird, wird der neuartige Dünger komplett verwertet. Man benötigt daher nur halb so viel, um den gleichen Düngeeffekt zu erzielen – das schont Gewässer und Grundwasser, spart aber auch Rohstoffe. „Wenn man die Effizienz der Harnstoffmaterialien um 50 Prozent erhöht, muss man weniger Harnstoff über das Haber-Bosch-Verfahren herstellen und verringert die damit verbundenen Probleme wie zum Beispiel den Erdgasbedarf“, erläutert Co-Aautor Jonas Baltrusaitis von der Lehigh University in den USA. Als nächsten Schritt planen die Forschenden, ihr Verfahren auf den industriellen Maßstab zu skalieren.

Quelle: Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY; Fachartikel: Green Chemistry, doi: 10.1021/acssuschemeng.2c00914

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