Seit einiger Zeit arbeitet die chemische Industrie weltweit mit einem gewissen Interesse, aber unter allerlei Schwierigkeiten an einer Technologie mit enormem Potenzial: Den so genannten MOFs (metallorganischen Gerüsten, englisch: metal-organic frameworks), der "vielleicht am schnellsten wachsende Materialklasse in der Chemie". Eine der Anwendungen der Materialien steckt dabei in Modellfahrzeugen mit Methanantrieb. Ihre Tanks aus kristallinen MOFs sollen das Antriebsgas dicht konzentriert speichern, was schon klappt, aber nicht wirklich effizient gelingt. Das soll sich mit einem neuen technischen Fortschritt ändern – ein per Zufall entdeckter, nur dezent veränderter Herstellungsprozess kann den Techno-Schwamm offenbar deutlich optimieren, berichten Forscher in "Nature Materials".

Methan eignet sich wegen seiner vergleichsweise enormen Energiedichte gut als Treibstoff, ist aber ohne aufwändige Hochdrucktanks nur schwer in großem Mengen auf kleinem Volumen zu speichern – wie es etwa für den Tank eines methangetriebenen Fahrzeugs nötig wäre. In MOF-Tanks bindet Methan aber passgenau in maßgeschneiderte Poren im Kristall, der aus metallhaltige Knotenpunkte besteht, die mit organische Verbindungselementen verknüpft sind. Die Bindung der Gasmoleküle am MOF darf dabei weder zu fest sein – weil sonst der Methantreibstoff zu langsam abgegeben wird, noch zu locker, weil die Treibstoffdichte dann sinkt. Zudem darf die Herstellung der in ihren Gerüsteigenschaften als Methanspeicher geeigneten MOF-Kristalle nicht allzu teuer werden. Am Ende lohnt sich alles nur, wenn das Material das Gas dicht genug speichern kann – und dafür setzt zum Beispiel das US Department of Energy ein ambitioniertes Ziel: Am Ende sollte die Menge an gasförmigen Methan, die bei Normaldruck und 25 Grad Celsius 263 Kubikzentimeter Volumen ausfüllt, am MOF-Gitter in einen Kubikzentimeter passen.

Dieses hat eine Forschergruppe um David Fairen-Jimenez von der University of Cambridge nun um ein Haar erreicht: Ihre verbesserte Variante des von HKUST-1 – einem besonders stabilen MOF-Urgestein, das schon 1999 hergestellt wurde - kommt nun fast an die Vorgabe heran. Damit übersteigt es die Fähigkeiten früherer Materialien um nahezu 50 Prozent und wird es zum derzeitigen Rekordhalter in Sachen Methanverdichtung, so die Wissenschaftler stolz. Den Fortschritt verdankt das Team dabei auch ein wenig der zufälligen Entdeckung eines verbesserten Syntheseprotokolls im Labor, bei dem das als Kristallpulver vorliegende HKUST-1-Ausgangsmaterial mit Lösungsmittel in eine gelsolartige Konsistenz überführt und dann wieder getrocknet wird. Wie dicht das Endprodukt wird, hängt dabei auch von den Umständen und der Geschwindigkeit des Trocknungsprozesses ab.

Erstmals erfüllt damit eine MOF-Variante die für eine Praxistauglichkeit gesetzte Norm. Zudem, so die Forscher, könnte man damit von den derzeit notwendigerweise zylindrischen Treibstofftanks wegkommen, weil der MOF-Methanspeicher in alle Formen gepresst werden könnte, die einem leichteren Fahrzeugdesign entgegenkommen würden. Allerdings dürfte der neue Superspeicher selbst dann noch nicht bald in Serie gehen, wenn das Methanauto zum Gefährt der Zukunft erklärt werden würde. Das liegt vor allem an enormen Kapazitätsproblemen: Im Labor entsteht das Material derzeit nur grammweise. Ohne ins Detail zu gehen, halten die Forscher es aber für durchaus denkbar, ihre Prozesse deutlich nach oben zu skalieren.

Methanbetriebene Autos lohnen sich wahrscheinlich nur, wenn mit Öl oder Strom laufende Konkurrenzsysteme nicht billiger zu haben sind. Insgesamt beflügeln die Kristallspeicher die Fantasie der MOF-Forscher aber in allerlei weitere Richtungen: Die auf verschiedene Zielmoleküle zuschneidbaren Materialien könnten etwa als Katalysatoren dienen, die komplizierte chemische Prozesse beschleunigen, CO2 aus Abgasen von Industrieanlagen filtern. Wegen des Kapazititätsproblems und den Kosten sind derzeit aber noch eher der Einsatz als Filter bei Spezialanwendungen – etwa in Gasmasken gegen Chemiewaffen – realistisch.