Die neue Welt der Nanotechnologie, grenzenlose Möglichkeiten

Thema: Bildung, Wissenschaft | Datum: 24.01.2011

Autor: Toby Shelley

 

Das Spektrum potenzieller Anwendungen von Nanomaterialien und nanospezifischen Eigenschaften ist in der Tat grenzenlos und dies ist einer der Gründe für die Behauptung, wenn Wissenschaft, Staat und Wirtschaft erst richtig in die Nanowelt einstiegen, werde damit eine Transformation unseres gesamten Lebens eingeleitet. Im Folgenden werden einige der kurz-, mittel- und langfristigen Anwendungsmöglichkeiten und Forschungsziele in drei zentralen Bereichen beschrieben: Energie, Medizin und Informationstechnik. Die Breite dieser Sektoren, die Vielzahl der Forschungsrichtungen und das Tempo, mit dem über neue Entwicklungen berichtet wird, führen dazu, dass hier jeweils nur einige der potenziellen Forschungsrichtungen in den genannten Bereichen umrissen werden. Die Entwicklung und Nutzung von Nanomaterialien, -eigenschaften und -technologien durch Militär- und Sicherheitsapparate werden getrennt behandelt. Energie Die Effizienz von Zeolithen in der Ölraffination und petrochemischen Produktion wurde bereits erwähnt. Mit Nanotechnologie lassen sich jedoch grundlegend verschiedene Herangehensweisen an Energieerzeugung und -verbrauch fördern. Welche Wege eingeschlagen und - falls gangbar - weiterverfolgt werden, hängt von politischen Entscheidungen und vom jeweiligen Preis ab, nicht nur vom wissenschaftlichen Erfolg. Wie im RAND-Bericht vermerkt wird:

  • Wenn Öl weiterhin so leicht zu bekomen ist, werden technologische Trends kaum bereits zum 2015 zu einer treibenden Kraft der globalen Energiewirtschaft werden. Die Schlüsselfragen ranken sich um fortgesetzte Ölimporte, den fortgesetzten Einsatz von Kohle und Erdgas und die Zukunft der Atomkraft.

  • Signifikante Veränderungen in Industrienationen könnten eher von den bestehenden gesellschaftlichen, politischen und wirtschaftlichen Kräften bestimmt werden, da der Energiemix des Jahres 2015 immer noch stark von fossilen Brennstoffen bestimmt sein wird. Umweltbelange wie die globale Erwärmung und die Schadstoffbelastung könnten diese Entwicklung beeinflussen, aber warscheinlich könnten nur langfristige wirtschaftliche Probleme (z. B. ein anhaltender Anstieg des Ölpreises) oder Transportprobleme (z. B. eine durch einen militärischen Konflikt unterbrochene Versorgung) Fortschritte bei der Entwicklung erneubarer Energien bewirken.

