Kunststoff Erfinder Karl Ziegler (1898 – 1973)

Der Kunststoff aus dem Einmachglas

Bei der wichtigen Rolle, die Kunststoffe in unserer modernen Welt spielen, mag man sich durchaus wundern, dass es für die brillanten Köpfe, die sie entwickelt haben, nicht eben Nobelpreise gehagelt hat. Carothers, Bayer, Stastny: alle leer ausgegangen.

Einer der wenigen Kunststoff-Pioniere, die sich in Stockholm diese Auszeichnung für ihre Arbeit abholen konnten, war dagegen der deutsche Chemiker Karl Ziegler.

Ziegler, geboren 1898 in Helsa bei Kassel, war allerdings auch jemand, den man schon früh geradezu als eine Art Mozart der Chemie bezeichnen konnte: Er war nämlich von Kind auf geradezu vernarrt in die Wissenschaft. Mit zehn Jahren fiel ihm ein Physikbuch in die Hände, das er regelrecht verschlang. Als Schüler „spielte“ er bereits in einem eigenen Labor. Und als er 1916 die Uni betrat, um ein Chemiestudium zu beginnen, staunten seine Professoren nicht schlecht, dass er den Stoff der ersten beiden Semester bereits drauf hatte. Nach nur dreieinhalb Jahren war er dann auch fertig, inklusive Promotion, die er nur wenige Monate vor seinem 22. Geburtstag abschloss. 

Ein Kaffee-Service aus Polyethylen, 1960

Es folgten Jahre als Professor an den Universitäten Heidelberg und Halle, wo er es sogar zum Direktor des chemischen Instituts brachte, bevor man ihn an das Kaiser-Wilhelm-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr berief (heute das gleichnamige Max Planck-Institut). Beziehungsweise berufen wollte, denn Ziegler hatte eigentlich überhaupt keine Lust, irgendetwas mit Kohle anzustellen. Aber er hatte offenbar genug auf dem Kasten, um hart zu verhandeln: 1943 erlaubte man ihm, zu arbeiten, woran er wolle, wenn er denn nur endlich nach Mülheim käme – und so schlug Ziegler fortan als frischgebackener Direktor auf dem dortigen Institutsberg seine Zelte auf. Für einen Traumjob, wie man ihn wohl nur einmal im Leben angeboten bekommt.

Chemische Cyborgs

Auch in diesem Ventilator (1960) steckt bereits Polyethylen! Karl Ziegler bekam seinen Nobelpreis erst 1963.

Und das, worauf Ziegler Lust hatte, waren für die damalige Zeit ausgesprochen eigenartige, geheimnisvolle Substanzen: Verbindungen zwischen organischen Molekülen und Metallen. Gewissermaßen chemische Cyborgs, die den Forschern einiges abverlangten, denn diese Stoffe brannten und explodierten, wenn sie auch nur kurz mit Luft oder Wasser in Berührung kamen. Aber sie waren halt neu und „heiß“ und bis vor kurzem komplett unbekannt – eine ideale Spielwiese also für Geister, die Neues schaffen wollen. 

Um diese eigenartigen Stoffe herzustellen, presste man zum Beispiel Gase wie Ethylen zusammen mit anderen Metallverbindungen in Hochdruckgefäße, die sogenannten Autoklaven, und schaute, was passierte. Manchmal entstand etwas Neues, manchmal gingen auch diese Gefäße aber auch nur in die Luft, weshalb man sie während der Reaktionen besser hinter dicken Stahltüren wegschloss. Und bei einem dieser Experimente passierte etwas Seltsames: Nachdem die Forscher Ethylen auf eine spezielle Aluminiumverbindung gepresst hatten, fanden sie eine ölige Flüssigkeit im Reaktor. Irgendwie hatte das Aluminium die Ethylenmoleküle aus dem Gas um sich herum zu kleinen Ketten aufgereiht.

Eine Spielzeugwaage aus Polyethylen (Herstellungsdatum unbekannt).

Schon mal nicht uninteressant, denn aus diesen Aluminiumverbindungen konnte man, wie sich bald herausstellte, (schon um 1950!) biologisch abbaubare Waschmittel und sogenannte Antiklopfmittel für Benzin herstellen. Andere Chemiker nutzen ähnliche Verfahren später, um Isopren zu gewinnen, einen Rohstoff, den die Gummibranche gut brauchen konnte – schließlich ist Naturkautschuk (im Prinzip) nichts anderes als: Polyisopren.

Bald steht die „Aufbaureaktion“ an der Tafel

Alt und Neu in einem Produkt: Die bunten Figuren dieses Spiels aus den fünfziger Jahren, die man in ein Phenoplast-Spielfeld stecken konnte, bestehen bereits aus PE.

