Industry’s Rare Resources

Almost everything in chemistry needs catalysts to work but some of them are running out. A laureate who studies surfaces, Gerhard Ertl’s work has already proved crucial in the fight to clean up our environment. Anna Schuppert – Chemist, Max Planck Institute for Iron Research, Germany. I really like Ertl’s work, there’s basics on catalysis which are really fundamental and important. Cameron Moore – Inorganic Chemist, University of Michigan, USA. And I really like learning the fundamental science behind how a catalytic converter works. A laureate who runs a lab which invents vitally needed new catalysts is Robert Grubbs. Candy Hwang – Biochemist, University of Southern California, USA That’s the prettiest ruthenium complex I’ve ever seen. Cameron Moore: I was going to disagree. I think Grubbs is a better chemist than artist. Candy Hwang: A catalyst is something that helps speed up a reaction. It makes it go faster. And the way that it works is what we study as scientists. Like how does it make it go faster? Well, it helps those molecules orient or brings them together or makes them want to react with each other. Catalysts are absolutely crucial but supplies of those based on rare metals such as rubidium, palladium and platinum are not unlimited. Candy Hwang: There is a potential shortage. Do you think there’s a problem? Do you think we can solve it? Gerhard Ertl: The problem is caused mainly by the facts that they mainly come from China. And they have a monopoly on it. So if the market would be more open. I think there would be no shortage anymore. It’s more a political issue, not a scientific issue. Cameron Moore: What happens when non-developed countries or developing countries start to become, I guess, just more developed and say you have a lot more drivers and a lot more cars? And now we have a lot more catalytic converters. What’s that going to do to our supply of say platinum and palladium and rhodium for things like catalysis and synthetic chemistry? Should synthetic chemists be worried about using up platinum, palladium, rhodium for other applications? Gerhard Ertl: There are strong efforts to replace the noble metals by oxides of less noble metals So yeah, still a lot of research has to be done there, yeah. Robert Grubbs: And you know in the synthetic area people are trying to move from platinum and palladium to nickel. And our area, we’re in the ruthenium thing, we’re trying to switch to iron. But you know... So I think those are the directions people are trying to go in but again chemistry controls what you can do. Cameron Moore: So I’d like to just set up a sort of very hypothetical contrived situation. Let’s say we have absolutely no more palladium, platinum, rhodium, ruthenium, these types of metals. What are we going to be effected by? What happens to the Earth? What happens to our standard of living around the world? Gerhard Ertl: Perhaps we’ll have cars which are not running with gasoline. Robert Grubbs: That’s right. Yeah. Gerhard Ertl: But with hydrogen or fuel cells. Robert Grubbs: Fuel cells, yeah. Gerhard Ertl: And then you have no exhaust gas and perhaps you don’t need the catalysts anymore. Anna Schuppert: But fuel cells are also running on platinum usually so... Gerhard Ertl: Yeah, perhaps we find metals for that. Perhaps we find other materials for the electrodes. Robert Grubbs: That’s right. Cameron Moore: That sounds like actually a really fantastic world in thinking about emissions and global warming and problems with carbon based fuels. So should we really be pushing people to not use these kinds of metals because the world that you just described sounds pretty advanced? Robert Grubbs: We’re not ready for it. Cameron Moore: Apparently Robert Grubbs and Gerhard Ertl don’t seem to have a problem with it. Candy Hwang: They just don’t think it’s a problem. Cameron Moore: I really thought at the outset that they were going to say, you know: So things like iron, things that we could just dig up out of the ground anywhere. But they didn’t say that at all and so maybe it sways my opinion a little bit about what we need to do as chemists in order to make really efficient catalysts. Anna Schuppert: I still see that it might be a problem about politics and about how to get there. I mean not about amounts. But I have the feeling that it could just get a political problem. Anna Schuppert: I mean for oil now there are political issues, there are almost wars sometimes. So could it be that, you also said that for example platinum, our rarest metals are mainly mined in China or in African countries,... Robert Grubbs: South Africa is platinum and palladium yeah. Anna Schuppert: ...that maybe there might also be some political interferences then? Candy Hwang: We might not run out of platinum or palladium or rare metals but China could really restrict, I mean, the US especially because we import 100% of our rare metals. Robert Grubbs: Platinum and palladium comes mostly from South Africa. It’s the other sorts of things that come from China. Candy Hwang: Yes. Gerhard Ertl: I can understand that