Warum ist schweres Wasser so teuer?

Der hohe Preis des schweren Wassers: Warum ein paar Deuteriumatome so teuer sind

Schweres Wasser, chemisch Deuteriumoxid (D₂O), ist kein exotisches Raumfahrt-Treibmittel, sondern ein faszinierender Stoff, der im Alltag eher unauffällig bleibt. Doch sein Preis – deutlich höher als der von Gold – wirft die Frage auf: Warum ist die Herstellung dieses scheinbar einfachen Moleküls so kostspielig? Die Antwort liegt in der aufwendigen und energieintensiven Gewinnung seines entscheidenden Bestandteils: des Deuteriums.

Im Gegensatz zu gewöhnlichem Wasser (H₂O), das zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom enthält, ersetzt in schwerem Wasser das Wasserstoffisotop Deuterium (²H oder D) einen oder beide Wasserstoffatome. Deuterium, auch als schwerer Wasserstoff bekannt, besitzt neben einem Proton im Kern auch ein Neutron, was ihm die doppelte Masse des gewöhnlichen Wasserstoffs verleiht. Dieser scheinbar minimale Unterschied hat weitreichende Konsequenzen für die Gewinnung des Stoffes.

Das Problem ist nicht die Seltenheit von Deuterium. Es ist zwar nur in geringer Konzentration (etwa 150 ppm) im natürlichen Wasser vorhanden, aber die absolute Menge ist immens. Die Herausforderung liegt in seiner Isolierung aus diesem gigantischen, verdünnten “Meer” von gewöhnlichem Wasser. Hier scheiden sich die Wege von kostengünstigen und unwirtschaftlichen Verfahren.

Die gängigsten Verfahren zur Deuteriumgewinnung beruhen auf der Isotopentrennung. Dabei nutzt man die minimalen physikalischen und chemischen Unterschiede zwischen Wasser und schwerem Wasser aus. Häufig eingesetzte Methoden sind:

• Gleichgewichtsverfahren: Diese basieren auf dem Prinzip, dass sich das Deuterium in unterschiedlichen chemischen Verbindungen leicht unterschiedlich verteilt. So wird beispielsweise der unterschiedliche Dampfdruck von Wasser und schwerem Wasser bei der fraktionierten Destillation ausgenutzt. Dieser Prozess ist jedoch sehr energieintensiv und erfordert zahllose Destillationszyklen, um eine messbare Anreicherung an schwerem Wasser zu erreichen.

• Elektrolyse: Bei der Elektrolyse wird Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Dabei wird das leichter ionisierbare gewöhnliche Wasser schneller elektrolysiert, wodurch die verbleibende Lösung einen höheren Deuteriumanteil aufweist. Auch dieses Verfahren ist hochgradig energieintensiv und benötigt unzählige Durchläufe.

• Chemische Austauschverfahren: Hier werden chemische Reaktionen genutzt, die die bevorzugte Bindung von Deuterium an bestimmte Moleküle ausnutzen. Diese Verfahren sind oft komplex und erfordern spezialisierte Chemikalien und aufwendige Prozessführung.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Der hohe Preis von schwerem Wasser ist kein Resultat von Rohstoffknappheit, sondern ein direktes Ergebnis der enormen Energiemenge und der aufwendigen, mehrstufigen Verfahren, die zur Trennung von Deuterium aus dem natürlichen Wasser notwendig sind. Die geringe natürliche Konzentration des Deuteriums und die extrem geringe Effizienz der Trennverfahren führen zu hohen Produktionskosten, die den Preis von schwerem Wasser weit über den von Edelmetallen wie Gold treiben. Es ist die meisterhafte Demonstration, wie ein minimaler Unterschied im atomaren Aufbau zu einer gewaltigen Herausforderung in der industriellen Produktion führen kann.