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Thomas Mann, Hermann Hesse, Heinrich Böll — Namen, die hoffentlich jeder Abiturient schon einmal gehört hat. Fragt man jedoch nach Adolf Windaus, Otto Hahn und Ernst Otto Fischer, so fallen die Antworten selbst bei Chemiestudenten eher ernüchternd aus. Die Naturwissenschaften nimmt die Öffentlichkeit kaum wahr, es sei denn, es dreht sich um skandalträchtige Ereignisse wie Chemie- oder Physikunfälle, beispielsweise Dioxin im Ei oder Tanker und Kreuzfahrtschiffe auf Felsen. Um das Interesse an Wissenschaft zu wecken, treten Veranstaltungen wie Famelab, Performing Science und der Science Slam an.1—3
Die Präsentation eigener Ergebnisse bedeutet für den Slammer unter Umständen zunächst eine unbekannte Herausforderung. Nach einiger Suche finden sich jedoch fast immer spannende Parallelen zwischen Alltag und Wissenschaft, die zu präsentieren lohnen.


<h2>Mensch und Molekül</h2>
Im Rahmen meiner Promotion beschäftige ich mich mit der Aktivierung von Ammoniak und der Knüpfung von C-N-Bindungen in der Gasphase, vermittelt durch Übergangsmetallionen. Ein Thema, das auf den ersten Blick kaum auf unterhaltsame Art und Weise darstellbar erscheint.
Für meinen ersten Slam im Rahmen der Berliner Langen Nacht der Wissenschaften im Mai 2011 habe ich mich damit auseinandergesetzt und fand mit “pikanten Analogien zwischen Mensch und Molekül” den Titel und das Thema meines Vortrags. So gleichen Phasen zwischenmenschlicher Beziehungen den Potenzialhyperflächen von Reaktionen, wobei die Energie letzterer einfach durch Glück zu ersetzen ist. Probleme in einer Beziehung lassen sich als kinetische Barriere betrachten, die das produktive Ereignis einer Beziehung verhindern. Die Präsentation dieser Beziehungen genügte immerhin für den zweiten Platz, also für einen gelungenen Auftakt meiner Science-Slam-Karriere.


<h2>Scharfe Gasphasenchemiker</h2>
Der zweite Slam, diesmal in Mainz, war deutlich anspruchsvoller: open air, kein Beamer und erfahrene Slammer und Bundessieger als Konkurrenz. Bedingt durch mein Credo, keinen Vortrag zweimal zu halten, war ein neues Thema nötig und innerhalb von fünf Tagen umzusetzen. Doch wie lassen sich chemische Prozesse auf molekularer Ebene ohne Beamer beschreiben?
Wir hatten zuvor eine Arbeit zur N—H-Aktivierung durch nackte Übergangsmetalloxidkationen veröffentlich,4 und ich erinnerte mich der Bedeutung des Wortes Oxid. Es stammt vom griechischen oxýs, was scharf und spitz bedeutet. Nackt, scharf und spitz nahm ich als Grundlage für meinen Slam. Nun galt es eine open-air-fähige Form zu finden. Schließlich las ich “erotische Anekdoten aus dem geheimen Tagebuch eines Gasphasenchemikers” (Abbildung, Seite 449). Das brachte mir erneut einen zweiten Platz.


