QUANTENKATALYSE

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Was?
Die Herstellung vieler Grundstoffe unserer Gesellschaft – von Düngemitteln über Kunststoffe bis zu Treibstoffen – beruht auf katalytischen Prozessen. Katalysatoren sind Stoffe, die chemische Reaktionen beschleunigen, ohne selbst verbraucht zu werden. Doch viele industrielle Katalysatoren arbeiten nur unter extremen Bedingungen: Das Haber-Bosch-Verfahren etwa, das Stickstoff aus der Luft in Dünger umwandelt, benötigt über 400 °C und enormen Druck – es macht allein 1–2 % des weltweiten Energieverbrauchs aus. Die Natur zeigt, dass es anders geht: Das Enzym Nitrogenase leistet dasselbe bei Raumtemperatur. Quantencomputer könnten helfen, solche Vorbilder zu verstehen und neue, effizientere Katalysatoren zu entwerfen – indem sie die quantenmechanischen Vorgänge in Molekülen simulieren, die für klassische Computer zu komplex sind.

Wofür?
Bessere Katalysatoren würden ganze Industriezweige verändern. Das Spektrum reicht von der Düngemittelproduktion über die Herstellung von Kunststoffen und Feinchemikalien bis zur Erzeugung von grünem Wasserstoff und der Umwandlung von CO2 in verwertbare Rohstoffe. In all diesen Bereichen könnte gezieltes Katalysator-Design Prozesse energiesparender machen, Syntheseschritte vereinfachen und Abfallprodukte reduzieren – mit enormer Wirkung für die Energiewende und den Klimaschutz. Die Herausforderung: Einen guten Katalysator zu finden gleicht der Suche nach einer Nadel im Heuhaufen – die Zahl möglicher Materialien und Strukturen ist riesig, und bisher beruht die Suche stark auf Versuch und Irrtum. Quantensimulationen könnten diese Suche gezielter machen.

Wie?
Katalytische Reaktionen laufen über sogenannte Übergangszustände – kurzlebige Zwischenstadien, in denen Bindungen gleichzeitig aufbrechen und sich neu bilden. Dabei spielen die Quanteneigenschaften der beteiligten Elektronen eine entscheidende Rolle: Sie befinden sich in Überlagerungen (Superposition) vieler Zustände gleichzeitig. Genau das macht die Simulation so schwierig – und Quantencomputer so vielversprechend. Mit jedem zusätzlichen Elektron verdoppelt sich grob die Zahl der zu berücksichtigenden Zustände. Klassische Computer stoßen daher bei größeren Molekülen schnell an ihre Grenzen. Quantencomputer hingegen können solche Elektronenzustände direkt in ihren Qubits abbilden – sie simulieren gewissermaßen Quantenmechanik mit Quantenmechanik. So könnten sie vorhersagen, welche Materialien sich als effiziente Katalysatoren eignen.

Ausblick:
Die Quantensimulation von Katalysatoren steht noch am Anfang. Wie bei vielen anderen Simulationsaufgaben auch, sind die Möglichkeiten durch die unzureichende Rechenleistung heutiger Quantencomputer beschränkt. Diese können bisher nur sehr kleine Moleküle berechnen – industriell relevante Katalysatoren, wie der aktive Kern der Nitrogenase, sind noch außer Reichweite. Fortschritte zeigen sich jedoch in hybriden Ansätzen, die Quanten- und klassische Rechner kombinieren. Und Chemieunternehmen investieren bereits in Quantencomputing-Partnerschaften – das Potenzial ist zu groß, um es zu ignorieren. Gelingt die Skalierung, könnte die Katalysator-Entwicklung eines der ersten Felder werden, in denen Quantencomputer klassische Rechner in der Praxis übertreffen.

Diese Inhalte stammen aus den "Technologie-Steckbriefen", die das Fraunhofer ISI in Modul 1entwickelt hat.