Grün, grüner, nano? 3

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Wenn Nanotechnologien derzeit Schlagzeilen machen, dann meist wegen möglicher Risiken für Gesundheit und Umwelt. Doch jenseits der Risikodebatte sorgt ein neues Schlagwort für Bewegung in der Nano-Szene: "green nanotechnology". In Teil 1 der TR-Serie ging es um Effizienzgewinne beim Verbrauch von Energie und Ressourcen, die durch Nanomaterialien und -beschichtungen möglich werden. Teil 2 beleuchtete das Potenzial von Nanomaterialien für die Photovoltaik sowie die Erzeugung und Speicherung von Wasserstoff.

Eine nicht-fossile Energieversorgung ist nicht die einzige gewaltige Herausforderung der kommenden Jahrzehnte. Eine Weitere ist zwar seit Jahren bekannt, schafft es aber eher selten in die Schlagzeilen: die künftige Versorgung mit sauberem Trinkwasser. In den meisten Industrieländern machen nicht dessen Mangel, sondern Verunreinigungen wie Arzneimittelrückstände zu schaffen. Die können in den biologischen Reinigungsstufen von Kläranlagen nicht abgebaut werden. Die gängigen technischen Verfahren sind ebenfalls nicht optimal: Die so genannte Ozonolyse, die organische Substanzen in kleinere Moleküle zerlegt, verbraucht viel Energie, kann aber nicht alle Rückstände abbauen. Die Adsorption an Aktivkohle filtert hingegen zu viel heraus und entfernt auch Mineralien, die im Wasser bleiben sollten.

Die Arbeitsgruppe um Günter Tovar am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik entwickelt deshalb ein neues Verfahren, das mit Polymernanopartikeln, „NanoMIPs“ genannt, arbeitet. Ihnen werden bei der Synthese verschiedene winzige Einbuchtungen aufgeprägt, in denen sich später jeweils nur ganz spezielle Moleküle anlagern können. „Dieser Mechanismus wird molekulare Erkennung genannt und unter anderem auch für die Nanomedizin verfolgt“, sagt Tovar. Erfolg versprechende Tests gab es bereits mit dem Wirkstoff Diclofenac, der unter anderem gegen Prellungen und Zerrungen eingesetzt wird. Rund 75 Tonnen Diclofenac gelangen hierzulande pro Jahr ins Abwasser. Um die NanoMIPs nach der Anwendung leichter aus dem Wasser entfernen zu können, sollen sie mit einem magnetisierbaren Kern hergestellt werden. Mit Hilfe eines Magnetfeldes ließen sich die Partikel dann konzentrieren und aus dem Wasser herausfischen.

In trockenen und heißen Weltregionen ist das Problem aber, überhaupt trinkbares Wasser in ausreichenden Mengen zu bekommen. In Küstengebieten kann man sich mit der energetisch aufwändigen Meerwasserentsalzung helfen. Im Inland hingegen müssen andere Reservoire genutzt werden, die häufig verschmutzt, mit Viren und Bakterien infiziert oder gar mit Arsen vergiftet sind. Hier wären Filter sinnvoll, die ohne Zugabe von – ohnehin teuren – Chemikalien sauberes Wasser produzieren.

Wie man aus Kohlenstoffnanoröhren ein hocheffizientes Filtermaterial herstellen könnte, hat die Gruppe des US-Werkstoffkundlers Pulickel Ajayan an der Rice University demonstriert. Sie spritzten eine Lösung aus mehrwandigen Nanotubes in eine wenige Millimeter dicke Quarzröhre. An deren Innenwand lagerten sich die Nanotubes dann in einer 300 bis 500 Mikrometer dicken Schicht an, in der sie alle radial ins Innere der Röhre ausgerichtet waren. Durch Erhitzen entstand eine feste Hohlfaser, die sich aus der Quarzröhre herauslösen ließ und deren Wand unzählige Nanoporen aufweist – nämlich die wenige Nanometer messenden Querschnitte der Kohlenstoffröhrchen. Erstaunlicherweise nimmt in denen die Fließgeschwindigkeit trotz der Enge nicht ab, sondern zu. Tatsächlich ist sie 10.000 Mal höher, als theoretische Berechnungen erwarten ließen. Warum das so ist, hat man bislang noch nicht genau verstanden. Damit wären hochfeine Filterfasern mit hohem Durchsatz möglich, die nicht nur zuverlässig Viren, sondern auch kleinste Verunreinigungen herausfiltern.

Die US-Firma Seldon Technologies hat einen etwas einfacheren Nanotube-Filter inzwischen zur Marktreife gebracht. In ihm sind die Röhrenmoleküle nicht so gleichmäßig wie in Ajayans Arbeit ausgerichtet, sondern bilden ein dichtes Siebgewebe. Das wird unter anderem in dem tragbaren Filterstab „WaterStick“ eingesetzt. In einer Minute kann er 200 Milliliter Wasser reinigen. Die Nanotube-Membran hält für 265 Liter, danach muss sie ausgetauscht werden. Auch wenn Nanoröhren bislang noch ein teurer Werkstoff sind, ist der WaterStick auch für tropische Länder gedacht, in denen viele Gewässer mit Krankheitserregern verseucht sind. Ein vergleichbares Produkt, den „LifeStraw“, hat die Schweizer Firma Vestergaard-Frandsen entwickelt. Ein LifeStraw soll für die Jahresration Trinkwasser eines Menschen, etwa 700 Liter, genügen.