<h2>Chemie des Verlassenwerdens</h2>
Den ersten Sieg und damit ein Paar Boxhandschuhe brachte der dritte Slam in Duisburg. Hier war Power Point erlaubt, und die zuvor entdeckte Reaktion, bei der Metalle als Abgangsgruppe in einer SN2-Reaktion fungieren,5 lud dazu ein, sich mit dem Verlassen und Verlassenwerden auseinander zu setzen. Mit “Mach 'nen Abgang Puppe — über die Chemie des Verlassenwerdens” gewann ich viele Erkenntnisse und fragte mich häufiger, wieso mir derartige Analogien nicht schon in den Grundvorlesungen zur physikalischen Chemie eingefallen waren:
Vergleicht man die konsekutive SN1-Reaktion mit dem Lösen einer Beziehung als erstem Schritt, um sich in eine neue Beziehung zu begeben, so sind Partnerwechsel in Analogie zur konzertierten SN2-Reaktion im echten Leben keine Seltenheit. Das Gute an diesem Vergleich ist, dass jeder im Publikum (hoffentlich) schon Beziehungen hatte. Dies vereinfacht die Erklärung. Rechnet man dann noch die schwer verständliche Einheiten kJ·mol—1 in TicTac·mol—1 um, fühlt sich auch der letzte Zuschauer abgeholt.
Beim bisher letzten Slam im Jahr 2011 in Berlin musste ich kurzfristig einspringen und deshalb mit meinen eigenen Regeln brechen: Ich hielt den Slam zur Chemie des Verlassenwerdens erneut. Um 0,4 Dezibel schrammte ich am Sieg vorbei, war aber dennoch vom Applaus der 500 Zuschauer begeistert, und mehr als ein Paar Boxhandschuhe benötige ich mit dem Hauptberuf Chemiker dann doch nicht.


<h2>Mach mit</h2>
Nach vier Slams habe ich eine Menge gelernt, viele Wissenschaftler getroffen, die alle auf unterschiedliche Art und Weise ihre Themen vorstellen, und mich so auch ein Stück weit inspirierten. Das eigentlich Aufregende ist am Ende aber nicht der Slam, sondern die Zeit vor und nach dem Slam. Und irgendwie ist es doch schön, wenn man der Familie und Freunden endlich einmal erklären kann, was man macht.
Jenseits von statistischen Erhebungen fallen beim Science Slam zwei unterrepräsentierte Gruppen auf; genauer, nicht auf: Frauen und Chemiker. Die Erklärungen, weshalb Frauen nur selten auf den Bühnen zu sehen sind — in diesem Punkt unterscheiden sich Poetry und Science Slam übrigens kaum —, sind vermutlich dieselben, wie sie aktuell in der Argumentation um Frauenquoten gegeben werden. Dass Chemiker nur spärlich vertreten sind, ist eher verwunderlich, da mittlerweile mehr Natur- als Geisteswissenschaftler bei den Slams auftreten. Und anschaulichere, für einen Science Slam geeignetere Themen als Mathematiker und Physiker haben wir Chemiker allemal.
Robert Kretschmer, Jahrgang 1984, promoviert an der TU Berlin bei Helmut Schwarz. Nichtchemische Interessen sind Lesen, Schwimmen und Science Slam.
<a href="mailto:robert.kretschmer@mail.chem.tu-berlin.de">robert.kretschmer@mail.chem.tu-berlin.de</a>


— — — Beim Science Slam geht es darum, das Publikum, das gleichzeitig die Jury ist, zehn Minuten lang mit den eigenen Forschungsergebnissen bestmöglich zu unterhalten. Sieger ist der Slammer mit dem lautesten Applaus. Das vom Poetry Slam entlehnte Konzept gestattet manchmal elektronische Präsentationsmedien. Wenn nicht, ist es schwierig, chemische Inhalte zu vermitteln, da auf die Visualisierung von Strukturen nur selten verzichtet werden kann, zumindest wenn der wissenschaftliche Anspruch nicht gänzlich über Bord gehen soll. Bei der Mehrzahl der Slams sind jedoch Beamer erlaubt. Dies ermöglicht sogar die Darstellung sehr komplexer Strukturen.


— — — Der Chemiker Tim Goddard baute dieses Legomodell des Marslabors, bekannt als Curiosity, um den 50. Jahrestag von Juri Gagarins erstem Raumflug und die letzte Shuttlemission zu würdigen.
Die Nasa schickte den 900 Kilogramm schweren Original-Curiosity-Rover Ende November 2011 los, um nach Leben auf dem Mars zu suchen. Curiosity scannt dafür den Planeten nach Phosphor sowie Wasseranzeichen. Außerdem untersucht der Rover den Mars auf Strahlung, die früheres Leben vernichtet haben oder gefährlich für menschliche Besucher sein könnte. Am 6. August soll Curiosity im marsianischen Gate-Krater landen, der dem irdischen Grand Canyon ähnlich sein soll.
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1 

 <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.famelab-germany.de" target="_blank">www.famelab-germany.de</a></ext-link>.
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2 