young people are concerned about these problems. But there are other problems which are much more serious at the moment: the energy crisis and environmental issues. They are more demanding in looking for solutions than the supply of precious materials. So, heterogeneous catalysis is a basis of chemical industry. And one of the most important catalyst reactions was the Haber-Bosch process, the formation of ammonia from the elements nitrogen and hydrogen. And the figure shows the variation of the world population and the variation of the production of ammonia over time. And you see there is a close parallelity. There is an estimate that 1/3 of the world population would starve without this reaction. Candy Hwang: I loved your presentation the other day because I’m studying nitrogenase for the same reason of wanting to make catalysts that are more efficient because nitrogenase is able to catalyse nitrogen into ammonia at room temperature and ambient pressure whereas the Haber-Bosch process is very high pressures and very high temperatures. It’s really interesting that scientists have been studying this problem for a really long time. You said yourself that it took 70 years to understand the mechanism... Gerhard Ertl: That’s right yeah. Candy Hwang: ...that was going on solid surfaces. Why did it take so long to figure out the mechanism, even though we use it so readily? Gerhard Ertl: Catalysis is complicated. Robert Grubbs: Especially surface catalysis where you’re dealing with very small amounts of material, surface states. And you really hope to develop the tools which will allow us start to look and understand. And before it was just totally Edisonian. I used to consult for people in the industry who would do heterogeneous catalysis and, you know, you talk and they would say: “I added a little barium and it got better so I added some more. It got better. What should I do next?” And, you know, you add more barium, who knows why, but it works, So... Gerhard Ertl: It used to be a black art. Robert Grubbs: That’s right, totally a black art, yeah. Cameron Moore: In some ways it seems like it still is. There are a lot of people in sub-fields of chemistry who are still just kind of mixing and seeing what happens. Gerhard Ertl: It’s almost impossible from fundamental research to predict how you can increase productivity by 1%. Robert Grubbs: That’s right, yeah. Gerhard Ertl: So it is trial and error. Sometimes you can have surprises. Gold was considered to be completely inactive, yeah. Until some researcher from Japan found that very small overlayers of gold became active, yeah. So 2 monolayers of gold are catalytically active. And this is still a very hot topic in research. Why just this small amount of gold is active, yeah. So I think there will be enough surprises as well with other materials. We just have to work on it. Robert Grubbs: You take information from where you can get it. Gerhard Ertl: It used to be a black art for more than 100 years because almost nothing was known about the mechanisms underlying the chemical process taking place on a catalyst. We know much more. But we still don’t know everything about the different parameters which are influencing the catalytic activity. Candy Hwang: Talking about combustion. We have been burning things for a very, very long time. And we still do not understand everything about it. Gerhard Ertl: Oh yeah. Robert Grubbs: Of course not. Gerhard Ertl: Yeah but all these processes are very complicated. Robert Grubbs: Oh yeah, yeah. Gerhard Ertl: Combustions are many different reactions and chain reactions which take place with radical sense. So it’s not just the transformation of one molecule in another one, yeah. Candy Hwang: I didn’t realise that it was so complex. I am still a pretty new PhD which is why I’m so enthusiastic. Robert Grubbs: Ok. Robert Grubbs: You stay enthusiastic a long time. He’s still very enthusiastic and he’s been doing it a while. Cameron Moore: But to come back to the idea of nature catalysing things at ambient temperatures and pressure and they have had millions of years. Is that the end of the continuum, we reach a point in which we have very complex systems which we can use very abundant metals? Robert Grubbs: Maybe. In some cases we will, other cases we’ll still have to use platinum and palladium. Cameron Moore: Do you think so? Robert Grubbs: Yeah. Gerhard Ertl: If you just think of ammonia synthesis, the catalyst works for up to 20 years. Robert Grubbs: That’s right, that’s right. Gerhard Ertl: The natural catalyst don’t do it. They are replaced, they are continuously replaced. Anna Schuppert: So we have to be better than nature then. Gerhard Ertl: Catalysis research is considered to be the basis for the solution of our environmental and energy problems, related also with global warming. It’s quite obvious that in the future hydrogen will be the source of our energy demands because we have enough sun light, only less than 1% of the sun light is needed. And the conversation of energy from the sun into other materials which can be stored, catalysis will be the key for