Polymere & Makromoleküle

Lange Ketten aus sich wiederholenden Untereinheiten — Polyethylen, Kevlar, Proteine, DNA, Cellulose. Werkstoffkunde und das Gerüst des Lebens zugleich.

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Der Beitrag

Ein Polymer ist eine lange Kette — bisweilen aus Millionen Gliedern —, gebildet, indem man eine kleine, sich wiederholende Einheit aneinanderreiht, das Monomer. Dass es solche Dinge überhaupt gibt, wurde erbittert bestritten: Als Hermann Staudinger 1920 vorschlug, Kautschuk, Cellulose und Proteine seien einzelne Riesenmoleküle und nicht Häufchen kleiner, locker aneinanderhaftender Moleküle, verspotteten ihn seine Kollegen fünfzehn Jahre lang. Er behielt recht, und der Nobelpreis 1953 sagte es. Bis dahin waren die von ihm bestätigten Ketten bereits dabei, die materielle Welt umzubauen — Nylon, Polyethylen, Teflon —, und heute stellt die Menschheit über 400 Millionen Tonnen Kunststoff im Jahr her. Genau die Zähigkeit, die diese Ketten so nützlich machte, macht ihren Abfall nun so schwer loszuwerden.

Bemerkenswert ist, wie viel aus einem so schlichten Ausgangspunkt folgt. Die Natur entdeckte den Kniff zuerst — Cellulose, Proteine, DNA und Naturkautschuk sind allesamt Polymere —, und die Industrie holte erst im zwanzigsten Jahrhundert auf. Hat man einmal lange Ketten, erklärt eine bloße Handvoll Variablen die enorme Spannweite dessen, was Kunststoffe sein können. Die erste ist schlicht die Länge. Kurze Ethylenketten sind Wachse und Öle; lässt man dieselbe Kette auf Tausende Glieder wachsen, wird sie zu zähem, tragfähigem Kunststoff, aus einem Grund, so hausbacken wie eine Schüssel Spaghetti — lange Ketten verschlaufen sich und können nicht leicht aneinander vorbeigleiten. Die zweite ist die Ordnung: Wo sich die Ketten sauber in kristalline Bereiche packen, wird das Material steif, dicht und oft trüb, während verworrene, amorphe Zonen es weich und zäh halten, und die meisten Kunststoffe sind eine ausgehandelte Mischung aus beidem. Die dritte ist die Vernetzung — ob die Ketten aneinandergebunden sind. Ketten, die bloß neben ihren Nachbarn liegen, lassen sich wieder und wieder einschmelzen und umformen, weshalb sich eine Milchflasche recyceln lässt; leicht aneinandergebundene Ketten geben die Federkraft des Gummis; in ein dichtes, dauerhaftes Netz gebundene Ketten geben einen harten Duroplast, der, einmal ausgehärtet, nie wieder schmilzt. Länge, Ordnung, Vernetzung: Mit nur diesen drei Reglern gelangt man von der Frischhaltefolie bis zur kugelsicheren Faser einer Weste. Und dieselbe Logik zieht sich durch die Biologie, wo ein Protein einfach eine Kette ist, deren genaue Abfolge von Gliedern bestimmt, wie sie sich zu einer arbeitenden dreidimensionalen Maschine faltet — eine einzige Zeile Code, die ihre eigene Architektur schreibt.

Warum jetztDiese Beinahe-Unzerstörbarkeit ist nun das Problem. Von den rund neun Milliarden Tonnen Kunststoff, die je hergestellt wurden, ist das meiste schon Abfall, und Mikroplastik ist in Tiefseegräben, im Arktiseis und in menschlichem Blut aufgetaucht. Das Übel ist eben das starke Kohlenstoff-Rückgrat, das Polyethylen billig und reaktionsträge macht: Nichts in der Natur hat sich entwickelt, um es zu fressen, und so bleibt es über Jahrhunderte. Kaum ein Zehntel allen Kunststoffs ist je recycelt worden, denn jedes Einschmelzen und Umformen schädigt die Ketten, und gemischter Abfall widersetzt sich der Sortierung. Die versprochenen Lösungen — pflanzenbasierte Biokunststoffe, chemisches Recycling, das die Ketten in saubere Monomere zerlegt, und neue vernetzte Polymere, die sich endlich wieder einschmelzen lassen — sind real, wachsen aber noch in die schiere Menge hinein, die das Problem verlangt.