 
C. Remenyi, 
<source>Nachr. Chem. 
(2011), 
59, 
1150.
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<li>
3 

 
K. Wildemann, 
<source>Nachr. Chem. 
(2011), 
59, 
431.

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<li>
4 

 
R. Kretschmer, 
X. Zhang, 
M. Schlangen, 
H. Schwarz, 
<source>Chem. Eur. J. 
(2011), 
17, 
3886.
</li>
<li>
5 

 
R. Kretschmer, 
M. Schlangen, 
H. Schwarz, 
<source>Angew. Chem. 
(2011), 
123, 
5499.
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</ul>

Artikel

Die Bindungsangst nackter Atome

Thomas Mann, Hermann Hesse, Heinrich Böll — Namen, die hoffentlich jeder Abiturient schon einmal gehört hat. Fragt man jedoch nach Adolf Windaus, Otto Hahn und Ernst Otto Fischer, so fallen die Antworten selbst bei Chemiestudenten eher ernüchternd aus. Die Naturwissenschaften nimmt die Öffentlich...

Blickpunkt

Vor hundert Jahren entstand in Oppau bei Ludwigshafen eine neue Fabrik, die noch nie da Gewesenes leisten sollte: Die Hochdruckanlagen verwandelten Stickstoff aus der Luft in chemisch nutzbaren Ammoniak, mit dem man dann Düngemittel herstellte — aber auch Sprengstoff. Fritz Haber hatte das Verfahren im Labor entwickelt, und Carl Bosch übertrug es dann auf den industriellen Maßstab (Abbildung Seite 452). Im Frühjahr 1914 startete die auf eine Tagesproduktion von 30 Tonnen Ammoniak ausgelegte Anlage.
Die Haber-Bosch-Synthese lieferte Kunstdünger für die wachsende Bevölkerung und explosives Material für die Bomben beider Weltkriege. Inzwischen produzieren industrielle Verfahren mehr reaktiven Stickstoff als die natürliche Stickstofffixierung, und etwa die Hälfte der Stickstoffatome in den Proteinen und Nukleinsäuren der sieben Milliarden Menschen auf der Erde war schon einmal in einer Haber-Bosch-Anlage. Menschliche Aktivität hat den globalen Umsatz von Stickstoffverbindungen innerhalb eines Jahrhunderts verdoppelt.
Dieser Eingriff in die biogeochemischen Kreisläufe stellt sogar die Kohlendioxidemissionen und den von diesen verursachten Klimawandel in den Schatten. Kann die Natur überhaupt mit doppelt so viel reaktivem Stickstoff umgehen? Und was sind die Folgen, wenn sie mit der Entsorgung nicht nachkommt?


<h2>Grenzüberschreitung</h2>
In einer Untersuchung über die Belastbarkeit unseres Planeten durch Menschen fanden Johan Rockström und Kollegen vor drei Jahren, dass die Freisetzung von reaktivem Stickstoff die Belastbarkeitsgrenze bereits um den Faktor vier überschreitet.1 Damit ist das Problem ähnlich gravierend wie der Verlust an Artenvielfalt und übertrifft die Gefahren durch Klimawandel und Versauerung der Ozeane.
Allerdings ist dies nur eine grobe Annäherung an den Zustand der globalen Stickstoffkreisläufe (Abbildung oben), da sie viel komplexer sind als zum Beispiel der Kohlenstoffkreislauf. Reaktiver Stickstoff tritt — wegen seiner diversen Oxidationsstufen — in der Umwelt in vielen Formen auf, die in mehreren globalen Systemen, von den Ozeanen bis zur Stratosphäre, verschieden wirken.
Jan-Willem Erisman vom Energieforschungszentrum der Niederlande in Petten berichtete im vergangenen Dezember anlässlich einer Diskussionstagung der Royal Society in London von “Hotspots”: An mehr als 60 besonders artenreichen Orten in Ländern wie China, Nepal, Indien, Vietnam und Pakistan bedroht die Anreicherung von reaktiven Stickstoffverbindungen unter anderem die Artenvielfalt.
Stickstoffverbindungen beeinflussen das Klima, allerdings auf widersprüchliche Weise, und es ist noch nicht geklärt in welche Richtung der Effekt zu Buche schlägt. Freisetzung von Distickstoffoxid (Lachgas, N2O) trägt zum Treibhauseffekt und damit zur Erwärmung bei, während feste Stickstoffverbindungen, die als Aerosole in die Atmosphäre gelangen, abkühlen.2 Doch wie der verdoppelte Stickstoffkreislauf insgesamt und langfristig auf unsere Atmosphäre wirkt, ist noch nicht abzusehen.