the solution of these problems. Robert Grubbs: The best thing that the US could do for carbon footprint would be to teach China how to frack. Robert Grubbs: So they could convert their coal power plants into natural gas. Anna Schuppert: I don’t think that’s a good idea. Anna Schuppert: No absolutely not a good idea. Robert Grubbs: But what else are you going to do. They’re going to burn coal. Anna Schuppert: Yeah, but there are changes. I mean the people are changing now and they are looking for sustainable energy. Robert Grubbs: Of course, yeah. Anna Schuppert: And I think it’s not a good idea. I mean if the people are saying: “Let’s do fracking. But, well, let’s do it in some country where we don’t care.” Robert Grubbs: No it’s not that, no. Anna Schuppert: I mean that’s not making sense. And even, especially China, I mean they have platinum, they have rare earth metals so they could sell them. Robert Grubbs: But they’ve got lots and lots of coal and they need energy. So they burn coal. Anna Schuppert: Yeah but we could... I mean if we want to teach them something then I would say it’s a good way to teach them how to do catalysis, how to use their rare earth metals which they have. Robert Grubbs: But that doesn’t help them get around, heat their houses, run their air conditioners, live the life style they want to live. Anna Schuppert: Yeah, but it can. I mean catalysis like... You can teach them: “Ok, use sustainable energy. Then use this energy to produce for example hydrogen, use the hydrogen to use as electricity in your house.” Robert Grubbs: I think we’ll get there eventually but I don’t see us doing that short term. You know, we’ve got to get through the next 15 years until we get all this stuff built up. Anna Schuppert: Yeah, but I think pushing it as soon as possible is the best way because you say: But I think it’s so much more valuable to use it for chemicals. And if we once run out we cannot use it for other things anymore. Gerhard Ertl: I completely agree with you. Robert Grubbs: I completely agree, but... Gerhard Ertl: That’s the task of the scientist to really move on. But it’s also the question whether you are a pessimist or an optimist. Robert Grubbs: That’s right. Anna Schuppert: I prefer to be optimistic. Gerhard Ertl: If you look back in history whenever there was a serious problem, man could overcome it. Candy Hwang: Like Haber. Robert Grubbs: That’s right. Gerhard Ertl: Yeah, yeah, so I am convinced that there... Robert Grubbs: We will overcome it. I mean I would love if China quit digging coal. But they’re not going to. Anna Schuppert: Instead they are then digging maybe platinum or other, palladium or... Robert Grubbs: They’re digging platinum and palladium too. But China actually now has one of the largest solar programmes going. They’re developing at an incredible rate. They’re developing wind at an incredible rate. But it’s just not keeping up. Candy Hwang: Which all requires rare metals by the way. Robert Grubbs: They do, yes. Anna Schuppert: In my opinion the world is really going for renewable energies and that we can do this and that this will be not something in 100s of years but that will be something in my lifespan. And he was just saying: “Come on relax, this is not realistic and I don’t believe that it’s going.” He said: “Ok, let’s do fracking and all this stuff.” And I can’t just accept this. And I am really forcing and saying: “Ok, we can do this. We just have to want it.” Cameron Moore: Bob Grubbs was like sort of: “I agree with you but right now no one wants to pay the cost for it, so it comes back to the economy.” But I really like... You were really pressing him to. Candy Hwang: Yeah, he was kind of being a devil’s advocate because he was like: Robert Grubbs: There is this theory in organic chemistry called organocatalysis which is using organic molecules as catalysts for things. And so that’s been going for years but now it’s really become a focused area and with a title and... Candy Hwang: But it’s more limited, right? Because it has to be so much more complicated and more organised and more thought out and. Robert Grubbs: Well I don’t know, I mean our stuff is pretty organised and well thought out but. Anna Schuppert: But you do have the low amounts of metals always in, or (not)? Robert Grubbs: No not all always, no, some of them are very clean. You know they tend to be lower turnovers and much more catalyst loading and stuff. But they’re pretty simple, they have no metals to get rid of at the end. Cameron Moore: Is it conceivable that we’d ever use such a catalyst for producing chemicals in an industrial scale? Robert Grubbs: Oh yeah, yeah. I mean there’s organic catalysts now. Candy Hwang: So you don’t think we should shift our attention away from rare metals, we can keep working with rare metals and platinum and palladium. Gerhard Ertl: I think so, yeah. Robert Grubbs: We’ve got to solve problems however we solve them. Candy Hwang: Use what we have. Robert Grubbs: Use what we’ve got. Let’s plan for the future but we’ve got to get through right now. Anna Schuppert: And maybe it is