Karl Ziegler reichte das aber nicht. Schließlich suchte er immer noch nach neuen Metall-Kohlenstoff-Cyborgs. Immerhin erkannte er bereits, dass man mit Aluminiumverbindungen ganz spannende Dinge anstellen konnte. Ein Grund, sich noch mehr davon anzusehen! Recht bald fand er tatsächlich einen Kandidaten, der noch besser mit Ethylen jonglieren konnte – mit dessen Hilfe entstanden noch längere Ketten aus diesem Baustein. Ziegler nannte das, was da in seinen Reaktoren passierte, „Aufbaureaktion“. Und beschloss, doch noch einmal genauer hinzusehen. Die neue Frage war: Geht das vielleicht noch mal ein Stück besser? Kann man das irgendwie auf die Spitze treiben?
Zunächst drehten sich die Chemiker dann allerdings eine Weile im Kreis – so recht wollte es nicht voran gehen. Bis irgendwann später wieder etwas Seltsames passierte: In einem seiner Stahl-Druckgefäße fand Zieglers Team nach einem an sich nicht ungewöhnlichem Experiment etwas ganz anderes vor als bisher. Was war passiert? Es dauerte eine Weile, bis die Leute in den weißen Laborkitteln herausfanden, woran es gelegen hatte: Irgendjemand hatte dieses Stahlgefäß vorher mit Salpetersäure gereinigt. Und die hatte winzige (!) Mengen Nickel aus der Wand herausgelöst. 
 

Nickel spielt Aluminium an die Wand

Auch in diesem Blitzgerät (1960) steckt bereits Polyethylen – nur wenige Jahre nach der Erfindung dieses Polymers!

Ein Versehen, das zu einem Nobelpreis führen sollte. Denn dieses bisschen Nickel hatte dem Aluminium irgendwie dazwischen gepfuscht – und zwar offenbar schnell, sehr schnell. Praktisch zugelangt, bevor das Aluminium zugreifen konnte. Sehr eigenartig! Ziegler überlegte nun, was wohl passieren mochte, wenn man seine Aluminiumverbindung zusammen mit anderen Metallen in die Stahlgefäße sperrte und dann Ethylen draufpumpt. Er probierte praktisch alles aus, was die Laborregale hergaben: Eisen, Chrom, Kupfer, Kobalt – und bei Titan und Zirkonium schließlich rappelte es im Karton: Damit konnten Zieglers Doktoranden plötzlich eine weiße, feste Substanz aus den Kolben kratzen. Das erste brauchbare Polyethylen der Welt!

1953 fand Ziegler dann auch noch heraus, dass es nicht einmal mehr die Stahlreaktoren hinter den dicken Schutztüren brauchte: Normale Glasgefäße, ein paar gute Dichtungen und Schläuche reichten. Das neue, praktisch gefahrlose Polyethylen-Produktionsverfahren wurde „Mülheimer Niederdruck-Verfahren“ getauft – und Karl Ziegler durchsuchte sogar die Küche seiner Frau, die gerne Obst einkochte, nach geeigneten Reaktionsbehältern. Tatsächlich entstanden die ersten sogenannten „Niederdruck-Polyethylene“ in gewöhnlichen Einweckgläsern. 

Reines Polyethylen schmeckt nach nichts. Ideal, um es auch für die Lage-rung und Verarbeitung von Lebensmitteln einzusetzen – wie in dieser Kaffeemühle aus dem Jahr 1960.

Die winzigen Mengen seiner Aluminiumverbindung und Titan, die reichten, um aus Ethylen Polyethylen zu machen, nennt man übrigens Katalysatoren. Diese Substanzen besitzen die wunderbare Eigenschaft, Reaktionen zu vermitteln, ohne sich dabei selbst in etwas anderes zu verwandeln. In diesem Fall spielten sie offenbar eine Art Heiratsvermittler zwischen den Ethylenmolekülen.

Mit Propylen geht es auch

Dieser Flaschenwärmer aus dem Jahr 1965 besteht unter anderem aus Polypropylen, der Schwester des Polyethylens.

Extrem leistungsfähige Katalysatoren, billiger Rohstoff, praktisch unverwüstlicher Kunststoff: Ziegler erkannte schnell, dass das weiße Zeug in seinen Reaktoren eine große Zukunft haben würde und reichte sein Verfahren zum Patent ein. 

Ein Fehler unterlief ihm dabei allerdings: Als ihn kurz darauf ein italienischer Forscher fragte, ob seine Reaktion auch mit dem Gas Propylen statt mit Ethylen funktioniere, schüttelte Ziegler den Kopf. Der italienische Professor probierte es trotzdem – und hatte Erfolg: Er konnte mit Zieglers Methode Polypropylen herstellen. Seitdem heißen die Substanzen, die in Zieglers Labor die Gase Ethylen und Propylen in Kunststoffe verwandelten, Ziegler-Natta-Katalysatoren. Beide Wissenschaftler mussten sich 1963 den Nobelpreis dafür teilen. Ziegler war allerdings nicht nachtragend: Die Forscher sollen sich auch danach gut verstanden haben. 

