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Der Straßenbau soll nachhaltiger werden. Ein Gespräch mit Hinrich Grothe von der Technischen Universität Wien über Recyclingasphalt, die Alterung von Bitumen und pflanzliche Verjüngungsmittel.Nachrichten aus der Chemie: Bitumen fällt eigentlich als Destillationsrückstand in Erdölraffinerien an; zusammen mit Gesteinskörnungen bildet es Asphalt. War es eine gute Idee, damit Straßen zu bauen?Hinrich Grothe: Welche Alternativen haben wir? Die andere Möglichkeit wären Straßen aus <link href="#nadc20244145989-fig-0001">Beton, doch beim Brennen von Zement wird noch mehr CO2 freigesetzt. Asphalt hat viele Vorteile und es ist vernünftig, Straßen, Geh- und Fahrradwege so zu bauen. Allerdings muss Asphalt nicht unbedingt ein Erdöldestillat enthalten. Bituminöse Stoffe lassen sich auch anders herstellen oder ergänzen, mit Kunststoffabfällen oder vielleicht sogar aus Biomasse. Da besteht noch Forschungsbedarf, aber grundsätzlich ist das machbar.<figure xml:id="nadc20244145989-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/Ndu3HdCASUq39xdNedKy"><figcaption><label>Abb.1: </label>Foto: safu designe / Adobe Stock, KI-generiert</figcaption></figure></figure>Könnte Bitumen zukünftig knapp werden?Direkt knapp wird Bitumen nicht, Rohöl gibt es aktuell noch genug. Wenn aber immer mehr Leute Elektroautos fahren und Raffinerien deswegen weniger Kraftstoff produzieren, wird das Nebenprodukt Bitumen irgendwann zurückgehen. Möglich wäre, dass sich Raffinerien zukünftig spezialisieren. Heute sind das Gemischtwarenläden, die viele verschiedene Produkte herstellen. In Zukunft werden sich einige vielleicht stärker in Richtung Rohstoffe für Polymere entwickeln, andere könnten sich auf Spezialkraftstoffe und Bitumen konzentrieren. In den nächsten zehn Jahren wird sich zeigen, wohin sich das Raffineriegeschäft entwickelt.Sie beschäftigen sich mit der Analytik von Bitumen und verwandten Werkstoffen. Was interessiert Sie an dem Material?Wir möchten die Alterung von Bitumen verstehen, auch chemisch. Bitumen ist ein organisches Material. Es reagiert mit Oxidantien aus der Luft und verändert sich im Lauf der Jahre. Das Bitumen versprödet durch die Änderung der chemischen Zusammensetzung und verliert seine Viskoelastizität, dadurch bilden sich Risse im Asphalt und letztendlich Schlaglöcher.Wie untersucht man die Alterung von Bitumen?In Prüflaboren gibt es dafür Standardmethoden, die aber nicht sehr realitätsnah sind. Da werden zum Beispiel Druck und hohe Temperatur an die Probe angelegt. Das aber beeinflusst die Reaktionskinetik. Wir untersuchen die Alterung bei Normaldruck und in Anwesenheit von Stickoxiden, Ozon und anderen Oxidantien, die im Großstadtsmog vorkommen. Dass wir den realen Bedingungen damit ziemlich nahekommen, sehen wir, wenn wir unsere Laborresultate mit den Messungen an echten Straßenproben vergleichen.Bitumen ist ein äußerst komplexes Stoffgemisch. Wie kommt die Analytik damit zurecht?Wenn wir spektroskopische Techniken auf Bitumen anwenden, sehen wir tatsächlich nicht viel. Bitumen enthält fast alles, was man sich in der organischen Chemie vorstellen kann. Wir unterteilen es daher in vier Hauptfraktionen, und zwar in die gesättigten Verbindungen, die kleinen Aromaten, die Harze und die großen Asphaltene. Mit der Polaritätschromatografie lassen sich diese vier Fraktionen voneinander trennen und noch weiter aufspalten. Und dann sehen wir in den Spektren Informationen, die vorher verdeckt waren.Welche spektroskopischen Methoden setzen Sie ein?Wir verwenden vor allem Fluoreszenz- und Infrarotspektroskopie. Bitumen zeigt eine starke Eigenfluoreszenz, und dieses Signal korreliert mit dem Alterungszustand. Die Infrarotspektroskopie ist ebenfalls eine dankbare Methode, denn die vielen funktionellen sauerstoffhaltigen Gruppen ergeben wegen der starken Dipolmomentänderungen während der Schwingung gute IR-Spektren. Seit einiger