our turn, maybe it just goes over to us to say: “We are still... Yeah, we have the power, we have the feeling and we have the enthusiasm.” Cameron Moore: I sort of agree right. So, they’ve laid scientific foundations, they’re sort of giants in our field and so at some point they really have to pass the torch on to the younger scientists. And they seem to be very good at laying out the problems for us and being like: “You have many tools at your disposal. And these are the problems.” And so we just need really passionate, you know, people to go out and try to solve these problems. So this is my first time at Lindau. We just had lunch with the Mars fellows and I think I’m beginning to get some sort of perspective on what this is all about. You’re all young scientists in the making. I think it’s very important that you remember 2 things. First that you are going very, very deeply into something. You’re becoming one of the world’s experts. And it’s important that you do become very deep. But the knowledge that something else is happening in a different field or a new technology is happening over here and you can import that into your problem is a very powerful concept. It actually helps you do better science. Richard Ware – Vice President, Supply, R&D and Procurement Mars, Incorporated. So, why does science matter to Mars? Howard-Yana Shapiro – Chief Agricultural Officer Mars, Incorporated. It’s the foundation of everything we do: engineering in the factory, how do we make our products, raw material supply chain, flavour chemistry. Everything I can think of builds a strong foundation which allows every other aspect of our company to thrive. It equals about a billion and a quarter tons of food. The water issue is beyond the notion of sitting in your laboratory and working on a very small piece of information. That’s critically important. But when I look around this room and you’re from many different places and many different institutions from every country, 78 countries. Imagine what would happen if you all collaborated in an uncommon way to solve some of these world problems. Do you have the feeling that maybe the younger generation is now more willing to go into this kind of international cooperation? Or maybe it’s now easier? The reality is that everyone has to do it, young, middle aged, old. There’s no way to do it otherwise. Pablo, how is it for a scientist to work with Mars? In my case working in the University of California I think it’s a great experience. There we have different collaborations. They are doing research in many departments. I work with the plant science department but also with the genome centre. And also I know people from the veterinary school, from the nutrition department. All of them are receiving funding from Mars. And there are different topics. And everything happens really fast. You know, in that way the decision making is fast. I really like it. We look across the university at every department that might have insight to what we’re trying to solve. And we use them all. And we collaborate and we talk to each other and it’s an ongoing intensive discussion and dialogue. We’re not bound by any way, shape or form of mediocrity. We’re bound by excellence. That’s why we’re here. For us to be able to reach out and talk to these young scientists, these great scientists of the future and encourage them firstly to stay in science that’s job number 1. And everything that we can do through the Lindau relationship to put the great young scientists of the future in touch with, you know, clearly these guys are Nobel laureates so some of the great, great scientists in the world today and to have some of the great Mars scientists here as well to put them into this kind of melting pot to try and catalyse this interest, this enthusiasm, this commitment to do great things in science.

Besser leben durch Chemie Fast alles in der Chemie funktioniert nur mit Katalysatoren. Einige davon gehen aber zu Neige. Die Arbeit eines Nobelpreisträgers, der sich mit Oberflächen beschäftigt hat, Gerhard Ertl, hat sich bereits im Kampf für eine saubere Umwelt bewährt. Anna Schuppert – Chemikerin, Max-Planck-Institut für Eisenforschung, Deutschland. Ich mag die Arbeit von Ertl, weil sie die Grundlagen der Katalyse vermittelt, die wirklich grundlegend und bedeutend sind. Cameron Moore – Anorganiker, University of Michigan, USA. Und mir gefällt es, die Grundlagenwissenschaft darüber kennenzulernen, wie katalytische Konverter funktionieren. Ein Nobelpreisträger, der ein Labor betreibt, in dem dringend benötigte neue Katalysatoren entwickelt werden, ist Robert Grubbs: Candy Hwang – Biochemikerin, University of Southern California, USA. Das ist der schönste Ruthenium-Komplex, den ich je gesehen habe. Cameron Moore: Da möchte ich widersprechen. Ich glaube, Grubbs ist ein besserer Chemiker als Künstler. Begrenzte Ressourcen der Industrie. Candy Hwang: Ein Katalysator trägt dazu beiträgt, eine Reaktion zu beschleunigen. Er macht sie schneller. Und als Wissenschaftler untersuchen wir, wie das funktioniert. Wie funktioniert die Beschleunigung? Er hilft