Casus Görlitz lässt Quantencomputer gegen Hunger und Energiefraß rechnen
Quantenchemiker Werner Dobrautz will sparsame Bio-Alternative zur industriellen Ammoniak-Synthese finden
Görlitz/Dresden, 13. Februar 2025. Quantencomputer sollen helfen, den immensen Energiebedarf in der globalen Düngerproduktion zu dämpfen – und damit letztlich auch den Hunger einer stetig wachsenden Weltbevölkerung zu stillen. Dafür will Dr. Werner Dobrautz vom Görlitzer Helmholz-Forschungszentrum „Casus“ einen sparsamen Produktionspfad mit biologischen Katalysatoren errechnen – und dabei die besonderen Fähigkeiten moderner Quantencomputer mit klassischen Supercomputern kombinieren. Nun baut der Quantenchemiker eine eigene Nachwuchs-Forschergruppe in Görlitz auf und bekommt dafür 1,8 Millionen Euro Zuschuss aus dem Bundesprogramm „Quantum Futur“. Das hat das Casus-Mutterinstitut – das „Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf“ (HZDR) – angekündigt.
Hoher Energieverbrauch bei Dünger-Produktion
„Düngemittel auf Ammoniakbasis haben nach ihrer Einführung vor über 100 Jahren die landwirtschaftliche Produktivität auf ein völlig neues Niveau gehoben“, erklärt Dobrautz. „Doch ihre industrielle Herstellung erfordert einen enormen Energieaufwand. Ein technisches Verfahren, das auf der biologischen Stickstofffixierung durch das Enzym Nitrogenase und seinen Eisen-Molybdän-Cofaktor beruht, ist eine vielversprechende Alternative.“
Um die Reaktionsprozesse mit diesem Bio-Katalysator zu durchschauen, will das Team die speziellen Stärken von Quantencomputern einspannen: Anders als Binär-Rechner können diese nämlich in ihren „Qubits“ genannten Rechenregistern gleich mehrere Lösungen auf einmal ausprobieren – und kommen daher bei bestimmten Rechenaufgaben wie Entschlüsselung, Simulation und Optimierung weit schneller voran. Der Haken: Quantencomputer sind immer noch rar und teuer, verfügen zudem meist nur über eine Handvoll, im besten Falle über 100 Qubits.
Unter 100 Teilchen bleibt’s für den Quantenrechner ein Kinderspiel
Letzteres wäre aber gerade für das Projekt „Quantengestütztes Hochleistungsrechnen für die grüne Energiewende“ (qHPC-Green) gar kein Problem – weil hier „nur“ das Zusammenspiel weniger Teilchen simuliert werden muss: „Wir haben es hier mit einem sogenannten kleinen Quantensystem zu tun, das typischerweise durch einige Atome oder Moleküle repräsentiert wird. Konkret geht es hier um weniger als 100 Elektronen und Atomkerne“, erklärt Dobrautz. „Außerdem ist das Verhalten der Elektronen in diesem System aufgrund ihrer gegenseitigen Abstoßung und quantenmechanischen Wechselwirkungen stark voneinander abhängig. Wir nennen dies ein Quantensystem mit starker elektronischer Korrelation.“
Zugriff auf Systeme in ganz Europa
Für die Prozesse, in denen die Teilchen stark korrelieren, wollen die Görlitzer bevorzugt ihre beschränkten Zugänge zu Quantencomputern einspannen. Dabei können sie unter anderem Systeme von IBM in Zürich sowie Q-Rechner in Finnland, Schweden und Deutschland nutzen. Den Rest der Rechenaufgaben delegieren sie an klassische, binäre Supercomputer, die nur mit Nullen und Einsen rechnen. Dabei handelt es sich unter anderem um Hochleistungsrechner, die derzeit im neuen HZDR-Rechenzentrum installiert werden, sowie den Juwels-Computer im Forschungszentrum Jülich.
Ammoniaksynthese verantwortlich für 3% des weltweiten Energiebedarfs
Das wirtschaftliche Potenzial des Dobrautz-Projektes ist erheblich: „Die weltweite Ammoniakproduktion lag laut Schätzungen des Instituts der deutschen Wirtschaft (IW Köln) im Jahr 2021 bei rund 185 Millionen Tonnen. Über 90 Prozent davon werden zwar mit einer in Deutschland entwickelten Technologie hergestellt – dem Haber-Bosch-Verfahren. Deutschland selbst aber stellt nur einen kleinen Teil der Weltproduktion her, nämlich 2,5 bis drei Millionen Tonnen pro Jahr. Etwa 80 Prozent des Ammoniaks werden letztlich zu Dünger verarbeitet. Allerdings gibt es auch die Idee, Ammoniak als Trägerstoff für Wasserstoff-Transporte per Schiff über große Distanzen zu verwenden. Allerdings ist auch der Energieverbrauch bei der Ammoniak-Herstellung immens: „Mit einem Anteil von einem bis drei Prozent am weltweiten Energiebedarf ist die Ammoniaksynthese einer der größten industriellen Energieverbraucher“, heißt es beispielsweise in einer Analyse des wissenschaftlichen Dienstes des Bundestages. Würde es gelingen, eine biologische und weniger energie-intensive Alternative zum Haber-Bosch-Verfahren zu finden, könnte dies erhebliche Vorteile in puncto Kosten und Ressourcenverbrauch leisten.
Hybrid-Konzepte im Kommen
Zudem birgt auch das hybride Konzept des Görlitzer Forschungsprojektes, das Quanten- und Binärcomputer kombiniert, selbst einiges Potenzial: „Unser Ansatz ermöglicht wie kaum ein anderes System eine effiziente Nutzung der aktuell noch vielfach beschränkten Quantencomputer-Ressourcen“, erklärt Dobrautz,der am Casus eine Arbeitsgruppe „AI 4 Quantum“ aufbaut, die wiederum Quantentech- und KI-Ansäze kombiniert. Und das Vorhaben dürfte auch Sachsens Bemühungen unterstützten, führende Positionen in den Technologiesektoren Quantentechnologie und Künstliche Intelligenz (KI) auf- und auszubauen: Wissenschaftstalente, die in diesen Bereichen den nächsten Karriereschritt planen, bekämen gerade im Freistaat derzeit viele Möglichkeiten, schätzt Casus-Direktor Prof. Thomas D. Kühne ein.
Sachsen profiliert sich als Quantentech-Standort
Hintergrund: Quantentechnologien spielen in Sachsen eine wachsende Rolle: So entwickeln beziehungsweise produzieren Infineon, Globalfoundries, das Fraunhofer-Zentrum Ceasax und andere Dresdner Unternehmen und Institute wichtige Quantenelektronik-Komponenten. Technologiefirmen wie Xeedq und SaxonQ in Leipzig stellen Quantencomputer her. Die TU Dresden plant unter anderem ein quantentechnologisch unterstütztes 6G-Mobilfunk-Testnetz auf ihrem Campus. Das Fraunhofer-Teilinstitut EAS in Dresden baut Quantenkommunikations-Verbindungen auf. Am „Max-Planck-Institut für chemische Physik fester Stoffe“ (MPI-CPfS) forscht eine Arbeitsgruppe um Dr. Uri Vool an Quantensensoren – und die Reihe der Beispiele ließe sich fortsetzen.
Autor: Heiko Weckbrodt
Quellen: HZDR, Casus, Oiger-Archiv, Wikipedia, IW Köln, Umweltbundesamt, Wissenschaftlicher Dienst des Bundestages
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