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Phosphor – „Flaschenhals des Lebens“












M1 Phohpor hat seinen Namen (griech. phōs-phóros = lichttragend) vom Leuchten des weißen Phosphors bei der Reaktion mit Sauerstoff.

Mit diesen Worten beschrieb Isaac Asimov, Science-Fiction-Autor und Biochemiker, die Bedeutung des Elementes Phosphor. Ohne Phosphor ist kein Leben auf der Erde möglich. Ob Mensch, Tier- oder Pflanzenwelt – alles Leben auf unserem Planeten benötigt Phosphor. Doch der Stoff wird knapp.

Phosphor ist ein fester Stoff, der rot, weiß oder schwarz vorkommt. Phosphor ist das erste echte Element (P), das entdeckt wurde. Bis 1669 ging man von der Existenz von nur vier Elementen aus: Erde, Wasser, Luft und Feuer. Von den Elementen, wie wir sie kennen, war noch nichts bekannt, bis in Hamburg ein Alchemist namens Henning Brand versuchte, aus Urin Gold zu gewinnen. Er kochte die Flüssigkeit so lange, bis sich ein weißer Stoff absetzte, der sich bei Luftkontakt selbst entzündete. Brand nannte diesen Stoff deshalb „Phosphor mirabilis“, wunderbarer Lichtträger.


M2 Weißer Phosphor kommt in Brandbomben zum Einsatz.
(Alamy Images, Andrew Chittock, Abingdon, Oxon)

Damit war der Stoff gefunden, der in der Folgezeit sowohl viel Leid als auch viel Nutzen mit sich brachte. Es war ausgerechnet Hamburg, das bei Angriffen der Alliierten im Sommer 1943 in einem Feuersturm unterging – verursacht durch Phosphor-Stabbomben.

In der Landwirtschaft sorgt Phosphor dagegen in Form von Dünger seit langer Zeit für höhere Ernteerträge. Derzeit werden an die 80 Prozent des gehandelten Phosphats von der Düngemittelindustrie verwendet.

Lebensspender Phosphor

Jeder Mensch braucht täglich mindestens 0,7 Gramm Phosphor. Im Durchschnitt nehmen wir Bundesbürger zwei Gramm auf, den überschüssigen Phosphor scheiden wir aus. Phosphor befindet sich in allen Lebensmitteln, vor allem in tierischen Produkten.

Etwa 700 Gramm Phosphor stecken im menschlichen Körper. Jede Zelle, unsere Knochen, unsere DNS, das Blut, alles enthält Phosphor. Auch Nutzpflanzen sind auf Phosphorzufuhr angewiesen. Da er im Boden in nur geringer Konzentration vorkommt (0,11 Prozent), ist das natürliche Pflanzenwachstum begrenzt. Auch hier half eine Zufallserkenntnis: 1877 entwickelte der Metallforscher Sydney Thomas ein neues Verfahren zur Stahlherstellung. Dabei fiel Schlacke an, die – auf Felder gegeben – das Pflanzenwachstum durch enthaltenes Phosphor deutlich verstärkte. Der daraus entwickelte Kunstdünger heißt bis heute „Thomasmehl“.

Als Hilfsmittel zur Versorgung der Menschheit mit Nahrung wird Phosphor immer wichtiger. Die Weltbevölkerung wird in den kommenden wenigen Jahrzehnten stark anwachsen. Prognosen gehen, je nach Geburtenrate, von 7,8 bis 11,9 Milliarden Menschen bis 2050 aus. Entsprechend wird der Nahrungsmittelbedarf steigen – und mit ihm die Menge an Kunstdünger. Allein die deutsche Landwirtschaft bringt jährlich 300.000 Tonnen Phosphat-Mineraldünger aus.


M3 Nährwertverluste bei der Fleischproduktion
(Grafik: Diana Jäckel, nach: Brot für die Welt)

Der weltweit zunehmende Verbrauch liegt zum einen an der steigenden Zahl der zu versorgenden Menschen, zum anderen an der sich global durchsetzenden Art der Ernährung: Fleisch und andere Tierprodukte wie Milch werden auf allen Kontinenten immer beliebter und verdrängen traditionelle pflanzliche Kost. Die „Produktion“ von Schlachttieren kostet jedoch ein Vielfaches an pflanzlichen Futtermitteln verglichen mit vorrangig vegetarischer Nahrung (siehe M3: indirekte Nahrung). Entsprechend steigt der Einsatz von Kunstdünger für die Erzeugung der benötigten Futtermittel – und damit der Phosphorbedarf.

Allein in China wird der Verzehr von Fleisch bis 2020 um geschätzte 35 Prozent zunehmen (Analyse des größten chinesischen Lebensmittelkonzerns, COFCO). Derzeit liegt er auf dem Niveau Deutschlands (ca. 60 kg pro Person und Jahr). Etwa 65 Prozent des weltweitenFleischbedarfs werden durch Schweinefleisch abgedeckt (2015: 466 Millionen Schweine/D, 2012: ca. 58 Millionen).

Phosphor wird knapp

Wie sehr der Bedarf an Phophor steigt, zeigt die Tatsache, dass 2007 das Angebot zum ersten Mal geringer war als die Nachfrage. Die Preise sind deutlich gestiegen.

Damit tut sich ein grundlegendes Problem auf: Phosphor wird knapp, die Versorgung wird schwieriger. Doch ohne eine ausreichende Phosphorversorgung ist das Leben auf der Erde bedroht, ein Arten- bzw. Massensterben könnte die Folge sein.

