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Die Ko-Kristalle des neuartigen Düngers (hier symbolisiert mit Gips) geben ihre Nährstoffe deutlich langsamer ab © DESY, Gesine Born

Forschung

Nachhaltigerer Dünger aus der Mühle

Ein Artikel von Renate Stoiber (bearbeitet) | 27.05.2022 - 11:50

Beim entsprechenden Verfahren werden Harnstoff und Gips gemahlen bis eine feste Verbindung aus den beiden Stoffen entsteht. Diese setzt die für die Düngung wichtigen Stoffe Stickstoff und Kalzium dann nach und nach frei. Das verringert die Auswaschung und damit die Belastung von Gewässern und schont das Klima. Durch die bessere Ausnutzung des Stickstoffs kann auch der Energieaufwand für dessen Fixierung gesenkt werden.

Wissenschafter des Deutschen Elektronen-Synchotron (DESY) Forschungszentrum und des Ruđer Bošković Institut (IRB) erforschen schon seit Jahren gemeinsam die Grundlagen mechanischer Verfahren zur Auslösung chemischer Reaktionen als Alternative zur Nasschemie. In der Mechanochemie kommen unterschiedliche mechanische Verfahren wie Kompression, Schwingungen oder Mahlen zum Einsatz, um eine chemische Umwandlung zu erreichen. Nun haben sie gemeinsam mit der Lehigh University in den USA die Röntgenstrahlungsquelle PETRA III genutzt, um das Verfahren zur Herstellung des Düngers zu untersuchen und optimieren.

Eine chemische Mühle stellt Dünger her

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Aus Gips und Harnstoff (Urea) wird durch Mahlen mit Stahlkugeln ein sogenannter Ko-Kristall, der seinen Stickstoff (Nitrogen) nur langsam abgibt © Ruđer Bošković Institut, Krunoslav Užarević

Die Ausgangsstoffe für die Düngerherstellung kommen als Pulver in einen Mahlbehälter mit zwei Stahlkugeln. Durch Schütteln werden die Pulver gemahlen und verbinden sich letztendlich chemisch, mit dem hellen Röntgenlicht konnten die Forscher das Geschehen live verfolgen, Einblicke in die Parameter des Mahlprozesses gewinnen und die Reaktionsbedingungen optimieren. Der optimierte Prozess erlaubt die 100 %ige Umwandlung der Ausgangsstoffe in den Dünger.

Das Endprodukt bezeichnen die Forscher als „Kokristall“, es ist ein Feststoff mit kristalliner Struktur, der aus zwei Chemikalien besteht die sich wiederholende Muster bilden. Beim Dünger handelt es sich um Kalziumsulfat aus Gips und Harnstoff. Harnstoff bildet für sich alleine einen schwach gebundenen Kristall, der leicht zerfällt und den Stickstoff zu schnell abgibt. Durch die Verbindung mit Kalziumsulfat entsteht ein stabilerer Kristall, dessen Bindungen einerseits schwach genug sind um die Elemente freizusetzen aber stark genug, um die Freisetzung auf einen Schlag zu verhindern.

Energie sparen durch bessere Ausnutzung

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Dem Team von Jonas Baltrusaitis ist es gelungen, die Produktion des neuartigen Düngers auf den Maßstab von Hunderten von Gramm hochzuskalieren © Lehigh University, Jonas Baltrusaitis

Da genau die zu schnelle Freisetzung das Problem des seit den 1960er Jahren verwendeten Stickstoffdüngers ist, löst es das Problem der großen Verluste durch Auswaschung in den Böden. Da die Herstellung von Harnstoff durch das Haber-Bosch-Verfahren auch große Mengen an Energie verschlingt, kann dieser durch die bessere Ausnutzung des Harnstoffs und damit einem geringeren Bedarf für Dünger, gesenkt werden. Und auch die Herstellung des Düngers selbst durch Mechanochemie ist umweltschonender, es entstehen praktisch keine unerwünschten Nebenprodukte oder Abfälle, wie die Forscher betonen.

Bei der Analyse ging es nur um weniger als ein Gramm Dünger, mit Hilfe der gewonnen Daten konnten die Wissenschafter aber das Verfahren hochskalieren und derzeit hunderte Gramm Dünger herstellen. Als nächsten Schritt plant das Team, die Skalierung bis zu einer industriellen Version weiterzuführen.


Quelle: DESY