Ohne diese vier Materialien kann die moderne Welt nicht existieren

Oct 09, 2023

Moderne Gesellschaften wären ohne die Massenproduktion vieler künstlicher Materialien unmöglich. Wir könnten eine wohlhabende Zivilisation haben, die reichlich Nahrung, materiellen Komfort und Zugang zu guter Bildung und Gesundheitsversorgung ohne Mikrochips oder Personalcomputer bietet: Bis in die 1970er Jahre hatten wir einen, und bis in die 1990er Jahre gelang es uns, die Wirtschaft zu erweitern und aufzubauen Errichten Sie die erforderlichen Infrastrukturen und verbinden Sie die Welt per Jetliner ohne Smartphones und soziale Medien. Aber ohne die Bereitstellung zahlreicher Materialien, die zur Verwirklichung der unzähligen unserer Erfindungen erforderlich sind, könnten wir unsere Lebensqualität nicht genießen.

Vier Materialien stehen auf der Skala der Notwendigkeit an erster Stelle und bilden das, was ich die vier Säulen der modernen Zivilisation genannt habe: Zement, Stahl, Kunststoffe und Ammoniak werden in größeren Mengen benötigt als andere wesentliche Inputs. Die Welt produziert derzeit jährlich etwa 4,5 Milliarden Tonnen Zement, 1,8 Milliarden Tonnen Stahl, fast 400 Millionen Tonnen Kunststoffe und 180 Millionen Tonnen Ammoniak. Den Spitzenplatz als unser wichtigstes Material verdient jedoch Ammoniak: Seine Synthese ist die Grundlage aller Stickstoffdünger, und ohne deren Anwendung wäre es auf dem derzeitigen Niveau unmöglich, fast die Hälfte der heutigen knapp 8 Milliarden Menschen zu ernähren.

Im bevölkerungsreichsten Land der Erde ist die Abhängigkeit sogar noch höher: Die Ernährung von drei von fünf Chinesen hängt von der Synthese dieser Verbindung ab. Diese Abhängigkeit rechtfertigt leicht, die Ammoniaksynthese als den bedeutendsten technischen Fortschritt der Geschichte zu bezeichnen: Andere Erfindungen sorgen für unseren Komfort, unsere Bequemlichkeit oder unseren Reichtum oder verlängern unser Leben – aber ohne die Ammoniaksynthese könnten wir das Überleben von Milliarden von heute lebenden Menschen nicht sichern noch nicht geboren.

Kunststoffe sind eine große Gruppe synthetischer organischer Materialien, deren gemeinsame Eigenschaft darin besteht, dass sie in die gewünschte Form gebracht werden können – und sie sind mittlerweile überall zu finden. Während ich das tippe, bestehen die Tasten meines Dell-Laptops und einer kabellosen Maus unter meiner rechten Handfläche aus Acrylnitril-Butadien-Styrol, ich sitze auf einem Drehstuhl mit Polyesterstoffbezug, dessen Nylonräder auf einer Teppichschutzmatte aus Polycarbonat ruhen deckt einen Polyesterteppich ab. Doch im Gesundheitswesen im Allgemeinen und in Krankenhäusern im Besonderen sind Kunststoffe mittlerweile unverzichtbar. Das Leben beginnt (auf Entbindungsstationen) und endet (auf Intensivstationen) umgeben von Plastikgegenständen, die vor allem aus verschiedenen PVC-Arten bestehen: flexible Schläuche (zur Ernährung von Patienten, zur Sauerstoffversorgung und zur Überwachung des Blutdrucks), Katheter, intravenöse Behälter, Blutbeutel, sterile Verpackungen, Tabletts und Becken, Bettpfannen und Bettgitter, Wärmedecken.

Die Stärke, Haltbarkeit und Vielseitigkeit von Stahl bestimmen das Erscheinungsbild der modernen Zivilisation und ermöglichen ihre grundlegendsten Funktionen. Dies ist das am häufigsten verwendete Metall und bildet unzählige sichtbare und unsichtbare kritische Komponenten der modernen Zivilisation, von Wolkenkratzern bis hin zu Skalpellen. Darüber hinaus wurden fast alle anderen metallischen und nichtmetallischen Produkte, die wir verwenden, mit Werkzeugen und Maschinen aus Stahl gewonnen, verarbeitet, geformt, veredelt und vertrieben, und kein modernes Massentransportmittel könnte ohne Stahl funktionieren. Ein durchschnittliches Auto enthält etwa 900 Kilogramm Stahl, und bevor Covid-19 ausbrach, wurden weltweit fast 100 Millionen Fahrzeuge pro Jahr hergestellt.

