Nanotechnologie: Lösung für unsere Umweltprobleme?€¦ · 3 Nanoobjekte unterteilt nach der Form: • Nanopartikel: Alle drei Dimensionen im Nanobereich (d. h. kugelförmig) •

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Nanotechnologie: Lösung für unsereUmweltprobleme?

Broschuere_nano und Umwelt_RZ_q15.qxp_2012 28.02.20 14:16 Seite 1

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Bereits Ende des letzten Jahrhunderts wurde die Nano-technologie als eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts bezeichnet. Grundlage der Nanotech-nologie ist der Umgang mit Materialien im Größenbereichvon 1-100 Nanometer (nm), wobei es hier in erster Linieum die gezielt industriell hergestellten Nanomaterialien(NM) geht. Denn Nanopartikel können auch natürlichenUrsprungs sein (z. B. aus Vulkanausbrüchen und Wald-bränden) oder als unbeabsichtigte Nebenprodukte beimenschlichen Aktivitäten entstehen (z.B. bei der Verbren-nung von fossilen Brennstoffen in Autos, Heizungen u. ä.).

Nanomaterialien bestehen definitionsgemäß aus abgrenz-baren strukturellen Bestandteilen in einer Größenordnungvon 1 bis 100 Nanometern in mindestens einer Dimension(EU-Kommission 2011).

DefinitionenNano (griechisch) = Zwerg

1 Nanometer (nm) = 10-9 m = 10-6 mm = 10-3µm

Nanomaterialien (1–100 nm):• Nanoobjekte• Materialien mit einer inneren Nanostruktur oder

einer Oberflächen-Nanostruktur

Einleitung

1 Herausforderungen und Möglichkeiten der »Grünen Nanotechnologie« 3

2 Löst Nanotechnologie die Wasserkrise? 5

3 Energierevolution dank Nanotechnologie? 9

4 Umweltsanierung durch Nanotechnologie? 14

5 Mehr Nachhaltigkeit bei Produktion und Konsum? 17

6 Die Rolle der Nanotechnologie für eine nachhaltige Zukunft 21

7 Nanotechnologie – Forderungen und Ziele des BUND 22

Inhalt


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Nanoobjekte unterteilt nach der Form:• Nanopartikel: Alle drei Dimensionen im Nano bereich

(d. h. kugelförmig)• Nanoröhren und Nanostäbe: Zwei Dimensionen im

Nanobereich• Nanoplättchen: Eine Dimension im Nanobereich

Mittlerweile sind in vielen industriellen Bereichen nano-technologisch hergestellte Produkte auf dem Markt, undauch in Konsumprodukten für den alltäglichen Bedarf werden immer häufiger Nanomaterialien eingesetzt. Die Europäische Union hat darauf reagiert und nach deraktuellen EU-Gesetz gebung müssen Biozide, Kosmetikaund Lebensmittel bzw. Lebensmittelverpackungen mit demZusatz (nano) gekennzeichnet werden, wenn diese Nano-materialien enthalten. Dies ist beispielsweise bei Sonnen-schutzcremes mit hohem Licht schutzfaktor die Regel, dader Schutz meistens durch Nano-Titandioxid bewirkt wird.

In dieser Broschüre beschäftigt sich der BUND allerdingsnicht mit Konsumgütern und Alltagsprodukten, sondernmit den Erwartungen an eine nachhaltige Zukunft, diesich mit der Nanotechnologie unter dem Stichwort »Greennano« (Grüne Nanotechnologien) verbindet.

Unter »Green nano« soll hier in Anlehnung an die Festle-gung der deutschen Nanokommission sowohl eine nach-haltige Anwendung der Nanotechnologien (z. B. Umwelt-entlastung und Ressourcenschutz) als auch die nachhaltigeGestaltung der technologischen Lösung selbst verstandenwerden. Dazu gehören neben dem Ersatz von gesund-heits- und/oder umweltschädlichen Substanzen durch zu-mindest weniger schädliche oder gänzlich unbedenklicheStoffe beispielsweise auch die Aufbereitung von verun-reinigten Böden und Gewässern. Auch Unterstützung beimErsatz von fossilen Brennstoffen zählt zu den Anwen-dungsbereichen von Green Nano. Natürlich muss bei derAnwendung neuer Techniken, wie auch beim Einsatz derNanotechnologie darüber hinaus sichergestellt sein, dasskeine neuen Gesundheits- und/oder Umweltgefährdungenentstehen. Zur Nachhaltigkeit gehört auch eine energie-und ressourcensparende Produktion sowie eine hohe Re-cyclingfähigkeit.