160 Millionen Tonnen Phosphor werden jedes Jahr weltweit gefördert. Der Begriff „weltweit“ ist indes eher irreführend, denn nur wenige Länder besitzen abbaubare Vorkommen, darunter nur vier Staaten mit 80 Prozent der globalen Reserven: Marokko, China, Südafrika und Jordanien. Die Länder der EU sind zu 90 Prozent von Importen aus den genannten Staaten abhängig, auch Deutschland hat keinerlei eigene Phosphatvorkommen.

Um den künftigen Bedarf an Phosphor, vor allem in Form von Kunstdünger, aber zunehmend auch für die Herstellung von Batterien für Elektrofahrzeuge, decken zu können, müssen neben dem traditionellen Abbau der schwindenden Phospatvorkommen weitere Wege beschritten werden.

Potentiale für eine nachhaltige Versorgung mit dem lebensspendenden Element liegen vor allem in geringerer Düngung, ausgewogener Ernährung mit weniger Tierprodukten und der Wiedergewinnung bzw. dem Recycling von Phosphor aus Klärschlamm und Gülle.

Ein geringeres Maß an Düngung würde nicht nur die Phospatvorkommen schonen und eine längerfristige Versorgung garantieren, es würde auch zu weniger Überdüngung von Fließgewässern und der Ozeane führen. Diese durch die industrielle Landwirtschaft verursachte Überfrachtung mit Nährstoffen wie Phosphor führt zunehmend zu Algenwachstum, Sauerstoffmangel, Pflanzen- und Fischsterben. 90 Prozent des im Futter enthaltenen Phosphors werden in der Mast ausgeschieden und gelangen in Böden und Gewässer. Der hohe Verbrauch an Phosphordünger bedeutet insofern auch einen immensen Verlust durch die Ausscheidungen der Tiere. Die Wiedergewinnung des Phosphors aus Klärschlamm und Gülle ist bereits heute technisch machbar, wird jedoch aus Kostengründen noch nicht intensiv genutzt.

Rettung aus der Gülle?

Obwohl die Prognosen zur Versorgung mit mineralischem Phosphor aus den traditionellen Abbaugebieten von wenigen Jahrzehnten bis zu über 100 Jahren reichen, wird klar, dass Phosphor ein endlicher Rohstoff ist. Ein Versorgungsende hätte in der Tat tödliche Folgen für die Welt, wie wir sie heute kennen. Dabei geht der Phosphor, den wir „verbrauchen“, nicht  – wie Erdöl, Erdgas und Kohle – verloren; er wird nur diffus in die Umwelt abgegeben und ist anschließend nicht mehr nutzbar. Es geht also darum, einen Phosphor-Kreislauf zu schaffen, der vom weiteren Abbau unabhängig macht. Dies gilt vor allem vor dem Hintergrund des stark steigenden Bedarfs aufgrund des geplanten Ausbaus der Elektromobilität.

Die Rückgewinnung lässt sich vor allem in Abwässern (Kläranlagen, Gülle) bewerkstelligen. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) forscht seit 2005 an einem industriell anwendbaren Verfahren zur Ausflockung von Phosphor. Verfahren dieser Art bieten mehrere Vorteile: Sie schonen die natürlichen Phosphatvorkommen, vermeiden kostspielige Importe und sind klimaschonend. Der bei Abbau, Transport und Verarbeitung des Phosphors aus den Förderländern verursachte CO2-Ausstoß wird weitestgehend vermieden. Die Menge von 78.000 Tonnen Phosphor allein in deutschen Kläranlagen verdeutlicht, welches Potenzial die Wiedergewinnung hat. Zudem würde eine solche Kreislaufwirtschaft auch noch den Nährstoffeintrag in die Gewässer reduzieren. Zusätzlich wären die Staaten der EU phosphor-autonom. Das Rückgewinnungsverfahren könnte möglicherweise auch für andere elementare Rohstoffe weiterentwickelt werden, etwa für Kupfer.

Die Aufbereitung von Klärschlamm hätte zudem das Potenzial, ein weiteres Problem zu lösen: Wurde Klärschlamm in früheren Zeiten gerne als Dünger aufgebracht, ist das seit Jahren nicht mehr oder nur stark eingeschränkt möglich. Die Ursache liegt in der „Verunreinigung“ der Fäkalien durch verschiedene Schwermetalle, Medikamentenrückstände und Giftstoffe. Klärschlamm wird deshalb heute getrocknet und verbrannt, die Asche (zehn Prozent Phosphor) wird auf Deponien gelagert – ein kostspieliges und energieintensives Verfahren.

Pflanzenreste sind ebenfalls Phosphordeponien, die es gilt zu nutzen. Auch Schlachtabfälle wie Knochen enthalten Phosphor, das mit künftigen Verfahren extrahiert werden könnte. Dieser Gedanke kam bereits Aldous Huxley 1932 in seinem Roman „Schöne neue Welt“ („Brave New World“): Im Jahre 2540 n. Chr. werden aus den Knochen der Verstorbenen im Krematorium wichtige Rohstoffe zurückgewonnen. Damit den Menschen dieses Schicksal erspart bleibt, braucht es sehr bald eine nachhaltige Bewirtschaftung des Elements Phosphor und den Ausbau eines Phosphorkreislaufs.



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