Die moderne Welt kann ohne diese vier Materialien nicht existieren

MModerne Gesellschaften wären ohne Massenproduktion vieler künstlicher Materialien undenkbar. Wir könnten eine wohlhabende Zivilisation haben, die reichlich Nahrung, materiellen Komfort und Zugang zu guter Bildung und Gesundheitsversorgung ohne Mikrochips oder PCs bietet: Wir hatten eine bis in die 1970er Jahre, und wir schafften es bis in die 1990er Jahre, die Wirtschaft zu erweitern, aufzubauen erforderlichen Infrastrukturen und vernetzen die Welt mit Jetlinern ohne Smartphones und soziale Medien. Aber wir könnten unsere Lebensqualität nicht ohne die Bereitstellung vieler Materialien genießen, die erforderlich sind, um die unzähligen unserer Erfindungen zu verkörpern.

Vier Materialien stehen auf der Skala der Notwendigkeiten an erster Stelle und bilden das, was ich die vier Säulen der modernen Zivilisation genannt habe: Zement, Stahl, Kunststoffe und Ammoniak werden in größeren Mengen benötigt als andere wesentliche Inputs. Die Welt produziert jetzt jährlich etwa 4,5 Milliarden Tonnen Zement, 1,8 Milliarden Tonnen Stahl, fast 400 Millionen Tonnen Kunststoffe und 180 Millionen Tonnen Ammoniak. Aber es ist Ammoniak, das als unser wichtigster Stoff die Spitzenposition verdient: Seine Synthese ist die Grundlage aller Stickstoffdüngemittel, und ohne ihre Anwendung wäre es unmöglich, fast die Hälfte der heute fast 8 Milliarden Menschen zu ernähren.

Noch größer ist die Abhängigkeit im bevölkerungsreichsten Land der Erde: Die Ernährung von drei von fünf Chinesen hängt von der Synthese dieser Verbindung ab. Diese Abhängigkeit rechtfertigt es leicht, die Ammoniaksynthese als den bedeutsamsten technischen Fortschritt der Geschichte zu bezeichnen: Andere Erfindungen sorgen für unseren Komfort, unsere Bequemlichkeit oder unseren Wohlstand oder verlängern unser Leben – aber ohne die Synthese von Ammoniak könnten wir das Überleben von Milliarden von Menschen, die heute leben, nicht sicherstellen noch geboren werden.

Kunststoffe sind eine große Gruppe synthetischer organischer Materialien, deren gemeinsame Eigenschaft darin besteht, dass sie in die gewünschte Form gebracht werden können – und sie sind jetzt überall zu finden. Während ich dies tippe, bestehen die Tasten meines Dell-Laptops und einer kabellosen Maus unter meiner rechten Handfläche aus Acrylnitril-Butadien-Styrol, ich sitze auf einem Drehstuhl, der mit einem Polyestergewebe bezogen ist, und seine Nylonräder ruhen auf einer Polycarbonat-Teppichschutzmatte bedeckt einen Polyesterteppich. Aber im Gesundheitswesen im Allgemeinen und in Krankenhäusern im Besonderen sind Kunststoffe heute am unverzichtbarsten. Das Leben beginnt (auf der Entbindungsstation) und endet (auf der Intensivstation) jetzt umgeben von Plastikartikeln, die vor allem aus verschiedenen PVC-Arten bestehen: flexible Schläuche (zur Ernährung, Sauerstoffversorgung und Blutdruckmessung), Katheter, Infusionsbehälter, Blutbeutel, sterile Verpackungen, Tabletts und Becken, Bettpfannen und Bettgitter, Wärmedecken.

Die Stärke, Haltbarkeit und Vielseitigkeit von Stahl bestimmt das Aussehen der modernen Zivilisation und ermöglicht ihre grundlegendsten Funktionen. Dies ist das am häufigsten verwendete Metall und bildet unzählige sichtbare und unsichtbare kritische Komponenten der modernen Zivilisation, von Wolkenkratzern bis zu Skalpellen. Darüber hinaus wurden fast alle anderen metallischen und nichtmetallischen Produkte, die wir verwenden, mit Werkzeugen und Maschinen aus Stahl gewonnen, verarbeitet, geformt, veredelt und vertrieben, und kein Massentransportmittel von heute könnte ohne Stahl funktionieren. Ein durchschnittliches Auto enthält etwa 900 Kilogramm Stahl, und bevor Covid-19 zuschlug, stellte die Welt fast 100 Millionen Fahrzeuge pro Jahr her.