Die zunehmende Erschöpfung der natürlichen Ressourcen,die Zerstörung ganzer Lebensräume, der Klimawandel unddie wachsende Ungleichheit zwischen Arm und Reich kön-nen zu Hungerkatastrophen, Kriegen und weitreichendenökologischen Schäden führen.

Das Modell ständig wachsender Produktions- und Kon-sumraten, auf dem die westlichen Volkswirtschaften basieren, stößt zusehends an seine Grenzen. Die erstenFolgen sind bereits heute erkennbar: Arme Menschen müs-sen einen steigenden Anteil ihres Einkommens für Energie,Heizung und Grundnahrungsmittel aufwenden. ExtremeWetterereignisse wie Dürren oder Überschwemmungentreten häufiger und stärker auf, giftige Industriechemikalienbelasten Böden, Luft und Gewässer selbst in den entle-gensten Regionen der Welt und weltweit nimmt die Artenvielfalt rapide ab.

In dieser Situation ist die Hoffnung groß, durch neuetechnologische Entwicklungen zu einer Wirtschaftsweisezu finden, die es der Menschheit erlaubt, diese gewaltigenHerausforderungen zu überwinden. Besonders hoch gehandelt wird dabei die Nanotechnologie. Nanomate-rialien weisen häufig völlig andere physikalische und chemische Eigenschaften auf, als wir es von den gleichenStoffen in größerer Form gewohnt sind. Dadurch werdenunzählige neue industrielle Anwendungen möglich.

Herausforderungen und Möglichkeiten

der »Grünen Nanotechnologie«

So könnten nanotechnologische Produkte, Verfahren undAnwendungen durch vielerlei Einsparungen z. B. bei Roh-stoffen, Energie und Wasser sowie durch Verringerungder Treibhausgase und eventuell problematischer Abfälleeinen wesentlichen Beitrag zur Umwelt- und Klimaschutzleisten.

Das nachhaltige Potenzial von Nanotechnologien wirdzwarhäufig herausgestellt, um jedoch die tatsächlichenAuswirkungen eines Produktes auf die Umwelt feststellenzu können, wäre es erforderlich den gesamten Lebenszy-klus von der Herstellung der Ausgangsmaterialien bis zurEntsorgung zu betrachten.

Einige der wenigen bislang durchgeführten Lebenszyklus-Analysen zeigen für bestimmte Produkte durchaus verrin-gerte Umweltwirkungen bzw. Energie- und Ressourcen-einsparungen durch die Verwendung von Nanomaterialienbzw. nanotechnologischer Verfahren.

Berücksichtigt werden muss aber auch, dass die Herstel-lung von Nanomaterialien z.T. viel Energie, Wasser undumweltproblematische Chemikalien benötigt, sodass derNutzen oftmals zumindest fraglich bleibt.

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Nanotechnologien sollen vor allem auchKläranlagen bei der so genannten viertenReini gungsstufe in die Lage versetzen, bei-spielsweise Mikroschadstoffe aus den Ab-wässern zu entfernen.

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Über zwei Milliarden Menschen weltweit haben keinenZugang zu sauberem Wasser. Rund 800 Millionen Men-schen haben keine Grundversorgung mit Wasser, circa 2,5 Milliarden Menschen verfügen über keine sanitäreGrundversorgung und über 900 Millionen müssen ihreNotdurft im Freien verrichten. Noch immer gehören derMangel an sauberem Wasser und Hygiene zu den häufigs-ten Todesursachen bei Kindern unter fünf Jahren. JedenTag sterben mehr als 700 Kinder an vermeidbaren Krank-heiten wie etwa Durchfall, die durch verunreinigtes Wasseroder mangelnde Hygiene hervorgerufen wurden. Betroffensind vor allem Menschen oder Familien in den ärmerenRegionen der Welt – und dort vor allem in den ländlichenGebieten. Dabei sind mehr als zwei Drittel der Erde vonWasser bedeckt, allerdings sind nur 0,3 Prozent davontrinkbar. Und dieses Trinkwasser ist zudem sehr ungleichverteilt. Besonders in Afrika, Lateinamerika und Asienherrscht vielerorts dramatische Wasserknappheit. Eine Bes-serung ist momentan nicht in Sicht. Laut aktuellem UN-Weltwasserbericht könnte bis 2050 die halbe Weltbevöl-kerung vom Mangel an sauberem Wasser betroffen sein.