diesen Molekülen, sich zu orientieren. Oder er bringt sie zusammen oder er bewegt sie dazu, miteinander zu reagieren. Katalysatoren sind unverzichtbar, aber der auf seltenen Metallen wie Rubidium, Palladium und Platin basierende Nachschub steht nicht unbegrenzt zur Verfügung. Candy Hwang: Es gibt potentielle Engpässe. Halten Sie das für ein Problem? Und glauben Sie, dass wir das lösen können? Gerhard Ertl: Das Problem wird hauptsächlich dadurch verursacht, dass sie hauptsächlich aus China kommen. Und die haben ein Monopol darauf. Wenn der Markt offener wäre, gäbe es überhaupt keinen Mangel. Das ist eher ein politisches Thema, kein wissenschaftliches. Cameron Moore: Was passiert, wenn sich die aufstrebenden Länder weiter entwickeln und es noch wesentlich mehr Autofahrer und Autos gibt? Es gibt schon heute wesentlich mehr katalytische Konverter. Was bedeutet das für die Bereitstellung von Platin, Palladium und Rhodium für Dinge wie die Katalyse oder die synthetische Chemie? Müssen sich Synthesechemiker Sorgen über den Verbrauch von Platin, Palladium, Rhodium für andere Anwendungen machen? Gerhard Ertl: Man ist stark darum bemüht, die Edelmetalle durch Oxide von weniger edlen Metallen zu ersetzen Es ist also noch viel Forschung nötig. Robert Grubbs: Im Synthesebereich versucht man, von Platin und Palladium auf Nickel umzusteigen. Und in unserem Bereich, wir arbeiten mit Ruthenium, versuchen wir den Umstieg auf Eisen. Das sind also die Versuche in dieser Hinsicht. Dennoch muss man sagen: Die Chemie steuert, was möglich ist. Cameron Moore: Ich möchte mal eine sehr hypothetische Situation beschreiben. Wenn wir kein Palladium, Platin, Rhodium, Ruthenium, keine solchen Metalle mehr hätten: Was hätte das für Folgen für uns? Was passiert mit der Erde? Was geschähe dann mit unserem Lebensstandard weltweit? Gerhard Ertl: Vielleicht fahren wir dann Autos, die nicht mehr mit Benzin betrieben werden. Robert Grubbs: Ja, das stimmt. Gerhard Ertl: Sondern mit Wasserstoff oder Brennstoffzellen. Robert Grubbs: Brennstoffzellen, ja. Gerhard Ertl: Und dann gibt es keine Abgase mehr und vielleicht braucht man dann die Katalysatoren überhaupt nicht mehr. Robert Grubbs: Ja. Anna Schuppert: Aber normalerweise brauchen Brennstoffzellen auch Platin … Gerhard Ertl: Ja, vielleicht finden wir dafür Metalle. Vielleicht finden wir andere Materialien für die Elektroden. Robert Grubbs: Genau. Cameron Moore: Das klingt nach einer wirklich phantastischen Welt, wenn man an Emissionen, globale Erwärmung und die Probleme mit fossilen Brennstoffen denkt. Sollten wir die Menschen tatsächlich auffordern, solche Metalle nicht zu verwenden, weil die von Ihnen gerade beschriebene Welt sehr fortschrittlich klingt? Robert Grubbs: Wir sind dazu noch nicht bereit. Cameron Moore: Offensichtlich haben Robert Grubbs und Gerhard Ertl kein Problem damit. Candy Hwang: Sie halten das einfach nicht für ein Problem. Cameron Moore: Ich dachte zu Beginn wirklich, sie würden sagen: Also Dinge wie Eisen, Dinge, die wir überall einfach aus dem Boden gewinnen können. Aber das alles haben sie nicht gesagt. Vielleicht ändert das ein bisschen meine Meinung darüber, was wir als Chemiker tun sollten, um wirklich effiziente Katalysatoren herzustellen. Anna Schuppert: Ich denke immer noch, dass das ein politisches Problem ist und eine Frage, wie das zu erreichen ist. Ich meine nicht die Mengen, aber ich habe den Eindruck, dass das wirklich ein politisches Problem werden könnte. Anna Schuppert: Öl ist doch auch ein politisches Thema. Es gibt fast immer Kriege darum. Könnte es nicht sein … Sie sagten doch, dass beispielsweise Platin, unsere seltensten Metalle hauptsächlich in China oder in afrikanischen Ländern abgebaut werden … Robert Grubbs: Ja, in Südafrika gibt es Platin und Palladium. Anna Schuppert: … es also möglicherweise politische Beeinträchtigungen geben könnte? Candy Hwang: Vielleicht gehen Platin, Palladium oder andere seltene Metalle ja nicht gerade aus. Aber China könnte die USA tatsächlich bremsen, weil wir 100% unserer seltenen Metalle importieren. Robert Grubbs: Platin und Palladium kommen überwiegend aus Südafrika. Aus China kommen andere Dinge. Candy Hwang: Ja. Gerhard Ertl: Ich verstehe, dass sich junge Menschen Gedanken über diese Probleme machen. Aber es gibt andere Probleme, die derzeit wesentlich schwerwiegender sind: die Energiekrise und Umweltfragen. Was die Suche nach Lösungen betrifft, verlangen sie uns mehr ab als der Nachschub von Edelmetallen. Die heterogene Katalyse ist eine Basis für die chemische Industrie. Eine der bedeutendsten Katalysatorreaktionen war das Haber-Bosch-Verfahren, die Bildung von Ammoniak aus den Elementen Stickstoff und Wasserstoff. Die Abbildung zeigt die Veränderung der Weltbevölkerung und die Veränderung der Ammoniakproduktion im Zeitablauf. Und Sie sehen die enge Verbindung zwischen beiden. Man schätzt, dass ein Drittel der Erwerbsbevölkerung ohne diese Reaktion hungern müsste. Candy Hwang: Ihr Vortrag gestern hat mir sehr gefallen, weil ich die Nitrogenase aus demselben Grund untersuche: Um Katalysatoren herstellen zu können, die effizienter