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Hohe Auszeichnung für Theoretischen Chemiker

Prof. Dr. Wolfgang Domcke, Inhaber des Lehrstuhls für Theoretische Chemie an der Fakultät für Chemie der TUM, wurde am 26. Juni 2012 mit der Ehrendoktorwürde der Fakultät für Mathematik und Physik der Karls-Universität Prag ausgezeichnet. Der Laudator war Professor Jiri Horacek, mit dem Wolfgang Domcke seit über 20 Jahren eng zusammen arbeitet. Die Ehrung erfolgte im Rahmen der internationalen Einstein-Konferenz 2012 („Hundred years after Einstein in Prague“) im Karolinum in Prag. Wir haben dies zum Anlass genommen, mit dem frisch gebackenen Ehrendoktor ein Gespräch über die Veranstaltung und die Bedeutung des Fachgebiets Theoretische Chemie zu führen.

Herr Prof. Domcke, können Sie uns ein Bild dieser Verleihung malen und erklären, wie es dazu kam?

In meinem Fall ging die Initiative für die Verleihung der Ehrendoktorwürde von Prof. Jiri Horacek aus, mit dem ich seit 1986 eng zusammen arbeite. Er war neben mehreren Forschungsaufenthalten ein Jahr Gastprofessor an der TUM. Wir haben Mitarbeiter ausgetauscht, ich habe Doktoranden gemeinsam mit ihm betreut und wir haben in diesen über 20 Jahren gemeinsam publiziert. Die Laudatio wurde von Prof. Jiri Horacek auf Tschechisch gehalten. Sie wurde aber auch gedruckt, auf Tschechisch und auf Englisch, so dass sie auch die internationalen Tagungsteilnehmer  verstehen konnten. Der Aufwand war bemerkenswert; alle Universitätspräsidenten und alle Dekane der Naturwissenschaftlichen Fakultäten aus ganz Tschechien waren eingeladen und sind weitgehend der Einladung gefolgt. Die Einbettung der Zeremonie in eine Tagung ist natürlich schön, weil man damit mehrere Hundert Zuhörer hat, was sonst kaum der Fall wäre.

Also eine sehr feierliche Veranstaltung, wie es nur eine so alte und traditionsreiche Universität durchführen kann?

Ja, das Ganze fand im Karolinum statt, einem historischen Gebäude aus dem 14. Jahrhundert im Stadtzentrum, das im Krieg kaum beschädigt wurde. Es wurde aufwändig renoviert und ist in sehr gutem Zustand. Diese Umgebung trägt natürlich auch zur Stimmung bei. Ich musste meine Maße liefern. Mantel und Hut wurden für mich geschneidert und beides behält man. Die Goldkette allerdings nicht; sie wird nur in der Zeremonie verwendet und verbleibt in der Universität.

Wie kam es zu der Zusammenarbeit mit Prof. Horacek?

Jiri Horacek ist ursprünglich theoretischer Kernphysiker und hat sich mit der Beschreibung von Stoßprozessen in der Kernphysik befasst. Wir haben uns für solche Prozesse in der Chemie interessiert. Die Weiterentwicklung von Methoden zur Berechnung von Reaktionen war unser gemeinsames Interesse. Die entscheidenden Berechnungen hat ein Doktorand von ihm bei mir gemacht.

Thema der Einstein-Konferenz waren die Kosmologie und die Relativitätstheorie. Was hat beides mit Ihrem Forschungsgebiet zu tun?

Wenige der naturwissenschaftlich gebildeten Menschen wissen vermutlich, dass für die Entstehung des heutigen Universums neben physikalischen Prozessen eine bestimmte chemische Reaktion eine entscheidende Rolle gespielt hat. Es geht dabei um die einfachste chemische Reaktion, nämlich die Verbindung von zwei Wasserstoffatomen zu Wasserstoffmolekülen. Ohne diese Reaktion wäre das Universum beliebig langweilig! (lacht)

Einige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall war das Universum ein strukturloses Gas aus Wasserstoffatomen. Dies hängt damit zusammen, dass Wasserstoffatome unter diesen Bedingungen nicht miteinander reagieren können und keine Energie abgeben können. Sie behalten die Temperatur, die sie ursprünglich hatten. Entscheidend war also ein Mechanismus, der aus den Atomen Moleküle macht. Moleküle haben innere Freiheitsgrade und können Energie abstrahlen. Die Photonen entweichen und kosmische Wasserstoffwolken können dann aufgrund der Schwerkraft kontrahieren. So konnten sich die ersten Sterne bilden und Kernfusion setzte ein. Erst danach fanden all die anderen Reaktionen statt, welche schließlich zu Supernovae und Schwarzen Löchern führten und zur Bildung der schwereren Elemente. Den Wirkungsquerschnitt der allerersten Reaktion, nämlich der Bildung von Wasserstoff-Molekülen durch Stöße von negativ geladenen mit neutralen Wasserstoffatomen, haben wir berechnet.

 

Was bedeutet in diesem Zusammenhang „Wirkungsquerschnitt“?

