Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) sind sehr dauerhaft in ihrer Struktur, nicht brennbar, ohne Geruch, transparent, farblos und in den meisten Verbindungen ungiftig oder nur wenig toxisch. Die Fluorchlorkohlenwasserstoffe, die Methan- und Ethanverbindungen verfügen über einen niedrigen Siedepunkt und können unter Druck einfach verflüssigt werden, was sie für industrielle Anwendung interessant macht. FCKW reagieren mit anderen chemischen Elementen sehr träge, deshalb verweilen sie sehr lange in der Atmosphäre. Sie haben deshalb ausreichend Zeit, um bis in die Stratosphäre aufzusteigen. Dort arbeiten dann die energiereichen UV-Strahlen an deren Zerlegung, dabei werden auch Flour- und Chlor-Radikale freigesetzt, deren schädliche Eigenschaft die Reaktionsfähigkeit mit Ozon ist und sie damit die Ozonschicht beschädigen.

Geschichte und industrielle Verwendung von FCKW

Zum ersten Mal wurden 1929 die FCKW bei General Motors und seit 1930 im industriellen Umfang hergestellt. Der niedrige Siedepunkt und die leichte Verflüssigbarkeit waren vorteilhaft für dessen Verwendung als Kältemittel in Kältemaschinen. Aber auch in Sprühdosen als Treibgas, als Treibmittel zu Aufschäumen von Schaumstoffen und sogar als Reinigungs- oder Lösungsmittel ließen sich die FCKW verwenden. Es wurden auch brombasierte FCKW, die sogenannten Halone, als Löschmittel für Feuer verwendet. Vor den schädlichen Wirkungen von FCKW wurde erstmals 1974 gewarnt, aber erst die Beobachtung des Ozonlochs im Jahre 1985 rüttelte die Nationen auf. Das gipfelte im Protokoll von Montreal von 1987, dort verpflichteten sich viele Nationen zu drakonischer Verminderung der FCKW-Produktion. Weitere Restriktionen bis zum weitgehenden Verbot der Herstellung von FCKW zum Schutz der Ozonschicht wurden danach in London und Kopenhagen beschlossen. Aber selbst bei einer kompletten Einstellung aller FCKW-Emissionen verbleibt der Stoff zwischen 44 bis 180 Jahren in unserer Atmosphäre.

Alternativen zum FCKW

Es gibt Alternativen zu Treibgasen, die auf FCKW basierten und die Ozonschicht nicht beschädigen. Deren Nachteil ist es aber, dass diese den Treibhauseffekt verstärken. Meistens werden Gemische aus Alkanen wie Propan oder Butan eingesetzt. Als Ersatz bei den Kältemitteln gibt es chlorfreie Mittel wie zum Beispiel R134a oder R404a. Durch nicht fachgerechtes Recycling von ausrangierten Kühlschränken emittieren immer noch substanzielle Mengen an FCKW in die Atmosphäre.

Welche Eigenschaften hat FCKW und wie wird es verwendet?

Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) sind im chemischen Sinne vollständig halogenierte Verbindungen von Kohlenstoff. Im kommerziellen Bereich hat sich die Bezeichnung FREON durchgesetzt, obwohl es eigentlich ein Markenname ist. FCKW wurden in einem weiten Spektrum eingesetzt. Als Kältemittel, als Lösungsmittel in der Elektronindustrie, als Treibmittel für Schaumstoffe, als Treibgas in Sprühdosen, als Löschmittel sowie bei der Produktion und Verwendung von Isolierschäumen und von Schaumstoffen für Verpackungen. Der Hauptgrund für die breite Anwendung war, dass FCKW als Gas mit anderen Gasen chemisch nicht reagieren und auch für den Menschen komplett unschädlich sind. Dieser Nicht-Reaktivität ist auch der langen Lebenszeit in der Atmosphäre geschuldet, die zu einer Konzentration in der Stratosphäre führte. Hier kann dann die energiereiche UV-Strahlung ihr Werk tun und das FCKW spalten.

Die aktuelle Situation

Basierend auf den Vereinbarungen der internationalen Gemeinschaft ist die Herstellung von FCKW größtenteils verboten. Ersetzt wurden FCKW durch teilhalogenierte Kohlenwasserstoffe oder, je nach Einsatzgebiet, durch andere Substanzen. Aber auch teilhalogenierte Kohlenwasserstoffe leisten einen Beitrag zur Zerstörung der Ozonschicht und tragen als Treibhausgas zur globalen Erwärmung bei. Zusätzlich sind in Altgeräten viele FCKW gespeichert. Aus diesem Grund ist es schwierig vorherzusagen, wie viel von diesem Stoff immer noch in die Atmosphäre gelangt. Trotzdem wird die Gefahr für die Ozonschicht sinken, da, wenn auch langsam, immer mehr FCKW in den oberen Luftschichten abgebaut wird. Aber das Problem der Treibhauswirkung bleibt.