sind, weil die Nitrogenase Stickstoff bei Raumtemperatur und Umgebungstemperatur in Ammoniak katalysieren kann. Das Haber-Bosch-Verfahren ist dagegen von sehr hohen Drücken und sehr hohen Temperaturen abhängig. Es ist wirklich interessant, dass Wissenschaftler dieses Problem bereits so lange untersuchen. Sie selbst sagten, dass es 70 Jahre gebraucht hat, den Mechanismus zu verstehen … Gerhard Ertl: Ja, das stimmt. Candy Hwang: ...der mit festen Oberflächen abläuft. Warum hat es solange gebraucht, den Mechanismus aufzuklären, obwohl wir ihn bereits so bereitwillig nutzen? Gerhard Ertl: Katalyse ist kompliziert. Robert Grubbs: Insbesondere die Oberflächenkatalyse, bei der man mit sehr geringen Materialmengen, Oberflächenqualitäten zu tun hat. Da hofft man wirklich, die Werkzeuge entwickeln zu können, mit denen wir das untersuchen und verstehen können. Und früher war das einfach völlig edisonianisch. Ich habe mich mit Leuten aus der Industrie unterhalten, die die heterogene Katalyse machen wollten und sagten: Deshalb habe ich etwas mehr zugegeben. Es wurde besser. Aber was soll ich als Nächstes tun?“ Man gibt also mehr Barium zu und es funktioniert, aber wer weiß warum … Gerhard Ertl: Es war eine Art schwarze Magie. Robert Grubbs: Das stimmt, eine völlig schwarze Magie, ja. Cameron Moore: Irgendwie scheint das immer noch so zu sein. Es gibt viele Menschen in Teilgebieten der Chemie, die immer noch einfach mischen und abwarten, was passiert. Gerhard Ertl: Aus der Sicht der Grundlagenforschung ist es kaum möglich vorherzusagen, wie wir die Produktivität um 1% erhöhen können. Robert Grubbs: Das stimmt. Ja. Gerhard Ertl: Es geht also um Versuch und Irrtum. Manchmal erlebt man Überraschungen. Gold wurde für vollständig inaktiv gehalten, bis einige Forscher aus Japan herausfanden, dass sehr dünne Schichten des Golds aktiv wurden. Zwei Monolagen Gold sind katalytisch aktiv. Und das ist nach wie vor ein sehr heißes Thema in der Forschung. Warum ist nur ein so geringer Teil des Goldes aktiv? Es gibt also wohl noch genügend weitere Überraschungen mit anderen Materialien. Wir müssen das einfach untersuchen. Robert Grubbs: Man nimmt die Informationen von dort her, wo man sie erhält. Gerhard Ertl: Das war länger als 100 Jahre eine schwarze Magie, weil praktisch nichts über die Mechanismen bekannt war, die dem chemischen Prozess zugrunde liegen, der an einem Katalysator stattfindet. Heute wissen wir wesentlich mehr. Aber wir wissen immer noch nicht alles über die verschiedenen Parameter, die die katalytische Aktivität beeinflussen. Candy Hwang: Nehmen wir zum Beispiel die Verbrennung. Wir verbrennen seit langer, langer Zeit Dinge. Und bis heute wissen wir noch nicht alles darüber. Gerhard Ertl: Ja, das stimmt. Robert Grubbs: Natürlich nicht. Gerhard Ertl: Ja, aber diese Prozesse sind auch sehr kompliziert. Robert Grubbs: Ja, ja. Gerhard Ertl: Verbrennungen bestehen aus sehr verschiedene Reaktionen und Kettenreaktionen, die im radikalen Sinne ablaufen. Es geht nicht nur um die Umwandlung eines Moleküls in ein anderes. Candy Hwang: Mir war nicht klar, dass das so komplex ist. Ich bin noch eine ganz frische Doktorandin und deshalb so enthusiastisch. Robert Grubbs: Ok. (Lachen). Robert Grubbs: Man bleibt lange enthusiastisch. Er ist noch immer sehr enthusiastisch und er macht das schon eine ganze Weile. (Lachen). Cameron Moore: Aber um auf die Idee der Natur zurückzukommen, Dinge bei Umgebungstemperaturen und -drücken zu katalysieren, wie dies seit Millionen von Jahren geschieht. Ist das das Ende des Kontinuums? Erreichen wir einen Punkt, an dem wir sehr komplexe Systeme haben, für die wir die reichlich vorkommenden Metalle nutzen können? Robert Grubbs: Möglicherweise. In einigen Fällen wird das möglich sein, in anderen müssen wir nach wie vor Platin und Palladium nutzen. Cameron Moore: Glauben Sie das? Robert Grubbs: Ja. Gerhard Ertl: Denken Sie an die Ammoniaksynthese: Der Katalysator funktioniert bis zu 20 Jahre. Robert Grubbs: Das stimmt, das stimmt. Gerhard Ertl: Die natürlichen Katalysatoren tun das nicht. Sie werden ersetzt, sie werden kontinuierlich ersetzt. Anna Schuppert: Wir müssen also besser als die Natur sein. (Lachen). Gerhard Ertl: Die Katalyseforschung gilt als die Grundlage für die Lösung unserer Umwelt- und Energieprobleme, die auch mit der globalen Erwärmung zusammenhängen. Ganz offensichtlich wird Wasserstoff in Zukunft die Quelle unseres Energiebedarfs sein, weil wir genügend Sonnenlicht haben. Wir brauchen weniger als 1% des Sonnenlichts. Und die Umwandlung von Energie aus der Sonne in andere Materialien, die gespeichert werden können … für die Lösung dieser Probleme ist die Katalyse der Schlüssel. Robert Grubbs: Das Beste, was die USA zur Entlastung der Umwelt tun könnten, wäre es, China das Fracking beizubringen. (Lachen). Robert Grubbs: Dann könnten sie ihre Kohlekraftwerke in Gaskraftwerke umwandeln. Anna Schuppert: Das ist aber keine gute Idee. (Lachen). Anna Schuppert: Absolut keine gute Idee. Robert Grubbs: Aber was wollen Sie sonst machen? Die verbrennen Kohle. Anna Schuppert: Ja, aber es verändert sich was. Die Menschen