Obwohl Wasserstoff etwa 75% der Masse des Universums ausmacht, war das harmlose kleine Element 1 im Periodensystem nicht leicht zu entdecken.
Bereits 1671 war ein irischer Chemiker namens Robert Boyle der erste, der das extrem leichte und brennbare Gas künstlich herstellte, während er mit Eisen und Säuren experimentierte. Aber weder er noch einige andere Wissenschaftler, die in den folgenden fast hundert Jahren Wasserstoff produzierten, erkannten, dass das Gas ein separates Element war.
1766 entdeckte der britische Wissenschaftler Henry Cavendish, dass Wasserstoff eine „diskrete Substanz“ ist, was ein eigenes Element bedeutet. Er nannte das Gas „brennbare Luft“ und spekulierte, es sei tatsächlich identisch mit einer hypothetischen Substanz namens „Phlogiston“, die aus dem Altgriechischen stammt und ein feuerähnliches Element beschreibt, das bei der Verbrennung freigesetzt wird. Cavendish, der normalerweise für die Entdeckung verantwortlich gemacht wird, fand 1781 auch heraus, dass das Gas beim Verbrennen Wasser produzierte.
Aber Wasserstoff erhielt seinen eigentlichen Namen von einem anderen Wissenschaftler, dem französischen Chemiker Antoine Lavoisier. Er leitete es vom griechischen Begriff für Wasser, Hydro, und dem Wort Wasserstoff ab, was Schöpfer bedeutet, weil Wasserstoff „Wasser erzeugt“, wenn es brennt.
Welche Farbe hat Wasserstoff?
Das Gas ist farblos, könnte man sofort sagen, was natürlich wahr ist. Aber da Wasserstoff als der Heilige Gral der grünen Energiewende gehypt wird, gaben die Wissenschaftler ihm drei zusätzliche Farben, um zu beschreiben, woher das Gas tatsächlich stammt.
Es gibt „grauen Wasserstoff“, der mit Erdgas erzeugt wird. Unglücklicherweise für Mutter Natur verursacht das Verfahren, das in der Petrochemie— und Düngemittelindustrie weit verbreitet ist, erhebliche Kohlenstoffemissionen. Auf globaler Ebene ist grauer Wasserstoff für fast 2% der weltweiten Emissionen verantwortlich.
Zweitens und mit einem geringeren ökologischen Fußabdruck gibt es „blauen Wasserstoff.“ Es basiert ebenfalls auf Erdgas, enthält aber CO2, das aus einer neuen Technologie namens Carbon Capture and Storage (CCS) gewonnen wird, die darauf abzielt, Kohlenstoffemissionen abzuscheiden, die normalerweise in die Luft gelangen und die Atmosphäre erwärmen würden.
Und schließlich haben wir „grünen Wasserstoff“, der das Produkt der Elektrolyse von Wasser mit erneuerbarem Strom ist, wobei die Netto-Kohlenstoffemissionen nahe Null liegen. Der offensichtliche große Vorteil von grünem Wasserstoff besteht darin, dass er überschüssigen Strom absorbieren kann, wenn das Angebot an Wind- und Solarenergie die Nachfrage übersteigt. Es würde bei sehr niedrigen und sogar negativen Strompreisen funktionieren und einen großartigen Business Case für die Produktion darstellen, wenn immer mehr erneuerbare Energien ans Netz gehen.
Die Physik und Chemie hinter Element 1
Es wird angenommen, dass Wasserstoff eines von drei Elementen ist, die im sogenannten Urknall produziert werden, die anderen sind Helium und Lithium. Es ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum und macht 75% der normalen Materie nach Masse und mehr als 90% nach Anzahl der Atome aus. Leben kann nicht ohne Wasserstoff existieren, weil es in fast allen Molekülen in Lebewesen ist.
Wasserstoff ist die Nummer 1 im Periodensystem, aber kann es auch die Nummer 1 sein, wenn es darum geht, die Umweltverschmutzung einzudämmen?
Wir verdanken den größten Teil der Energie auf unserem Planeten Wasserstoff, da die Kernbrände der Sonne Wasserstoff in Helium umwandeln und dabei enorme Mengen an Energie freisetzen. Das erste Kettenreaktionsexperiment der Menschheit wurde mit einer Mischung aus Wasserstoffgasen und Chlor durchgeführt. 1913 löste der deutsche Chemiker Max Bodenstein die Kettenreaktion in der Mischung aus — Jahre bevor die erste Kernkettenreaktion entdeckt wurde.
