Kommt in Zukunft ein umweltfreundlicher Raketenantrieb aus Deutschland? Wird ein wegweisender Energiespeicher auf derselben patentierten Entwicklung fußen? Gut möglich. Denn ein Forscherteam um den Chemieprofessor Peter Schreiner hat an der Universität Gießen erstmals Hexastickstoff erzeugt. Die Fachwelt spricht von einer Sensation. Von einem neuen „Supermolekül“ ist die Rede. Der Grund: Es ist die energiereichste Substanz, die jemals hergestellt wurde. An der Entwicklung hat sich unter anderem die amerikanische Raumfahrtbehörde NASA vergeblich versucht, wie Schreiner sagt.
Von seinem Schreibtisch aus schaut er auf ein Porträt der heimischen Chemiker-Legende Justus von Liebig und auf eine hinter Glas gepackte Installation von Gitarren-Plektren aus Holz. Hinter ihm steht neben einem Verstärker eine E-Gitarre: „Wenn ich brain-dead bin, klimpere ich für zehn Minuten, und dann kann ich wieder denken und arbeiten“, sagt der drahtige Forscher und lächelt.
Schreiner nimmt seine Gäste mit auf eine gedankliche Reise. Sie beginnt mit einem Ausflug ins Weltall, führt zum Periodensystem der Elemente und endet bei der Entwicklung, die ihm gemeinsam mit seinen Kollegen Artur Mardyukov und Weiyu Qian gelungen ist – im Sommer 2024, in einer selbst gebauten Anlage. Der Chemiker spricht von seinem „Heureka-Moment“.
In jenem Augenblick im Sommer 2024 „waren wir aus dem Häuschen“, berichtet Schreiner. Denn sein Team war überzeugt: „In der Chemie-Community ist das der absolute Hammer.“ Allerdings mussten die Gießener ihre Ergebnisse reproduzieren, sie prüfen und vor allem schleunigst patentieren lassen. Denn für eine solch energiereiche Verbindung gibt es viele potentielle Anwendungen – im zivilen Leben, für militärische Zwecke und in der Raumfahrt. Idealerweise halten die Gießener Chemiker die Rechte an dem Stoff und der Methodik, wie sie ihn erzeugt haben.
Hexastickstoff zieht Bundeswehr und „dunkle Charaktere“ an
Im Sommer vergangenen Jahres veröffentlichten die Forscher ihre Studie. Danach liefen ihre Mail-Fächer über. Schreiner spricht von einer Flut von Glückwünschen. Die Bundeswehr habe sich alsbald gemeldet. Allerdings habe es auch Annäherungsversuche „dunkler Charaktere“ gegeben, die viel Geld investieren wollten. Die 165.000 Mitglieder zählende American Chemical Society kürte Hexastickstoff dann zum „Molekül des Jahres“ – eine Genugtuung für die Gießener Forscher. Die Auszeichnung mehre den Ruf seiner Arbeitsgruppe und der Universität und sei eine gute Werbung für die Grundlagenforschung, sagt Schreiner. Grundlegend wird er auch, wenn er erläutert, auf welchen Überlegungen die Arbeit seines Teams fuße.
In der „Ursuppe“ des Weltalls habe es Wasserstoff und Methan, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, Kohlenwasserstoffe, Stickstoff, Phosphor und Metalle gegeben. „Diese Moleküle sind sehr stabil. Sie fliegen um uns herum und machen gar nichts“, sagt er. Wie aber konnten sich daraus komplexere Einheiten bilden? Durch Energie. Aus Kohlenstoff und Wasser wurden Kohlenhydrate, namentlich Zucker. Im Umkehrschluss heißt das für Schreiner: Energie müsse sich in komplexeren Molekülen speichern lassen. Dabei sei Kohlenstoff zentral.
Der Forscher nahm Phosphor und Stickstoff in den Blick. Phosphor komme auf der Erde vor allem als Phosphat vor, das aus Phosphor und Sauerstoff bestehe. Ähnlich sehe es mit Stickstoff aus, der in Nitrat und Nitrit vorkomme und als das hochstabile Gas N2, das 78 Prozent der Luft ausmache. N4 oder N6 gebe es in der Natur dagegen nicht. Daraus folgerte Schreiner: Wenn N2 sehr stabil ist, dann muss N4 instabil und hochenergetisch sein und N6 umso mehr. Denn: „Stickstoff möchte immer N2 werden und Energie loswerden.“ Mithin brauche es viel Energie, um aus N2 etwa N4 oder N6 zu machen. Darauf aufbauende Berechnungen haben nach seinen Worten gezeigt: N6 enthält mehr Energie als jedes andere Molekül.
Von dieser Erkenntnis aus war es nicht weit bis zu Ideen, was der Mensch mit N6 alles anstellen könnte: neuartige Sprengmittel herstellen, die etwa Airbags auslösen, Energiespeicher neuen Typs oder eben Raketenantriebe. Um zu diesem „Supermolekül“ zu kommen, experimentierten die Gießener Forscher mit N3. Diese Verbindung gilt als hochreaktiv, also als das Gegenteil von stabil. Deshalb sei vorher niemand darauf gekommen, den Versuch zu wagen. Doch die Experimente führten schließlich im Sommer 2024 zum Erfolg. Die Chemiker wiesen ihr N6 mit verschiedenen Methoden nach und haben darüber im Fachmagazin Nature berichtet. Wie die Synthese genau funktioniert, verrät Schreiner um des Patentschutzes willen nicht.
Hexastickstoff muss sehr kalt gelagert werden
Nach seinen Worten ist Hexastickstoff stabiler als gedacht. „Es braucht zum Zerfall einen Schubs, so wie Holz eine Flamme zum Brennen benötigt oder Zucker etwas Asche“, sagt er und spricht von einem Energieberg, über den die Moleküle müssten. Dieser Energieberg sei bei Hexastickstoff höher als erwartet und von der Temperatur des Umfelds abhängig. Bei Zimmertemperatur zerfalle die Verbindung binnen Millisekunden. Dann mache es sehr kräftig „bumm“. Bei minus 200 Grad Celsius aber sei N6 langzeitstabil. Große Mengen ließen sich bei der Ammoniaksynthese abzweigen.
Der nächste gewünschte Schritt ist der Bau einer Stickstoffrakete. Wie Schreiner sagt, kommt die Flamme an der Düse einer herkömmlichen Weltraumrakete auf 3500 Grad – im Falle von N6 wäre mit 6500 Grad zu rechnen. Und dabei fielen nicht einmal die sonst üblichen Schadstoffe an, die weit oben in der Atmosphäre viel Unheil anrichteten. Die Idee lautet, flüssigen Hexastickstoff in N2 zu geben und durch Wärme zu zünden. Gemeinsam mit Dresdner Kollegen habe man einen Förderantrag bei der Europäischen Union eingereicht, sagt der Professor, der sich lächelnd als „der erste Molekülschreiner“ bezeichnet.
Dieser Wortwitz hat seinen Grund: Peter Schreiner stammt aus einer Schreinerfamilie. Er habe als Holzhandwerker seinem Vater aber nicht das Wasser reichen können. „Das hat mich so gewurmt, dass ich mit 16 oder 17 die E-Gitarre hier gebaut habe“, sagt er, nimmt das Instrument vom Ständer und zupft die Saiten. Auf Zuruf spielt er kurzerhand Auszüge des Solos aus „Hotel California“ und schließt die Augen dazu.