verändern sich jetzt und suchen nach nachhaltigen Energiequellen. Robert Grubbs: Ja, das stimmt. Anna Schuppert: Ich halte das für keine gute Idee, wenn man sagt: Lasst uns Fracking machen, aber in einem Land, wo es uns nicht stört. Robert Grubbs: Nein, darum geht es nicht. Nein. Anna Schuppert: Das macht doch keinen Sinn. Und insbesondere China hat doch Platin. Die haben seltene Erdmetalle, die könnten sie doch verkaufen. Robert Grubbs: Aber sie haben auch jede Menge Kohle und sie brauchen Energie. Deshalb verbrennen sie Kohle. Anna Schuppert: Aber wir könnten doch … Wenn wir denen etwas vermitteln wollen, wäre es doch eine gute Möglichkeit, ihnen zu zeigen, wie die Katalyse durchgeführt wird, wie sie ihre seltenen Erdmetalle verwenden können. Robert Grubbs: Aber das hilft ihnen nicht dabei, ihre Häuser zu heizen, ihre Klimaanlagen zu betreiben, den Lebensstil zu verwirklichen, den sie leben möchten. Anna Schuppert: Aber das ist doch möglich. Katalyse … man kann denen doch vermitteln: „Okay, setzt nachhaltige Energie ein. Nutzt diese Energie beispielsweise zur Herstellung von Wasserstoff. Nutzt den Wasserstoff als Stromquelle in euren Häusern.“ Robert Grubbs: Ich denke, irgendwann wird es so sein. Aber kurzfristig sehe ich das nicht. Wir müssen schauen, wie wir durch die nächsten 15 Jahre kommen, bis wir all das aufgebaut haben. Anna Schuppert: Aber ich halte es für das Beste, das bald möglichst zu forcieren. Sie sagen: „Okay, solange wir Kohle und Öl haben, benutzen wir das.“ Aber ich denke, es wäre viel wertvoller, das für Chemikalien zu verwenden. Und wenn es einmal verbraucht ist, können wir es nicht mehr für andere Dinge einsetzen. Gerhard Ertl: Ich bin vollkommen Ihrer Meinung. Robert Grubbs: Ich bin vollständig Ihrer Meinung, aber … Gerhard Ertl: Es ist die Aufgabe der Wissenschaftler, sich wirklich weiter zu bewegen. Es geht auch um die Frage, ob man Pessimist oder Optimist ist. Robert Grubbs: Das stimmt. (Lachen). Anna Schuppert: Ich bin lieber optimistisch. Gerhard Ertl: Wenn man in die Geschichte zurückschaut, haben die Menschen jedes ernsthafte Problem überwunden. Candy Hwang: Wie Haber. Robert Grubbs: Das stimmt. Gerhard Ertl: Ja, ich bin überzeugt, dass … Robert Grubbs: Es wird uns gelingen. Natürlich würde ich es begrüßen, wenn China den Kohlebergbau aufgeben würde. Aber das wird nicht passieren. Anna Schuppert: Anstelle dessen graben sie dann möglicherweise nach Platin, Palladium oder … Robert Grubbs: Sie bauen schon Platin und Palladium ab. Und tatsächlich läuft heute in China eines der größten Solarprogramme. Sie entwickeln sich in einer unglaublichen Geschwindigkeit. Sie entwickeln die Windkraftenergie in rasantem Tempo. Aber sie können einfach nicht Schritt halten. Candy Hwang: Für all das werden übrigens seltene Metalle benötigt. Robert Grubbs: Ja, das stimmt. Anna Schuppert: Nach meiner Einschätzung will die Welt wirklich erneuerbare Energien. Wir können das umsetzen und das wird nicht erst in einigen hundert Jahren der Fall sein. Ich werde das noch erleben. Und er hat einfach gesagt: „Entspannt euch, das ist unrealistisch. Ich glaube nicht daran, dass das passiert.“ Er hat gesagt: „Okay, machen wir doch Fracking und so etwas“. Ich kann das nicht akzeptieren. Und ich sage: „Okay, wir können das schaffen. Wir müssen das nur wollen.“ Cameron Moore: Bob Grubbs verkörperte so etwas wie: „Ich stimme euch zu. Aber jetzt will niemand die Kosten dafür übernehmen. Das fällt also auf die Wirtschaft zurück.“ Aber es hat mir gefallen … Du hast ihn wirklich unter Druck gesetzt. Candy Hwang: Er war so etwas wie des Teufels Advokat mit seiner Haltung: „Ich würde das begrüßen, aber es wird nicht passieren.“ Und du hast die Haltung vertreten: „ Doch, es wird doch geschehen!“ (Lachen). Robert Grubbs: In der organischen Chemie gibt es eine Theorie, die die Organokatalyse genannt wird. Die verwendet organische Moleküle als Katalysatoren für Dinge. Das gibt es schon seit Jahren, aber jetzt wird das wirklich zu einem Schwerpunktbereich und mit einem Titel und … Candy Hwang: Aber das ist stärker begrenzt, oder? Weil das doch wesentlich komplexer sein muss und organisierter und durchdachter und … Robert Grubbs: Ich weiß nicht, unsere Leute sind recht gut organisiert und wohl überlegt, aber … (Lachen). Anna Schuppert: Aber man hat doch immer noch geringe Metallmengen darin, oder nicht? Robert Grubbs: Nein, nicht immer. Einige sind sehr sauber. Sie haben tendenziell einen geringeren Verbrauch und eine höhere Katalysatorbeladung und wesentlich mehr Katalysatormaterial. Aber sie sind sehr einfach. Am Ende müssen keine Metalle entsorgt werden. Cameron Moore: Ist es denkbar, dass wir einen solchen Katalysator irgendwann für die Herstellung von Chemikalien in industriellem Maßstab verwenden? Robert Grubbs: Ja, natürlich. Es gibt diese organischen Katalysatoren heute schon. Candy Hwang: Sie glauben also nicht, dass wir uns von seltenen Metallen wegbewegen sollten und weiterhin mit seltenen Metallen, Platin und Palladium arbeiten können. Gerhard Ertl: Ich glaube das, ja. Robert Grubbs: Wir müssen Probleme lösen, wir lösen sie aber auch. (Lachen). Candy Hwang: Das verwenden, was wir haben. Robert Grubbs: Verwenden, was wir bekommen haben. Wir müssen für die Zukunft planen, aber die Probleme heute lösen. Anna Schuppert: Und möglicherweise sind wir jetzt an der Reihe und es ist unsere Aufgabe zu sagen: Cameron Moore: Ich bin einverstanden. Sie haben die wissenschaftlichen Grundlagen gelegt. Sie sind auf unserem Fachgebiet so etwas wie die Giganten. An einem gewissen Punkt müssen sie die Fackel an uns jüngere Wissenschaftler weitergeben. Sie können uns die Probleme sehr gut verdeutlichen und sagen: „Euch stehen viele Werkzeuge zur Verfügung. Und das hier sind die Probleme.