Zement ist natürlich der zentrale Bestandteil von Beton: Zusammen mit Sand, Kies und Wasser ist er das am massivsten eingesetzte Material. Moderne Städte sind Verkörperungen von Beton, ebenso wie Brücken, Tunnel, Straßen, Dämme, Landebahnen und Häfen. China produziert heute mehr als die Hälfte des weltweiten Zements und in den letzten Jahren in nur zwei Jahren so viel wie die Vereinigten Staaten im gesamten 20. Jahrhundert. Eine weitere erstaunliche Statistik ist, dass die Welt jetzt in einem Jahr mehr Zement verbraucht als in der gesamten ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts.

Und diese vier Materialien, die in ihren Eigenschaften und Qualitäten so unterschiedlich sind, haben drei gemeinsame Merkmale: Sie sind nicht ohne weiteres durch andere Materialien ersetzbar (sicherlich nicht in naher Zukunft oder auf globaler Ebene); wir werden in Zukunft viel mehr davon brauchen; und ihre Massenproduktion hängt stark von der Verbrennung fossiler Brennstoffe ab, was sie zu Hauptquellen von Treibhausgasemissionen macht. Organische Düngemittel können synthetisches Ammoniak nicht ersetzen: Ihr geringer Stickstoffgehalt und ihre weltweite Masse reichen nicht aus, selbst wenn alle Gülle und Ernterückstände recycelt würden. Kein anderes Material bietet solche Vorteile für viele leichte und dennoch langlebige Anwendungen wie Kunststoffe. Kein anderes Metall ist so bezahlbar stark wie Stahl. Kein anderes massenproduziertes Material eignet sich so gut für den Bau starker Infrastrukturen wie Beton (oft mit Stahl verstärkt).

Was den zukünftigen Bedarf betrifft, könnten Länder mit hohem Einkommen ihren Düngemitteleinsatz reduzieren (weniger Fleisch essen, weniger verschwenden), und China und Indien, die beiden starken Nutzer, könnten ebenfalls ihren übermäßigen Düngemitteleinsatz reduzieren, aber Afrika, der Kontinent mit dem schnellsten -wachsenden Bevölkerung bleibt Düngemittel vorenthalten, obwohl es bereits ein bedeutender Lebensmittelimporteur ist. Jede Hoffnung auf eine größere Selbstversorgung mit Nahrungsmitteln bleibt auf den erhöhten Verbrauch von Stickstoff gerichtet: Immerhin betrug der Ammoniakverbrauch des Kontinents in letzter Zeit weniger als ein Drittel des europäischen Durchschnitts. Mehr Kunststoffe werden für die Ausweitung medizinischer (alternde Bevölkerungen) und infrastruktureller (Rohre) Anwendungen und im Transportwesen (siehe das Innere von Flugzeugen und Hochgeschwindigkeitszügen) benötigt. Wie beim Ammoniak muss auch der Stahlverbrauch in allen einkommensschwachen Ländern mit unterentwickelter Infrastruktur und Transportmitteln steigen. Und viel mehr Zement wird benötigt, um Beton herzustellen: in wohlhabenden Ländern, um verfallende Infrastrukturen zu reparieren (in den USA erhalten alle Sektoren, in denen Beton dominiert, einschließlich Dämme, Straßen und Luftfahrt, eine D-Note in landesweiten Ingenieurbewertungen), in Ländern mit niedrigem Einkommen Städte, Kanalisation und Transport erweitern.

Darüber hinaus wird die sich abzeichnende Energiewende enorme Mengen an Stahl, Beton und Kunststoffen erfordern. Keine Struktur ist ein offensichtlicheres Symbol für „grüne“ Stromerzeugung als große Windturbinen – aber ihre Fundamente bestehen aus Stahlbeton, ihre Türme, Gondeln und Rotoren aus Stahl und ihre massiven Flügel aus energieintensiven – und schwer zu recycelnden – Kunststoffharzen , und all diese riesigen Teile müssen mit überdimensionalen Lastwagen (oder Schiffen) zu den Installationsorten gebracht und mit großen Stahlkränen montiert werden, und Turbinengetriebe müssen immer wieder mit Öl geschmiert werden. Diese Turbinen würden nur dann wirklich grünen Strom erzeugen, wenn alle diese Materialien ohne fossile Brennstoffe hergestellt würden.

Für die Herstellung all dieser Materialien bleiben fossile Brennstoffe unverzichtbar.

Die Ammoniaksynthese verwendet Erdgas sowohl als Wasserstoffquelle als auch als Energiequelle, die zur Bereitstellung hoher Temperaturen und Drücke benötigt wird. Rund 85 % aller Kunststoffe basieren auf einfachen Molekülen aus Erdgas und Erdöl, außerdem liefern Kohlenwasserstoffe Energie für Synthesen. Die Herstellung von Primärstahl beginnt mit der Verhüttung von Eisenerz im Hochofen in Gegenwart von Koks aus Kohle und unter Zugabe von Erdgas, und das resultierende Gusseisen wird in großen basischen Sauerstofföfen zu Stahl verarbeitet. Und Zement wird durch Erhitzen von gemahlenem Kalkstein und Ton, Schiefer in großen Öfen, langen geneigten Metallzylindern hergestellt, die mit so minderwertigen fossilen Brennstoffen wie Kohlenstaub, Petrolkoks und Schweröl erhitzt werden.