Eine Thermosflasche aus Polypropylen (1970 – 1980).

Wie sich später herausstellte, hatte allerdings ein Doktorand Karl Zieglers noch vor Professor Natta Polypropylen gemacht – das frisch entstandene Polymer hatte sich allerdings in dem Lösemittel aufgelöst, das der Chemiker verwendet hatte. Er erkannte nicht, was er vor sich hatte, sagte Ziegler „geht nicht“ und goss die Lösung weg. Goldene Regel für alle also, die Nobelpreisträger werden wollen: Nie etwas fortwerfen, wenn es auf den ersten Blick nichts geworden ist. Immer nachhaken.

Polyolefine machen schnell Karriere

Polyethylen erobert schnell die Küchen: Hier ein Mehlsieb aus diesem Polymer (1960 – 1970).

Zieglers neue Katalysatoren, die Ethylen – und Propylen – in einem Mordstempo zu Polyethylen und Polypropylen, den sogenannten Polyolefinen, aufreihten, machten schnell Karriere. Nicht nur versuchten nach Giulio Nattas Vorarbeit Chemiker weltweit, diese Katalysatoren auf andere Bausteine anzuwenden – was auch oft gelang. Die Hoechst AG zog in Frankfurt in Rekordzeit eine Anlage für die Großproduktion von Polyethylen hoch. Schon 1958, gerade einmal fünf Jahre nach Zieglers Experimenten mit den Einmachgläsern seiner Frau, fällt dort der Startschuss für die Großproduktion der ersten Marken-Polyolefine: Hostalen (Polyethylen) und Hostalen PP (Polypropylen).

Ein Papierkorb aus Polypropylen (1990).

Und diese Kunststoffe erobern die Welt: Hausfrauen freuen sich über leichte Eimer, Schüsseln und Wannen aus den neuen Polyolefinen. Aber auch Ingenieure schlagen zu: Sie produzierten daraus zum Beispiel Wasserrohre und Gehäuse von Elektrogeräten. Und natürlich entstehen bald auch die ersten Verpackungen für Markenartikel und Chemieprodukte aus Polyethylen und -propylen. Einer der ersten Großaufträge für Hoechst: 1.000 Tonnen Hostalen für die Isolierung des Unterwasser-Fernsprechkabels von Europa nach Amerika. Unter Privatleuten waren es dagegen eher leichte Hula Hoop-Reifen, die den neuartigen Kunststoffen zu einem ersten Umsatzboom verhalfen.

Heute ein Hightech-Werkstoff

Design macht Alltagsgegenstände zum Hingucker: Zum Beispiel wenn Luigi Colani sich eine eine Polyethylen-Duschgelflasche ausdenkt. Das war allerdings eine markante Ausnahme – die meisten Produkte aus diesem Kunststoff wurden schnell als „Plastik“ abgetan.

Allerdings verhalf ihr riesiger Erfolg den Polyolefinen bald zu einem markanten Imageproblem: Irgendwann waren sie so erfolgreich, dass sich die Menschen daran sattgesehen hatten. Polyethylen und seine Schwester Polypropylen mutierten vom ersehnten, praktischen und superleichten Werkstoff zum „Plastik“, von Problemlösern zu billigen „Plastiktüten- und Shampooflaschen-Kunststoffen“. Bald wurden sie, trotz einer im Vergleich zu Papier und Glas eigentlich nicht unansehnlichen Ökobilanz, eher als Umweltproblem gesehen.

Hightech aus Kunststoff: Ein Faltenschlauch für ein Lüftungssystem von Mercedes Benz aus dem Jahr 1970 – aus Polyethylen.

Erst in den vergangenen Jahren kann Polypropylen, zumindest in der Fachwelt, in der Gunst der Ingenieure mit großen Schritten wieder Boden gut machen: Bestimmte Varianten dieses Polyolefins gelten heute als regelrechte Hightech-Kunststoffe, die sogar teuren Hightech-Rivalen Konkurrenz machen und obendrein sehr gut zu recyceln sind.

Karl Ziegler hat die ersten Jahre dieses Siegeszugs noch miterlebt: Sie haben ihn zu einem vermögenden Mann gemacht. 1968 steckte er vierzig Millionen Mark aus seinem Privatvermögen in eine Stiftung zur Förderung der Forschung. Und das Max-Planck-Institut für Kohlenforschung konnte seinen Wissenschaftlern über die Jahre alles Erdenkliche für ihre Arbeit zur Verfügung stellen – es wurde zu einem wahren Paradies für Chemiker. Karl Ziegler starb 1973 in Mülheim. In einem Jahrzehnt, das von Kunststoffen so geprägt wurde wie keines davor