<h2>Hilft die Denitrifikation?</h2>
In der unübersichtlichen Vielfalt der chemischen Umwandlungen von Stickstoffverbindungen in der Umwelt ist die wichtigste Reaktion wohl die Denitrifikation. Dabei werden Nitrate und Nitrite über diverse Zwischenstufen, darunter auch Lachgas, zu N2 reduziert. Nur die Denitrifikation macht den von Menschen verursachten zusätzlichen Eintrag von reaktivem Stickstoff rückgängig, indem sie ihn in molekularen Stickstoff zurückverwandelt. Hauptakteure sind Bodenbakterien, doch findet der Prozess auch bei der Lagerung von Gülle, bei der Abwasseraufbereitung, in Feuchtgebieten sowie in Flussauen und in sauerstoffarmem Meerwasser statt.
Die wichtigste Frage ist, ob die natürlichen Mechanismen der Denitrifikation mit dem verdoppelten Eintrag von Stickstoffverbindungen fertigwerden können, oder ob sie hinterherhinken und es dadurch zu einer Anreicherung überschüssiger Nitrate und Nitrite in der Umwelt kommt. Kompliziert wird die Sache dadurch, dass das Zwischenprodukt N2O in die Atmosphäre entweichen kann und dort zum Klimawandel beiträgt.
Lex Bouwman von der Universität Utrecht hat aufgrund von Stichproben Computermodelle entwickelt, welche die globale Stickstoffbilanz und ihre Veränderung seit 1900 erfassen. Nach seinen Ergebnissen hat die Denitrifikation zwischen 1900 und 2000 von 68 auf 95 Millionen Tonnen pro Jahr zugenommen. Dieser Zuwachs kann aber nicht mit der Verdoppelung der Produktion von reaktivem Stickstoff mithalten. Der Überschuss in der Stickstoffbilanz des Bodens (also eingebrachter oder fixierter Stickstoff minus Stickstoff, der mit der Ernte wieder entnommen wird) ist in derselben Zeit von 179 auf 250 Millionen Tonnen pro Jahr gestiegen.
Durch Extrapolation seiner Modelle in die Zukunft kommt Bouwman zu dem Schluss, dass nur drastisches Umdenken in der Landwirtschaft und Umweltpolitik eine massive Anreicherung von Stickstoffverbindungen in der Umwelt verhindern kann. Wenn alles so weiter läuft wie bisher, besteht die Gefahr, dass die Stickstoffüberschüsse aus den Böden in die Flüsse und Küstengewässer gelangen, und dort durch Überdüngung (Eutrophierung) erhebliche Umweltschäden auslösen.3


<h2>Regionale Unterschiede</h2>
Hinter der globalen Bilanz verbergen sich allerdings auch starke regionale Unterschiede. Da der Ablauf von überschüssigen Stickstoffverbindungen in Flüsse, Seen und Grundwassersysteme ein entscheidender Faktor in der regionalen Problematik ist, hat Gilles Billen mit seiner Arbeitsgruppe am CNRS-Institut in Paris die Einzugsgebiete von Flüssen wie der Seine und der Schelde auf ihre Stickstoffbilanz hin untersucht und mit den von anderen Arbeitsgruppen untersuchten wie Mississippi, Ebro und Hong verglichen.
Billens Arbeitsgruppe ermittelte, ob diese Gebiete unterm Strich reaktiven Stickstoff importieren oder exportieren. Wenn ein Gebiet insgesamt mehr Lebensmittel und Tierfutter produziert, als es zur Ernährung seiner Einwohner und ihrer Tiere benötigt, so erwirtschaftet es einen Überschuss, den es exportieren kann, während es im umgekehrten Fall fixierten Stickstoff importieren muss. In den letzten 50 Jahren, so fanden die Forscher, sind die Einzugsgebiete von Seine und Mississippi mit intensiver Landwirtschaft und Kunstdünger zu Exporteuren geworden, während die Gebiete an Ebro und Schelde sich auf die Tierzucht konzentrierten und damit zunehmend auf den Import von Futtermitteln angewiesen sind.
Billens Team verglich auch den Umfang der natürlichen Stickstofffixierung mit dem Eintrag anthropogener Stickstoffverbindungen. Die menschliche Stickstoffproduktion überwiegt die natürliche nur in 43 Prozent der Fälle, doch die Regionen, wo dies geschieht, sind für 84 Prozent der globalen Produktion von synthetischen Stickstoffverbindungen verantwortlich. Viele dieser Regionen weisen zudem ein starkes Ungleichgewicht hinsichtlich der Exportbilanz auf.4