Zeit nutzen wir in Zusammenarbeit mit Thomas Rosenau von der Universität für Bodenkultur Wien auch NMR-Spektroskopie, wobei wir verschiedene zweidimensionale Varianten verwenden. In den Korrelationsplots lassen sich so alterungsbedingte chemische Änderungen viel detaillierter erkennen.Beschränkt sich Ihr Labor auf die chemische Analytik?Nein, mechanische Testverfahren sind bei einer viskoelastischen Substanz wie Bitumen ebenfalls wichtig. Wir korrelieren die Ergebnisse von chemischen, physikalischen und mechanischen Untersuchungen. In der IR-Spektroskopie sehen wir beispielsweise, wenn durch Oxidation sauerstoffhaltige Gruppen entstehen. Diesen Alterungsindex aus den IR-Spektren gleichen wir ab mit den Ergebnissen aus rheologischen Messungen.In dem Projekt „No Bitumen“ (Kasten, S. 31) beschäftigen Sie sich mit pflanzenbasierten Produkten, die altes Bitumen im Recyclingasphalt aufpeppen sollen. Welche Mittel sind besonders vielversprechend?Das wissen wir noch nicht. Wir stehen noch am Anfang des Projektes. Momentan sind wir gemeinsam mit Michael Wistuba und seinem Team von der TU Braunschweig damit beschäftigt, die Substanzen zu charakterisieren. Wir schauen zum Beispiel, wie sich die pflanzlichen Zusätze auf das Fluoreszenzspektrum auswirken. Biologische Materialien haben oft eine Eigenfluoreszenz, die sich auch bei der Alterung verändert.Was steckt in den Produkten, die Sie untersuchen?Das sind oft Pflanzenöle, auch Pyrolyseöle aus Biomasse oder Reste aus der industriellen Papier- und Holzverarbeitung. Die meisten Hersteller sagen uns nicht genau, woraus ihre Produkte bestehen. Uns interessiert vor allem, ob die pflanzlichen Mittel altes Bitumen nur mechanisch verbessern, es viskoser machen, oder ob sie es auch chemisch so verjüngen, dass es einen Benefit für die Beständigkeit von Straßen bringt. Das ist der Knackpunkt. Unser Kooperationspartner Thomas Pohl von der Ostschweizer Fachhochschule hat errechnet, dass pro Jahr zusätzliche Liegedauer circa 60 000 kg CO2-Äquivalente je Kilometer gespart werden können. Das entspricht in etwa der Menge an CO2, die 60 Bäume über ihre gesamte Lebensdauer binden.<h2 type="main">Ökoasphalt: Das Projekt „No Bitumen“</h2>Asphalt enthält etwa fünf Prozent fossiles Bitumen als Bindemittel, der Rest ist Gestein. Asphalt wird üblicherweise recycelt. Weil das Bitumen im Lauf der Jahre spröde wird und an Klebkraft verliert, wird altem Asphalt in der Regel frisches Bitumen zugegeben. Wie sich darauf zukünftig verzichten lässt, untersuchen Forschende von der TU Braunschweig, der TU Wien und der Ostschweizer Fachhochschule in dem Projekt „No Bitumen“ (Nobit). Die Volkswagenstiftung fördert das Projekt mit über 700 000 Euro. Ziel ist ein systematisches Vorgehen, um Ökoasphalte zu entwickeln, die nahezu ausschließlich aus Recyclingmaterial und biobasierten Zusätzen bestehen. Dafür testen die Projektpartner über ein Dutzend kommerzielle Bioasphaltadditive, etwa aus pflanzlichen Ölen, Harzen oder Lignocellulose. Voraussichtlich im Jahr 2026 soll ein Ökoasphalt in Teststrecken eingebaut werden, bevorzugt auf einer Autobahn.<h2 type="main">Zur Person: Hinrich Grothe</h2>Hinrich Grothe ist Professor für physikalische Chemie der Atmosphäre am Institut für Materialchemie der TU Wien. Er hat an der TU Dresden und der Universität Hannover Chemie studiert und wurde an letzterer promoviert. Mit Bernhard Hofko vom Institut für Verkehrswissenschaften der TU Wien leitet er das Christian-Doppler-Labor für die chemomechanische Analyse von bituminösen Stoffen. Finanziert wird dieses von der österreichischen Christian-Doppler-Forschungsgesellschaft, dem Mineralölkonzern OMV sowie den Bauunternehmen BMI und Pittel+Brausewetter.<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/lg5mxMMDT1mxW5rIClNR"><source>Foto: privat<h2 type="main">Die Autorin</h2>Mit Hinrich Grothe sprach Uta Neubauer, promovierte Chemikerin und freie Wissenschaftsjournalistin.