Der Wirkungsquerschnitt ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, dass aus den Stoßpartnern H? und H ein Wasserstoffmolekül gebildet wird, unter Emission eines Elektrons, welches die Energiebilanz ausgleicht. Ehrlicherweise muss ich sagen, dass es nicht unsere Motivation war, die Entstehung des Universums zu erklären. Wir wollten einfach nur wissen, wie die so genannte assoziative Detachment-Reaktion von H? mit H mikroskopisch abläuft. Die experimentelle Messung des Wirkungsquerschnitts im Labor ist sehr schwierig, weil man freie H-Atome und H?-Anionen generieren muss, die dann mit sehr niedrigen Relativgeschwindigkeiten stoßen und reagieren. Wie wir heute wissen, waren die publizierten Messwerte mit großen Fehlern behaftet. Der aus dem Wirkungsquerschnitt berechnete Ratenkoeffizient ist eine der wichtigsten Eingangsgrößen für kosmische Simulationen.
Wir haben den Querschnitt rein theoretisch berechnet. Das Ergebnis stimmte mit den gemessenen Labordaten nicht überein. Wir waren uns aber sicher, dass unsere Rechnungen richtig sind und haben die Ergebnisse publiziert. Ein junger Amerikaner, D. W. Savin vom Astrophysics Laboratory der Columbia University, hat unsere Publikation ernst genommen und hat ein neues Experiment zur Messung des Ratenkoeffizienten der assoziativen Detachment-Reaktion konzipiert und aufgebaut, was ungefähr zehn Jahre gedauert hat. Die neuen Messungen haben unsere Vorhersagen mit hoher Präzision bestätigt. Jetzt stehen die Simulationen der Bildung von Proto-Sternen auf festen Füßen und die Unsicherheiten der Simulationsrechnungen wurden ganz erheblich reduziert.

Haben diese theoretischen Methoden und Erkenntnisse neben den kosmologischen Bezügen auch handfeste praktische Relevanz?

Wir arbeiten konkret an einem Problem, welche sicher eine große praktische Bedeutung hat, nämlich die chemische Energiekonversion, insbesondere die Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie. 

Sie arbeiten also an der Brennstoffzelle?

Eher am Brennstoff für die Brennstoffzelle, also an der Spaltung von Wasser zu molekularem Wasserstoff und Sauerstoff durch Sonnenlicht. Der Wasserstoff ist eine einfache und relativ gut speicherbare Energieform. Wenn die solare Wasserspaltung technisch in großem Maßstab gelingen würde, wäre dies das endgültige Ende aller Energieprobleme. Wenn man billigen Wasserstoff hat, kann man ihn auch chemisch umwandeln in flüssige Brennstoffe, z. B. Methanol oder Ethanol.
Ich bin überzeugt, dass die Physikalische Chemie und die Theoretische Chemie einen essentiellen Beitrag leisten werden, um das Energieproblem zu lösen. Alleine mit Probieren ist das Problem aber vermutlich nicht zu lösen. Viele Forscher haben daran gearbeitet, doch der Fortschritt ist recht begrenzt. Wir brauchen neue Ideen und neue Ansätze und die Theoretiker müssen diese Anstöße geben. Wenn alles gut geht, werde ich es vielleicht noch erleben, dass die solare Wasserspaltung großtechnisch funktioniert.

Sind Ihre Berechnungen ein erster Schritt in diese Richtung?

Wir versuchen, unkonventionelle Ideen zu entwickeln. Wir sind noch nicht in der Lage, explizite Lösungen zu liefern und man kann nicht erwarten, dass wir den ganzen Prozess theoretisch vorhersagen können. Wir wollen Konzepte erarbeiten und Entwicklungen anstoßen, welche alternativ zu den beiden Mainstream-Forschungsrichtungen der solaren Wasserspaltung sind. Diese werden sehr intensiv bearbeitet, nicht nur bei uns, sondern insbesondere auch in den USA, Japan und China. Die eine Richtung ist die Photoelektrochemie, das heißt, man benutzt Halbleiter, um mit Licht Elektronen und Löcher zu erzeugen. Mit diesen Ladungsträgern versucht man, in einer elektrochemischen Zelle Wasser zu zerlegen. Der Prozess ist bisher nicht sehr effektiv. Man versucht, die Materialien zu optimieren, also alle denkbaren Halbleiter, alle Katalysatoren und alle Farbstoffmoleküle zu testen.

Die andere Mainstream-Forschungsrichtung versucht, der Natur abzuschauen, wie die Photosynthese funktioniert, wie also Licht in chemische Energie umgewandelt wird. Man versucht, Modellmoleküle zu entwickeln, welche weniger komplex sind, aber analog funktionieren. Was wir verstehen müssen, sind die ursprünglichen Prozesse ganz am Beginn der Evolution der Photosynthese. Der hochinteressante biologische Prozess der Photosynthese in der heutigen Natur ist für unsere Zwecke, die zukünftige Energieerzeugung, nicht effizient genug.

Wie sieht denn konkret der Beitrag der Theoretischen Chemie zur Lösung des Problems der Energiegewinnung aus?

Wir müssen die Theorie der Photochemie und unsere Rechenmethoden weiter entwickeln. Wir müssen z. B. die Prozesse an Grenzflächen zwischen Festkörpern und Flüssigkeiten besser verstehen, oder die Prozesse der Lichtabsorption und Energieumwandlung in Farbstoffmolekülen. Wenn wir unsere schon recht guten Rechenmethoden weiter optimieren, dann sollten wir wesentlich effizienter und zielgerichteter in der Lage sein, nach neuen Wegen zur chemischen Nutzung von Solarenergie zu suchen. Wir werden hoffentlich konkrete theoretisch fundierte Vorschläge machen können, die dann aufgegriffen und experimentell umgesetzt werden sollten. Die gezielte Umwandlung von Solarenergie in chemische Energie ist ein enorm wichtiges wissenschaftliches Thema, wenn nicht überhaupt das wichtigste, und da hat die Wissenschaft auch ganz klar einen gesellschaftlichen Auftrag.

Herr Prof. Domcke, herzlichen Dank für das Interview und die interessanten Ausführungen!