Wasserstoff ist das einfachste Atom. Es hat nur ein Proton im Kern, das nur von einem Elektron umkreist wird. Es ist das einzige Element, das keine Neutronen hat. Flüssiger Wasserstoff hat die niedrigste Dichte einer Flüssigkeit, während kristalliner Wasserstoff die niedrigste Dichte eines kristallinen Feststoffs aufweist. Es reagiert explosiv mit den Elementen Sauerstoff, Chlor und Fluor.
Antiwasserstoff ist das einzige Antimaterieelement, das bisher hergestellt wurde. Wissenschaftler am Teilchenbeschleuniger CERN in der Schweiz synthetisierten Antiwasserstoffatome für bis zu 17 Minuten und entdeckten, dass jedes Antiwasserstoffatom ein Positron (positiv geladene Version des Elektrons) enthält, das ein Antiproton (negativ geladene Version des Protons) umkreist.
Deutschland setzt auf saubere Wasserstoffenergie, um grüne Ziele zu erreichen
Unglaublich vielseitig
In der petrochemischen Industrie werden große Mengen Wasserstoff bei der Aufwertung fossiler Brennstoffe verwendet, insbesondere in einem Prozess namens Hydrodesulfurierung, der zur Abtrennung des Schwefels in den Brennstoffen verwendet wird.
Darüber hinaus gibt es einen Prozess namens Hydrierung, bei dem verschiedenen Substanzen Wasserstoff zugesetzt wird, um beispielsweise ungesättigte Fette und Öle in Margarinen in gesättigte umzuwandeln. In Kombination mit Stickstoff wird Wasserstoff zur Herstellung von Ammoniak für Düngemittel verwendet, und das vielseitige Gas kann sogar Erze zu Metallen reduzieren.
Aufgrund seiner vielen günstigen Eigenschaften, darunter niedrige Dichte und Viskosität sowie die höchste spezifische Wärmeleitfähigkeit aller Gase, ist Wasserstoff ein perfektes Kühlmittel in Kraftwerksgeneratoren.
In der Halbleiterindustrie wird Wasserstoff eingesetzt, um sogenannte gebrochene oder „baumelnde“ Bindungen von amorphem Silizium und amorphem Kohlenstoff zu sättigen, die zur Stabilisierung der Materialeigenschaften beitragen.
Nicht zu vergessen Wasserstoff als Energieträger. Experten sind sich einig, dass wir noch Jahrzehnte davon entfernt sind, das Gas für diesen Zweck zu nutzen, weil es dort nur im hypothetischen Kontext der kommerziellen Kernfusion eine Rolle spielen kann, eine Technologie, die derzeit noch weit von der Implementierung entfernt ist. Die Energie der Sonne stammt ebenfalls aus der Kernfusion von Wasserstoff, aber dieser Prozess war auf der Erde bisher nur schwer kontrolliert zu erreichen.
Eine Rolle in der Post-Kohlenstoff-Zukunft?
Leider benötigt die Herstellung von elementarem Wasserstoff mehr Energie, als durch Verbrennung gewonnen wird. Darüber hinaus ist die Energiedichte pro Volumeneinheit deutlich geringer als bei herkömmlichen fossilen Brennstoffen.
Vor dem Hintergrund der weltweiten Bemühungen zur Eindämmung des Klimawandels wird „grüner Wasserstoff“ jedoch als möglicher zukünftiger Energieträger diskutiert, der die Treibhausgasemissionen senken könnte.
Im Transportwesen könnten Brennstoffzellen, die Wasserstoff und Sauerstoff direkt in Strom umwandeln, den Verbrennungsmotor ersetzen und sogar die meisten Nachteile batteriebetriebener Autos wie Reichweite und Ladezeiten ausgleichen. Für schwere LKW scheint die Technologie die einzige kommerziell tragfähige kohlenstoffarme Alternative zu herkömmlichen Kraftstoffen zu sein, auch im Schienenverkehr.
Grüner Wasserstoff kann auch gespeichert, verteilt und als Rohstoff für stationäre Energie sowie Industrie- und Fertigungssektoren wie die Stahlerzeugung verwendet werden.
Obwohl grüner Wasserstoff ein vielversprechender Energieträger in einem kohlenstoffarmen Energiesystem ist, steht er immer noch vor erheblichen technischen und kommerziellen Herausforderungen. Seine Nachteile wie schwache Energieeffizienz und enorme Infrastrukturanforderungen könnten außerhalb einiger Kernanwendungen überwältigend sein.