Infolgedessen beansprucht die globale Produktion dieser vier unverzichtbaren Materialien etwa 17 Prozent der jährlichen Gesamtenergieversorgung der Welt und verursacht etwa 25 Prozent aller CO2-Emissionen, die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen. Die Verbreitung dieser Abhängigkeit und ihr Ausmaß machen die Dekarbonisierung der vier materiellen Säulen der modernen Zivilisation zu einer ungewöhnlichen Herausforderung: Der Ersatz fossiler Brennstoffe in ihrer Produktion wird weitaus schwieriger und kostspieliger sein als die Erzeugung von mehr Strom aus erneuerbaren (hauptsächlich Wind- und Solar-)Umwandlungen. Irgendwann werden neue Prozesse die Oberhand gewinnen – aber derzeit gibt es keine Alternativen, die sofort eingesetzt werden könnten, um große Teile der bestehenden globalen Kapazitäten zu verdrängen: Ihre Entwicklung wird Zeit brauchen.

Die Synthese von Ammoniak und das Schmelzen von Stahl könnten beide auf Wasserstoff statt auf Erdgas und Koks basieren. Wir wissen, wie das geht – aber es wird einige Zeit dauern, bis wir Hunderte Millionen Tonnen grünen Wasserstoff aus der Elektrolyse von Wasser mit Wind- oder Solarstrom herstellen können (praktisch der gesamte heutige Wasserstoff wird aus Erdgas und Kohle gewonnen). . Die beste Prognose ist, dass grüner Wasserstoff bis 2030 2 % des weltweiten Energieverbrauchs decken würde, weit unter den Hunderten von Millionen Tonnen, die letztendlich benötigt werden, um die Ammoniak- und Stahlproduktion zu dekarbonisieren. Dagegen kann die Dekarbonisierung der Zementherstellung nur durch die Nutzung von Reststoffen und Biomasse gehen, und es müssen neue Verfahren entwickelt und kommerzialisiert werden, um Zement CO2-frei zu machen. Ebenso gibt es keinen einfachen Weg, die Kunststoffproduktion zu dekarbonisieren, und die Maßnahmen reichen von pflanzlichen Rohstoffen über mehr Recycling bis hin zur Substitution durch andere Materialien.

Und über diese vier materiellen Säulen hinaus entstehen neue und sehr energieintensive materielle Abhängigkeiten, und Elektroautos sind ihr bestes Beispiel. Eine typische Lithium-Autobatterie mit einem Gewicht von etwa 450 Kilogramm enthält etwa 11 Kilogramm Lithium, fast 14 Kilogramm Kobalt, 27 Kilogramm Nickel, mehr als 40 Kilogramm Kupfer und 50 Kilogramm Graphit – sowie etwa 181 Kilogramm Stahl, Aluminium und Kunststoffe. Um diese Materialien für ein einziges Fahrzeug zu liefern, müssen etwa 40 Tonnen Erze verarbeitet werden, und angesichts der geringen Konzentration vieler Elemente in ihren Erzen müssen etwa 225 Tonnen Rohstoffe extrahiert und verarbeitet werden. Und eine aggressive Elektrifizierung des Straßenverkehrs würde bald eine Multiplikation dieses Bedarfs mit mehreren zehn Millionen Einheiten pro Jahr erfordern!

Moderne Volkswirtschaften werden immer an massive Materialströme gebunden sein, sei es bei Düngemitteln auf Ammoniakbasis zur Ernährung der immer noch wachsenden Weltbevölkerung; Kunststoffe, Stahl und Zement, die für neue Werkzeuge, Maschinen, Strukturen und Infrastrukturen benötigt werden; oder neue Inputs, die zur Herstellung von Solarzellen, Windturbinen, Elektroautos und Speicherbatterien erforderlich sind. Und bis alle Energien, die zur Gewinnung und Verarbeitung dieser Materialien verwendet werden, aus erneuerbaren Umwandlungen stammen, wird die moderne Zivilisation grundlegend von den fossilen Brennstoffen abhängig bleiben, die zur Herstellung dieser unverzichtbaren Materialien verwendet werden. Daran werden keine Designs künstlicher Intelligenz, keine Apps, keine Behauptungen über eine kommende „Entmaterialisierung“ etwas ändern.

Angepasst von WIE DIE WELT WIRKLICH FUNKTIONIERT von Vaclav Smil, herausgegeben von Viking, einem Imprint der Penguin Publishing Group, einem Geschäftsbereich von Penguin Random House, LLC. Copyright © 2022 von Vaclav Smil.

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