<h2>Ins Meer gespült</h2>
Nitrate und Nitrite, die der Denitrifikation auf dem Festland entkommen, werden letztendlich ins Meer gespült, also ist es auch wichtig, zu verstehen, was dort mit ihnen geschieht, und ob sie dort Schaden anrichten.
Die Denitrifikation im Meer hängt stark vom Sauerstoffgehalt des Wassers ab, sie findet nur in sauerstoffarmen Bereichen statt. Es gibt außerdem Verflechtungen mit anderen biogeochemischen Kreisläufen, insbesondere mit denen des Kohlenstoffs und des Phosphors. Die Denitrifikation in den Ozeanen ist auch für etwa 30 Prozent der globalen N2O-Emission verantwortlich und leistet damit einen signifikanten Beitrag zum Treibhauseffekt, wie Maren Voß vom Leibniz-Institut für Ostseeforschung in Warnemünde berichtete.5
Neuere Forschung hat scheinbare Ungleichgewichte in den Stickstoffbilanzen der Ozeane aufgezeigt, die man noch nicht vollständig versteht. Die historische Sichtweise ist, dass bakterielle Denitrifikation der einzige Vorgang ist, der wesentliche Mengen an oxidierten Stickstoffverbindungen aus den Ozeanen entfernt, doch die Entdeckung von anaerober Ammoniak-Oxidation (Anammox) und von denitrifizierenden Eukaryonten in tropischen Gewässern machten ein Umdenken erforderlich.
Stöchiometrisch gesehen sollte der Abbau von Stickstoffverbindungen in den sauerstoffarmen Bereichen der Ozeane zu 71 Prozent der Denitrifikation und zu 29 Prozent der Anammox-Reaktion zuzuschreiben sein, damit organisches Material von durchschnittlicher Zusammensetzung vollständig abgebaut werden kann. Mehrere Untersuchungen in sauerstoffarmen Bereichen des Arabischen Meers haben allerdings weniger oder sogar gar keine Denitrifikation nachgewiesen. Es gibt mehrere Theorien zur Erklärung dieser unerwarteten Befunde, und bisher haben sich die Experten nicht auf eine einigen können.
Michael Groß ist Biochemiker und freier Wissenschaftsjournalist in Oxford, England. <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.michaelgross.co.uk" target="_blank">www.michaelgross.co.uk</a></ext-link>



<ul>
<li>
1 

 
J. Rockström, 
W. Steffen, 
K. Noone et al., 
<source>Nature 
(2009), 
461, 
472.
</li>
<li>
2 

 
J. W. Erisman, 
J. Galloway, 
S. Seitzinger, 
A. Bleeker, 
K. Butterbach-Bahl, 
<source>Curr. Opin. Environ. Sustainability 
(2011), 
3, 
281.
</li>
<li>
3 

A. F. Bouwman et al., Philosophical Transactions Roy. Soc. London 2012, im Druck.
</li>
<li>
4 

G. Billen et al., Philosophical Transactions Roy. Soc. London 2012, im Druck.
</li>
<li>
5 

M. Voss et al., Philosophical Transactions Roy. Soc. London 2012, im Druck.
</li>
</ul>

Artikel

Die Bindungsangst nackter Atome

Mensch und Molekül

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