Effizientere Gewinnung von Deuterium mit Hilfe eines Quantensiebs

  • Die Kristalle der metallorganischen Verbindung unter dem Rasterelektronenmikroskop in mehr als 6000-facher 
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    Die Kristalle der metallorganischen Verbindung unter dem Rasterelektronenmikroskop in mehr als 6000-facher Vergrößerung.

Neuartige metallorganische Gerüstverbindung nimmt das schwere Wasserstoff-Isotop schneller auf als gewöhnlichen Wasserstoff

Augsburg/MPG/KPP - Das Wasserstoff-Isotop Deuterium, auch bekannt als "Schwerer Wasserstoff", dient als wichtiges Hilfsmittel, um etwa die Struktur unbekannter Stoffe zu bestimmen. Mit ihm untersuchen Chemiker aber auch, wie Reaktionen ablaufen, an denen Wasserstoff beteiligt ist. Biologen analysieren mit Deuterium unter anderem Stoffwechselprozesse. Deutschen Wissenschaftern ist es mit Hilfe einer neuen Methode nun gelungen, Wasserstoff und Deuterium effizienter als bisher zu trennen. Die Forscher nutzten dafür den Mechanismus des sogenannten Quantensiebens.

Das Forscherteam aus Stuttgart, Bremen und Augsburg konnte feststellen, dass eine bestimmte metallorganische Gerüstverbindung, kurz MOF für "metalorganic framework", bei Temperaturen unter minus 200 Grad Celsius leichter Deuterium als gewöhnlichen Wasserstoff aufnimmt. Diese spezielle Gerüstverbindung MFU-4 wurde von Chemikern um Dirk Volkmer am Lehrstuhl für Festkörperchemie der Universität Augsburg synthetisiert. Sie besteht aus Zinkionen, die mit organischen Molekülen vernetzt sind, und weist käfigartige Hohlräume auf, die durch besonders enge Öffnungen miteinander verbunden sind.

Stabile poröse Materialien

Metallorganische Gerüstverbindungen werden in einem Baukastensystem erzeugt, in dem sich poröse Materialien für spezielle Anwendungen gezielt herstellen lassen. "Es gibt inzwischen Tausende derartiger Verbindungen, von denen die meisten allerdings den hohen technischen Anforderungen an die Stabilität nicht genügen. Mit MFU-4 haben wir jetzt eine Familie von porösen Materialien entwickelt, die auch für industrielle Anwendungen attraktiv wäre", erläutert Volkmer.

Bei Experimenten am Stuttgarter Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme wurde MFU-4 bei minus 223 Grad Celsius für wenige Minuten einem Gasgemisch aus gleichen Teilen Wasserstoff und Deuterium ausgesetzt und anschließend auf über minus 200 Grad erwärmt. Dabei zeigte sich, dass das schwerere Deuterium schneller in die Poren einzudringen vermag als sein leichterer Bruder Wasserstoff.

Sieben nach der Masse

Mit Unterstützung des theoretischen Physikers Thomas Heine von der Jacobs University Bremen kam das Forscherteam dem Grund dieses Phänomens auf die Spur: MFU-4 trennt die Wasserstoff-Isotope durch den Mechanismus des sogennanten Quantensiebens, bei dem die winzigen Teilchen nicht nach ihrer nicht mehr zu unterscheidenden Größe, sondern nach ihrer Masse sortiert werden. Und hier haben die Deuterium-Moleküle bei einer Abkühlung unter minus 200 Grad die besseren Startbedingungen, um in die MFU-4 Poren einzudringen.

"Damit haben wir erstmals experimentell gezeigt, dass Quantensieben eine sehr effektive Methode ist, um Gasgemische zu trennen und Deuterium zu gewinnen", sagt Michael Hirscher vom Stuttgarter MPI für Intelligente Systeme.

Hoffnung günstige Gewinnung von Helium-3

"Technische Trennprozesse wie das Quantensieben setzen voraus, dass sich poröse Materialien mit Hohlräumen einer gewünschten Größe gezielt herstellen lassen, und genau diese Bedingung erfüllt die MFU-4-Familie", erläutert Volkmer. Darauf aufbauend soll nun untersucht werden, ob sich andere metallorganische Gerüstverbindungen, deren Hohlräume und Öffnungen größer oder kleiner sind, vielleicht sogar besser als Quantensiebe für Deuterium eignen und ob sich darüber hinaus mit dieser neuen Methode unter Umständen auch das extrem seltene Helium-3 von Helium-4 trennen und anreichern lassen könnte - als von der Wissenschaft begehrtes Kühlmittel und als Brennstoff der Kernfusion, der noch einmal deutlich weniger radioaktives Material produzieren würde, als die Kernfusion mit Deuterium entsteht. Die aktuellen Forschungsergebnisse wurden im Journal "Advanced Materials" veröffentlicht. (red, derStandard.at, 7.12.2012)

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