Was passiert mit dem FCKW in der Stratosphäre

Das reaktionsarmen FCKW werden hauptsächlich durch energiereiche UV-B-Strahlung abgebaut. Das kann aber nur in den höchsten Luftschichten stattfinden, da durch die Filterwirkung des Ozons, kaum Strahlung in die unteren Luftschichten gelangt. Dieser Abbauprozess resultiert in einer Emission von Chlor- und Fluorradikalen. Diese sind die hauptsächlich Verantwortlichen für die Verdünnung der Ozonschicht, können aber auch andere Verbindungen eingehen, womit dann ein Teil der FCKW abgebaut wird. Ozon wird überall auf dem Globus in der Stratosphäre abgebaut, ein richtiges Loch im Ozon kann sich aber nur in den Gebieten über den Polen bilden. Ganz besonders ist dabei die Antarktis, also der Südpol, im Frühjahr betroffen.

Welche chemischen Reaktionen sind dafür verantwortlich?

Das Ozon ohne den Einfluss von Chlorradikalen befindet sich immer in einem Gleichgewicht. UV-Strahlen bauen Ozon ab, bauen aber gleichzeitig neues Ozon auf. Die Radikale wirken jetzt wie ein Katalysator für eine beschleunigte Kettenreaktion, die zur Reduktion des Ozons führt, aber es wird kein Ozon im gleichen Maße wieder aufgebaut. Fatal ist auch, dass sich die Radikale nicht verbrauchen, sondern am Ende der Prozesskette wieder frei werden.

Die Bedingungen für die fatale Kettenreaktion

Der Abbauprozess von FCKW führt am Ende zu einer Bildung von Chlorradikalen. Diese Radikale können dann entweder mit Stickstoffdioxid (NO2) zu ClONO2 reagieren oder auch mit Stickstoffmonoxid (NO) und Methan zu Salzsäure (HCl) und Salpetersäure (HNO3) reagieren. HCl und ClONO2 sind sehr stabil und sind gegenüber Ozon nicht besonders reaktiv. Es passiert nur unter speziellen Randbedingungen, dass die Chlorradikale gebildet werden. Nur bei sehr geringen Temperaturen von etwa -78°C oder weniger, bilden Wasser und Salpetersäure Eiswolken in der Stratosphäre, diese würden bei steigenden Temperaturen nicht stabil bleiben. Auf den Eiskristallen der Wolken verbinden sich HCl und ClONO2 zu Salpetersäure und reinem Chlor (Cl2). Diese niedrigen Temperaturen werden nur an den Polen erreicht. Eigentlich ist Chlorgas Cl2 ein stabiles Molekül, wird aber durch UV-B-Strahlung in zwei Radikale Cl aufgespalten. Dieses ist jetzt reaktiv mit Ozon. Die notwendigen niedrigen Temperaturen und ausreichend Sonnenlicht für die Spaltung des Chlorgases sind im arktischen Frühling vorhanden. Jedes Jahr wiederkehrend im September und Oktober ist dieses Phänomen zu beobachten. Es bedarf aber noch eines stabilen Windes um die freien Chlorradikale in niedrigere Luftschichten zu transportieren, wo das meiste Ozon gebildet wird. Diese Aufgabe wird vom polaren Vortex erledigt, der sich hauptsächlich am Südpol aufbaut. Das ist auch der Grund, warum das Ozonloch hauptsächlich in der Antarktis auftritt. Um das Ozonloch aufzureißen, müssen also die Randbedingungen der tiefen Temperatur, ausreichende Sonnenstrahlung und polare Windwirbel zusammenkommen.

Wie beeinflusst FCKW das Ozonloch in der Zukunft

Trotz des globalen Verbots von FCKW und anderer Substanzen, die zum Abbau der Ozonschicht beitragen, wird es noch mindestens 50 Jahre dauern, bis das bisher emittierte FCKW aus der Stratosphäre verschwunden ist und sich wieder eine stabile Ozonschicht bilden kann. In der Wissenschaft wird angenommen, dass die maximale Ausdehnung des Ozonlochs um das Jahr 2000 erreicht wurde. In den vergangenen Jahren zeigten sich wenige Schwankungen in der Größe des Ozonlochs. Es gibt aber immer wieder große Schwankungen durch besondere meteorologische Effekte, wie im Jahre 2002, in dem das Ozonloch fast verschwunden war.