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Altes Bitumen chemisch verjüngen

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Dünger aus H2-Produktion | Ein Katalysator hilft, Ammoniak in Wasserstoff und Nitrit umzuwandeln; das Nitrit wiederum lässt sich zu Düngemittel verarbeiten. Ein Team der Universitäten Bochum und Duisburg-Essen hat im Labormaßstab Wasserstoff- und Düngerproduktion miteinander verbunden. Dabei entsteht doppelt so viel H2 wie in der üblichen umgekehrten Haber-Bosch-Reaktion. Für die Reaktion nutzte das Team Multimetallkatalysatoren und Gasdiffusionselektroden, in die sich Ammoniak als Gas einspeisen lässt.Angew. Chem. Int. Ed., doi: 10.1002/anie.202404348Methanol herstellen | Eine Pilotanlage produziert achtmal so viel Methanol aus Biogas wie ein Vorläufer: 16 Mol Methanol pro Kilogramm Katalysator und Stunde. Die Anlage gebaut haben das Forschungsinstitut für Wasserwirtschaft und Klimazukunft an der RWTH Aachen (FiW) und die gemeinnützige Forschungseinrichtung OWI Science for Fuels. Basis war eine Methanolsyntheseanlage des FiW im Klärwerk Emschermündung. Die Forschenden mischten Biogas mit Wasser und Sauerstoff und erhielten über Dampfreformierung und partielle Oxidation (autotherme Reformierung) Synthesegas. Dieses reicherten sie mit Wasserstoff an und wandelten es katalytisch zu Methanol.H2O2 aus H2-Produktion | Warum bei der Wasserelektrolyse mehr Wasserstoffperoxid entsteht, wenn Carbonat zugegen ist, hat ein Team der Universität Bochum geklärt. H2O2 entsteht bevorzugt dann, wenn viel Hydrogencarbonat in der Nähe der Elektrode vorhanden ist. Dann bildet sich ein Reaktionszwischenprodukt, das verhindert, dass Sauerstoff statt H2O2 entsteht. So lässt sich nicht nur Wasserstoff, sondern auch H2O2 gewinnen. Dieses nutzen viele Industriezweige, etwa für die Produktion von Desinfektionsmitteln.Angew. Chem. Int. Ed., doi: 10.1002/anie.202406543Erstautorin Lejing Li vom Bochumer Zentrum für Elektrochemie bei Versuchen zur Wasserelektrolyse. Foto: RUB, MarquardWasserstoff speichern | Wasserstoff lässt sich in reiner Form physikalisch – etwa als Metallhydrid – oder chemisch in Verbindungen oder organischen Trägern speichern. Welche Vor- und Nachteile die Speichertypen haben, hat das Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO und die Duale Hochschule Baden-Württemberg Heilbronn untersucht. Zudem haben sie Szenarien entworfen, wie H2 sich in dezentralen Energiesystemen nutzen lässt.Zur Studie: <a href="https://t1p.de/m0ro6" target="_blank">t1p.de/m0ro6</a>Maren Bulmahn

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