“ Wir müssen also wirklich leidenschaftlich sein, losziehen und versuchen, diese Probleme zu lösen. Lindauer Nobelpreisträgertreffen, Deutschland Juli 2013. Richard Ware – Vice President, Supply, R&D and Procurement Mars, Incorporated. Ich bin zum ersten Mal hier in Lindau dabei. Wir hatten gerade ein Mittagessen mit den Mars-Stipendiaten. So langsam beginne ich zu begreifen, worum es hier geht. Mars Podiumsdiskussion Steven Chu, Nobelpreis für Physik 1997 Sie alle sind angehende junge Wissenschaftler. Aus meiner Sicht sind zwei Dinge wichtig. Erstens, dass Sie sich wirklich intensiv mit etwas beschäftigen. Sie werden zu einem der weltweiten Experten. Und dazu müssen Sie in Ihrer Arbeit sehr gründlich sein. Aber das Wissen darum, dass auch auf anderen Gebieten etwas passiert oder neue Technologien aufkommen und Sie so etwas in Ihr Problem einbeziehen, ist ein sehr kraftvoller Ansatz. Das unterstützt Sie dabei, eine bessere Wissenschaft zu betreiben. Richard Ware – Vice President, Supply, R&D and Procurement Mars, Incorporated. Warum interessiert sich Mars für Wissenschaft? Howard-Yana Shapiro – Chief Agricultural Officer Mars, Incorporated. Sie ist die Grundlage für alles, was wir tun: die Technik in der Fabrik, wie wir unsere Produkte herstellen, die Rohstofflieferkette, die Aromachemie. Alles Erdenkliche gründet auf einem starken Fundament, von dem jeder andere Aspekt unseres Unternehmens profitiert. 45 Billionen. Stellen Sie sich die Zahl von 45 Billionen Gallonen Wasser vor, die jedes Jahr für Lebensmittel verschwendet werden, die weggeworfen werden. Das entspricht eineinviertel Milliarden Tonnen Lebensmitteln. Das Wasserproblem fordert weit mehr, als im Labor zu sitzen und an einem sehr kleinen Teil der Informationen zu arbeiten. Das ist wesentlich. Wenn ich mich hier umschaue, dann sehe ich Sie alle aus vielen verschiedenen Orten und Institutionen, aus 78 Ländern. Man stelle sich vor, was geschehen würde, wenn Sie alle in einer ungewöhnlichen Weise zusammenarbeiten würden, um einige dieser weltweiten Probleme zu lösen. Christina Heroven – Master-Studentin der Biochemie, Freie Universität Berlin. Ich weiß es nicht. Haben Sie den Eindruck, dass die jüngere Generation heute eher zu dieser Art von internationaler Zusammenarbeit bereit ist oder dass das möglicherweise heute einfacher ist? Howard-Yana Shapiro – Chief Agricultural Officer Mars, Incorporated. Die Realität ist, dass das für jeden gilt, ob jung, mittelalt oder alt. Eine andere Möglichkeit gibt es nicht. Christina Heroven – Master-Studentin der Biochemie, Freie Universität Berlin. Pablo, wie ist es für einen Wissenschaftler, für Mars zu arbeiten? Pablo Zamora – Mars-Stipendiat, 2013 Senior Scientist, UC Davis Plant Sciences Dept. Für mich ist die Arbeit an der University of California eine großartige Erfahrung. Wir arbeiten dort auf unterschiedlichen Ebenen zusammen. Dort wird in vielen Abteilungen geforscht. Ich arbeite in der Pflanzenforschung, aber auch im Genomzentrum. Darüber hinaus kenne ich Leute aus der Tierärztlichen Hochschule und aus dem Fachbereich Ernährung. Sie erhalten alle finanzielle Unterstützung von Mars. Und es geht um verschiedene Themen. Alles geschieht wirklich sehr schnell. Die Entscheidungen sind sehr schnell. Das mag ich besonders. Howard-Yana Shapiro – Chief Agricultural Officer Mars, Incorporated. Wir schauen uns an der Universität in jedem Fachbereich um, der möglicherweise einen Beitrag liefern könnte für Probleme, die wir lösen wollen. Und wir nutzen das. Wir kooperieren und reden miteinander. Es ist ein laufender intensiver Dialog. Und wir geben uns in keiner Weise oder Form mit Mittelmäßigkeit zufrieden. Wir fühlen uns der Exzellenz verpflichtet. Richard Ware – Vice President, Supply, R&D and Procurement Mars, Incorporated. Wir sind hier, weil wir hier Kontakte knüpfen können und mit diesen jungen Wissenschaftlern sprechen können, diesen großartigen Wissenschaftlern der Zukunft. Wir möchten sie in erster Linie ermutigen, in der Wissenschaft zu bleiben. Das ist die wichtigste Aufgabe. Und über die Verbindung zu Lindau möchten wir diese großartigen jungen Wissenschaftler der Zukunft mit diesen großartigen Nobelpreisträgern zusammenbringen und auch diese großartigen Mars-Wissenschaftler an diesem Schmelztiegel teilhaben lassen, in dem dieses Interesse, diese Begeisterung, dieses Engagement, Großartiges in der Wissenschaft bewirken zu wollen, zusammengeführt wird.

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