Diese Analyse entspricht der des Hüters der Energiesicherheit der reichen OECD-Länder, der Internationalen Energie-Agentur. Sie hat ebenso darauf hingewisen, dass es in der Regel eher steile Ölpreisanstiege als Als Abkommen und Absichterklärungen sind, die einen Schub im Bereich der Energieeffizenz auslösen. Stephen Gillett (Nanotechnology: Clean Energy and Resources for the Future, Foresight Institute, Paolo Alto CA 2002) sieht die technologische Entwicklung ebenfalls in einem politisch-ökonomischen Rahmen und geht ausführlich auf die Gefahren durch die Abhängigkeit der Vereinigten Staaten von ausländischen Öl und ausländischen Erzen ein. Mit nanotechnologischen Mitteln wäre eine effizientere Förderung und Nutzung fossiler Brennstoffe möglich, aber damit allein würde sich natürlich die Abhängigkeit von diesen Brennstoffen trotz ihres großen Beitrags zur globalen Erwärmung fortsetzen. Gillett geht davon aus, dass Nanotechnologie durch neuartige Sensoren zu einem höheren Ausbeutungsgrad der Lagerstätten beitragen wird, und die enorme Festigkeit einiger Materialien im Nanobereich könnte bedeuten, dass Bohrer in tiefere Lagerstätten vordringen könnten. Die meistverwendeten Kohlenwasserstoffe sind zwar Öl und Erdgas, aber es gibt auch riesige Ölsand- und bituminöse Erdölvorkommen (beispielweise in Kanada und Venezuela), deren Verarbeitung zu brauchbaren Brennstoffen möglich, aber im Verhältnis zur Förderung herkömmlichen Rohöls mit erhöhten Kosten verbunden ist. [...] Auch Gashydrate erfreuen sich eines Zunehmenden Interesse. Hinter diesem Begriff verbirgt sich eine gefrorene Mischung aus Wasser, Erdgas, Schlamm und Sand, die dort zu finden ist, wo es keine herkömmlichen Öl- und Gasvorkomen gibt, beispielweise in Japan - einem Land, das völlig von Importen abhängig ist. Das Erdgas kann auf unterschiedliche Weise aus dem eisähnlichen Gashydrat befreit werden und Japan plant den Förderbeginn für 2012 bis 2016. Auch hier ist die Anwendung von Bioverfahren eine Option. Die weltweiten Erdgasvorkommen in Hydraten sind eventuell höher als alle Vorkommen aller anderen fossilen Brennstoffe, auch wenn diese Tatsache bedeutungslos bleibt, solange sich nicht zum richtigen Preis ausgebeutet werden können. Weiter in Richtung Endverbraucher bietet die Nanotechnologie Möglichkeiten zur Verringerung des Energieverbrauchs (oder zumindest seines Wachstums). Wie Kraftstoff sparend ein Fahrzeug ist, hängt unter anderem davon ab, wie schwer er ist. Wenn der Einsatz von Nanoverbundstoffen steigt und sich die Gewichtsersparnis von den sieben Prozent, die General Motors bei den Seitenteilen erzielte, in Richtung der Ambitionen einiger Enthusiasten steigern lässt, die ein Auto heraufbeschwören, das weniger wiegt als sein Fahrer, dann sinkt der Kraftstoffverbrauch. Weitere Kraftstoffersparnisse ließen sich vermutlich durch Nano-Kraftstoffzusätze und -Motorschmiermittel erzielen. Eine großflächig zum Einsatz kommende Licht- und Temperaturregelung ist mit Sicherheit machbar. "Intelligente Fenster" regulieren dann den Einsatz anderer Heiz- und Köhlsysteme je nach Stärke der einfallenden Sonnenstrahlung. Wie viel Wärme und Licht sich durchlassen, lässt sich ebenfalls über die Reaktivität des Glases regulieren, ähnlich wie sich moderne fotochrome Sonnenbrillen an die Lichtverhältnisse anpassen. In ähnlicher Weise wird auch bei der Weiterentwicklung von LCD-Displays und bei Leuchtdioden (LEDs), die halb so viel Energie benötigen wie herkömmliche Glühbirnen, Nanotechnologie zum Einsatz kommen. Glühbirnen sind bekanntermaßen ineffizient, weil sie einen Großteil der verbrauchten Energie durch die Wärmeabstrahlung verschwenden. Die Entwicklung von energiesparenden Leuchttafeln, die dann warscheinlich auf die jeweilige Helligkeit des Tageslichts reagieren, steht in Kürze bevor. Aber bietet die Nanotechnologie auch Möglichkeiten, die Abhängigkeit von Kohlenwasserstoffen (oder allgemeiner gesagt: fossilen Brennstoffen) abzuschütteln? Brennstoffzellen werden als ein Mittel gepriesen, um von Öl, Gas und Kohle wegzukommen, wobei Wasserstoff als favorisirter Inhaltsstoff gilt. Mit Brennstoffzellen wird vermieden, was Gillett als prometheisches Paradigma der Verbrennung bezeichnet. Brennstoffzellen funktionieren gemäß einem anderen Paradigma, das eher dem in der Natur anzutreffenden entspricht, wo Energieträger ohne die enorme Ineffizienz des bei der Verbrennung auftretenden Wärmeverluste chemisch in Energie verwandelt werden. Ein großes Fragezeichen bei der Wasserstoffzelle ist die Beschaffung von Wasserstoff. Meist wird Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen gewonnen, weil die alternative Weg - Elektrolyse - derzeit unwirtschaftlich ist. Wenn die Wirtschaftlichkeit der Elektrolyse mit Nanotechnologie verbessert werden