Zement ist natürlich der Hauptbestandteil von Beton: Zusammen mit Sand, Kies und Wasser ist er der am häufigsten eingesetzte Werkstoff. Moderne Städte sind Verkörperungen von Beton, ebenso wie Brücken, Tunnel, Straßen, Dämme, Landebahnen und Häfen. China produziert mittlerweile mehr als die Hälfte des weltweiten Zements und hat in den letzten Jahren in nur zwei Jahren so viel produziert wie die Vereinigten Staaten im gesamten 20. Jahrhundert. Eine weitere erstaunliche Statistik besagt, dass die Welt heute in einem Jahr mehr Zement verbraucht als in der gesamten ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts.

Und diese vier Materialien, so unterschiedlich in ihren Eigenschaften und Qualitäten, haben drei gemeinsame Merkmale: Sie sind nicht ohne weiteres durch andere Materialien ersetzbar (sicherlich nicht in naher Zukunft oder im globalen Maßstab); wir werden in Zukunft noch viel mehr davon brauchen; und ihre Massenproduktion hängt stark von der Verbrennung fossiler Brennstoffe ab, was sie zu Hauptverursachern von Treibhausgasemissionen macht. Organische Düngemittel können synthetisches Ammoniak nicht ersetzen: Ihr geringer Stickstoffgehalt und ihre weltweite Masse reichen nicht aus, selbst wenn alle Düngemittel und Ernterückstände recycelt würden. Kein anderes Material bietet für viele leichte und dennoch langlebige Anwendungen solche Vorteile wie Kunststoffe. Kein anderes Metall ist so erschwinglich und stabil wie Stahl. Kein anderes Massenmaterial eignet sich so gut für den Bau einer starken Infrastruktur wie Beton (oft mit Stahl verstärkt).

Was den künftigen Bedarf angeht, könnten Länder mit hohem Einkommen ihren Düngemittelverbrauch reduzieren (weniger Fleisch essen, weniger verschwenden), und China und Indien, die beiden starken Verbraucher, könnten ihren übermäßigen Düngemitteleinsatz ebenfalls reduzieren, aber Afrika ist der Kontinent mit dem schnellsten Verbrauch Die wachsende Bevölkerung ist weiterhin von Düngemitteln abhängig, obwohl das Land bereits ein bedeutender Lebensmittelimporteur ist. Die Hoffnung auf eine größere Selbstversorgung mit Nahrungsmitteln beruht auf dem verstärkten Einsatz von Stickstoff: Schließlich betrug der Ammoniakverbrauch des Kontinents zuletzt weniger als ein Drittel des europäischen Durchschnitts. Für die Ausweitung medizinischer (alternde Bevölkerungen) und infrastruktureller (Rohre) Anwendungen sowie im Transportwesen (siehe Innenausstattung von Flugzeugen und Hochgeschwindigkeitszügen) werden mehr Kunststoffe benötigt. Wie bei Ammoniak muss auch der Stahlverbrauch in allen einkommensschwachen Ländern mit unterentwickelten Infrastrukturen und Transportmitteln steigen. Und für die Herstellung von Beton wird viel mehr Zement benötigt: Wohlhabende Länder müssen verfallende Infrastrukturen reparieren (in den USA erhalten alle Sektoren, in denen Beton vorherrscht, einschließlich Dämme, Straßen und Luftfahrt, in landesweiten Ingenieurbewertungen die Note „D“), in einkommensschwachen Ländern dagegen Erweitern Sie Städte, Abwasserkanäle und Transportmittel.

Darüber hinaus wird der bevorstehende Übergang zu erneuerbaren Energien große Mengen an Stahl, Beton und Kunststoffen erfordern. Kein Bauwerk ist ein offensichtlicheres Symbol für „grüne“ Stromerzeugung als große Windkraftanlagen – aber ihre Fundamente bestehen aus Stahlbeton, ihre Türme, Gondeln und Rotoren bestehen aus Stahl und ihre massiven Rotorblätter bestehen aus energieintensiven – und schwer zu recycelnden – Kunststoffharzen , und all diese riesigen Teile müssen mit übergroßen Lastkraftwagen (oder Schiffen) zu den Installationsorten gebracht und von großen Stahlkränen aufgestellt werden, und Turbinengetriebe müssen wiederholt mit Öl geschmiert werden. Nur wenn alle Materialien ohne fossile Brennstoffe hergestellt würden, könnten diese Turbinen wirklich grünen Strom erzeugen.

Für die Herstellung all dieser Materialien sind fossile Brennstoffe nach wie vor unverzichtbar.

Bei der Ammoniaksynthese wird Erdgas sowohl als Wasserstoffquelle als auch als Energiequelle für die Bereitstellung hoher Temperaturen und Drücke genutzt. Rund 85 % aller Kunststoffe basieren auf einfachen Molekülen aus Erdgas und Erdöl, außerdem liefern Kohlenwasserstoffe Energie für Synthesen. Die Produktion von Primärstahl beginnt mit dem Schmelzen von Eisenerz im Hochofen in Gegenwart von aus Kohle hergestelltem Koks und unter Zugabe von Erdgas. Das resultierende Gusseisen wird in großen Sauerstofföfen zu Stahl verarbeitet. Und Zement wird durch Erhitzen von gemahlenem Kalkstein und Ton sowie Schiefer in großen Öfen und langen geneigten Metallzylindern hergestellt, die mit minderwertigen fossilen Brennstoffen wie Kohlenstaub, Petrolkoks und schwerem Heizöl erhitzt werden.

Infolgedessen beansprucht die weltweite Produktion dieser vier unverzichtbaren Materialien etwa 17 Prozent der jährlichen Gesamtenergieversorgung der Welt und verursacht etwa 25 Prozent aller CO2-Emissionen, die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen. Die Verbreitung dieser Abhängigkeit und ihr Ausmaß machen die Dekarbonisierung der vier materiellen Säulen der modernen Zivilisation zu einer außerordentlichen Herausforderung: Der Ersatz fossiler Brennstoffe bei ihrer Produktion wird weitaus schwieriger und kostspieliger sein als die Erzeugung von mehr Strom aus erneuerbaren Energiequellen (hauptsächlich Wind- und Solarenergie). Irgendwann werden neue Prozesse die Oberhand gewinnen – aber derzeit gibt es keine Alternativen, die sofort eingesetzt werden könnten, um große Teile der bestehenden globalen Kapazitäten zu ersetzen: Ihre Entwicklung wird Zeit brauchen.

Sowohl die Synthese von Ammoniak als auch das Schmelzen von Stahl könnten auf Wasserstoff statt auf Erdgas und Koks basieren. Wir wissen, wie das geht – aber es wird einige Zeit dauern, bis wir Hunderte Millionen Tonnen grünen Wasserstoffs produzieren können, der aus der Elektrolyse von Wasser mithilfe von Wind- oder Solarstrom gewonnen wird (praktisch der gesamte heutige Wasserstoff wird aus Erdgas und Kohle gewonnen). . Die beste Prognose besagt, dass grüner Wasserstoff bis 2030 2 % des weltweiten Energieverbrauchs decken würde, weit weniger als die Hunderte Millionen Tonnen, die letztendlich für die Dekarbonisierung der Ammoniak- und Stahlproduktion benötigt werden. Im Gegensatz dazu kann die Dekarbonisierung der Zementproduktion nur bis zu einem gewissen Grad durch die Verwendung von Abfallstoffen und Biomasse erreicht werden, und es müssen neue Verfahren entwickelt und kommerzialisiert werden, um Zement CO2-frei zu machen. Ebenso gibt es keinen einfachen Weg, die Kunststoffproduktion zu dekarbonisieren, und die Maßnahmen reichen von pflanzlichen Rohstoffen über mehr Recycling bis hin zur Substitution durch andere Materialien.

Und jenseits dieser vier Materialsäulen entstehen neue und sehr energieintensive Materialabhängigkeiten und Elektroautos sind ihr bestes Beispiel. Eine typische Lithium-Autobatterie mit einem Gewicht von etwa 450 Kilogramm enthält etwa 11 Kilogramm Lithium, knapp 14 Kilogramm Kobalt, 27 Kilogramm Nickel, mehr als 40 Kilogramm Kupfer und 50 Kilogramm Graphit – sowie rund 181 Kilogramm Stahl, Aluminium und Kunststoffe. Um diese Materialien für ein einzelnes Fahrzeug bereitzustellen, müssen etwa 40 Tonnen Erze verarbeitet werden, und angesichts der geringen Konzentration vieler Elemente in ihren Erzen müssen etwa 225 Tonnen Rohstoffe abgebaut und verarbeitet werden. Und eine aggressive Elektrifizierung des Straßenverkehrs würde bald eine Vervielfachung dieses Bedarfs um mehrere zehn Millionen Einheiten pro Jahr erfordern!

Moderne Volkswirtschaften werden immer an massive Materialströme gebunden sein, sei es an ammoniakhaltigen Düngemitteln zur Ernährung der immer noch wachsenden Weltbevölkerung; Kunststoffe, Stahl und Zement, die für neue Werkzeuge, Maschinen, Strukturen und Infrastrukturen benötigt werden; oder neue Inputs, die zur Herstellung von Solarzellen, Windkraftanlagen, Elektroautos und Speicherbatterien erforderlich sind. Und bis alle zur Gewinnung und Verarbeitung dieser Materialien verwendeten Energien aus erneuerbaren Energiequellen stammen, wird die moderne Zivilisation grundsätzlich von den fossilen Brennstoffen abhängig bleiben, die bei der Produktion dieser unverzichtbaren Materialien verwendet werden. Keine künstlichen Intelligenz-Designs, keine Apps, keine Behauptungen über eine kommende „Dematerialisierung“ werden das ändern.

Adaptiert von HOW THE WORLD REALLY WORKS von Vaclav Smil, herausgegeben von Viking, einem Abdruck der Penguin Publishing Group, einem Geschäftsbereich von Penguin Random House, LLC. Copyright © 2022 von Vaclav Smil.

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