könnte, wäre dies ein Schritt in Richtung einer Wasserstoffwirtschaft, die nicht indirekt von fossilen Brennstoffen abhängig ist. Die wahrscheinlichste Szenario hierfür wäre, dass die Wirtschaflichkeit und Verfügbarkeit der Solarstromerzeugung für die Elektrolyse verbessert wird. Gillett nennt einige andere Möglichkeiten, wie Nanotechnologie für die Weiterentwicklung von Brennstoffzellen und damit für ein Abrücken von der in großem Maßstab betriebenen thermischen Energieerzeugung von Nutzen sein könnte, für eine Entwicklung hin zu einer chemischen Energieerzeugung auf Verbraucherebene - oder auf Geräteebene, wenn Batterien und Stromleitungen gleichermaßen durch Brenstoffzellen ersetzt werden. Zwei Bereiche nennt er, in denen man sich von der Nanotechnologie Hilfe erhofft: verbesserte Katalysatoren, das heißt Materialien, die die Brennstoffmoleküle in einer Brennstoffzelle "zur Arbeit antreiben", und bessere Elektrolyte (die Materialien, die Ionen enthalten und transportieren und so eine Elektrolyse ermöglichen). Im Idealfall wären Katalysatoren unempfindlich gegen übliche Verunreinigungen wie beispielweise Kohlendioxid, bei Raumtemperatur einsetzbar, sie funktionierten mit kohlenstoffhaltigen Energieträgern (nicht ausschließlich öl, Gas und Kohle) und wären deutlich billiger, als sie es zurzeit sind. Elektrolyte sind besser, wenn sie Feststoffe sind und keine heißen, korrodierenden Flüssigkeiten. Derzeit kommen in den meisten Brennstoffzellen Metalle der Platingruppe als Katalysatoren zum Einsatz. Die sind teuer und können leicht zerstört werden, es sei denn, sie werden bei hohen Temperaturen eingesetzt. Außerdem war die Katalysatorproduktion bis jetzt eher eine Kunst als eine Wissenschaft. Mit Nanotechnologie könnten bestehende Katalysatoren verbessert und somit effektiver werden. In fernerer Zukunft hofft Gillett auf die Entwicklung neuer Katalysatoren, die bezüglich der Reaktionsteilnehmer, mit denen sie funktionieren, nicht so wählerisch sind, sodas Alkoholkraftstoffe statt des schwer handhabbaren Wasserstoffs eingesetzt werden könnten. Die Suche nach neuen Festkörper-Elektrolyten hat begonnen. Bis dahin könnte eine bessere Nano-Prozesssteuerung bei der Herstellung des in bisherigen Brennstoffzellen verwendeten Elektrolyts Nafion deutliche Auswirkungen auf seine Effektivität und seinen Preis haben. Laut einer Forschungsarbeit der Europäischen Kommission wird Nanotechnologie auch die Sonnenenergie "zu einer lukrativen Sache machen. Verbindungshalbleiter aus Indium, Gallium und Sickstoff [Indium-Gallium-Nitrid] haben Kenndaten gezeigt, die Solarzellen mit über 50 Prozent Wirkungsgrad möglich erscheinen lassen." [...] Die in Toronto entwickelten Kristallteilchen sind so klein, dass sie in Flüssigkeiten verteilt werden können, was auf die baldige Entwicklung eines aufsprühbaren Infrarotdetektors mit einem fotovoltaischen Wirkungsgrad von 30 Prozent hoffen lässt. Damit wären wir wieder einen Schritt weiter und könnten bald auf jeder beliebigen Fläche Sonnenenergie erzeugen: auf Gebäudewänden, Kleidung, Fahrzeugen. Beginnt man auch nur, sich vorzustellen, wie ein aufsprühbares Energiegewinnungssystem eingesetzt werden könnte - von sich selbst auftantankenden Fahrzeugen über Kleidungsstücke, die Energie für Datenverarbeitung- und Kommunikationsgeräte erzeugen, bis zu Gebäuden, die Energie für ihren Eigenbedarf herstellen -, wird schnell klar, dass die "Killeranwendung" ist, mit der die Nanotechnologie ihr Potenzial unter Beweis stellen könnte. Die Graetzel-Zelle wird bereits für so profane Anwendungen wie die Beleuchtung von Schweizer Uhren eingesetzt: Ein Farbmolekül fängt die Energie des Sonnenlicht ein und springt auf ein höheres Energieniveau, trennt sich von der Ladung an ein Titandioxid-Teilchen ab. Die positiven und negativen Ladungen können sich dann wieder vereinigen und setzen mit einem Wirkungsgrad von sieben Prozent Energie frei. Ein weiterer Beitrag der Nanotechnologie könnte darin bestehen, dass die Speicherung von Wasserstoff in Fahrzeugen erleichtert wird. Als Gas ist Wasserstoff ein schlechteres Speichermedium für Energie als eine Flüssigkeit wie Benzin. Forscher an britischen Universitäten haben jedoch eine Methode entdeckt, wie Wasserstoffatome mit hohem Druck in Nanoporen eines Materials injiziert werden können, wo sie gespeichert werden für eine spätere Freisetzung bei weit geringerem Druck. Manchen Berichten zufolge könnte ein "voller Tank" die Energie für 8000 Kilometer bereitstellen.

© Mit freundlicher Genehmigung Parthas Verlag Berlin
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Autor: Toby Shelley

Wirtschaftsjournalist, Autor von Oil: Politics, Poverty and the Planet (Zed Books, 2005), Mitglied des Managementrats der Entwicklungshilfeorganisation "War on Want".