Der Zugang zu frischem Wasser ist allerdings auch inEuropa ein Problem. Die Dürren der letzten Jahre vonSüdeuropa bis England geben einen Vorgeschmack darauf,was im Zuge der Klimaerwärmung auch bei uns normalwerden könnte. Große Teile des europäischen Grundwas-sers sind bereits heute verunreinigt (z. B. mit Nitrat ausder industriellen Tierproduktion). Die Förderung und Nut-zung der Grundwasserreserven insbesondere durch Groß-städte führt außerdem zu einer Gefährdung der umlie-genden Feuchtbiotope.

Konventionelle Wasserbehandlungstechnologien Es existieren unterschiedliche Techniken der Wasserbe-handlung, wobei einige von ihnen bereits seit Tausendenvon Jahren bekannt sind. Die natürliche Reinigung vonOberflächenwasser durch eine Uferfiltration wurde in derVergangenheit durch künstliche Filterbetten nachgeahmt(z.B. aus Keramik, Aktivkohle, granulare Medien, Fasernund Textilgewebe). Hinzu kommen die Entsalzung (Um-kehrosmose, Destillation, adsorbierende Filtermedien) so-wie chemische oder radioaktive Behandlungen (MeridianInstitute 2006). Allerdings reichen die bisherigen Metho-den oftmals nicht mehr aus, weil z. B. bestimmte Mikro-schadstoffe schon in kleinsten Mengen gesundheitsge-fährdend und/oder so klein sind, dass sie buchstäblichdurch die Maschen fallen.

Nanotechnologie zur Wasseraufbereitung Tatsächlich gibt es schon jetzt Anwendungen der Nano-technologie im Bereich der Wasseraufbereitung. Unter-schieden werden kann die Behandlung von Trinkwasser,Grundwasser und Abwasser. Nanotechnologien sollen vorallem auch Kläranlagen bei der so genannten viertenReini gungsstufe in die Lage versetzen, beispielsweise Mi-kroschadstoffe aus den Abwässern zu entfernen. Bei denmeisten Anwendungen wird vor allem die große Oberflä-che und die Möglichkeit genutzt, Nanomaterialien mitspezifischen Funktionen auszustatten.

2 Löst Nanotechnologie die Wasserkrise?


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• Nanosensorenerkennen Schadstoffe wie z.B. Pathogene im Wasser.

Mit Hilfe der Nanotechnologie können u.a. für be-stimmte Moleküle spezifische Sensoren entwickelt,verschiedene Tests in miniaturisierter Form angeboten(»lab-on-a-chip«) und/oder kontinuierliche Messver-fahren für die Vor-Ort-Analytik bereit gestellt werden.Nanosensoren können demnach dazu beitragen, ziel-genauere und kostengünstigere Überwachungsmes-sungen durchzuführen.

• Nanofiltrationsmembranenzur Beseitigung von Nitrat, Chlorid, Carbonatu.a. Stoffen aus Trinkwasser oder in Entsalzungs-anlagen aus dem Meerwasser.

Nanoskalige Membranen sind heute bereits Stand derTechnik. Sie können, im Gegensatz zu konventionellenTechniken, auch gelöste organische und anorganischeSchadstoffe zurückhalten. Verwendet werden organi-sche Polymere sowie anorganische Keramiken. Nachdem Brennprozess sind die Nanopartikel in der Keramikfest verbacken und können demnach auch nicht mehrherausgelöst werden.

Umwelt- und GesundheitsgefährdungDie Vielzahl der bei der Wasseraufbereitung verwendetenNanomaterialien lässt derzeit keine allgemeine Aussagezur möglichen Gefährdung von Umweltorganismen zu. Von einigen der verwendeten Nanomaterialien ist allerdingsdas ökotoxische Potential seit langem bekannt, so dass umweltoffene Anwendungen von Nano-Titandioxid, Koh-lenstoffnanoröhren (CNT) und Nano-Silber als problematischbeurteilt werden.

Zu nennen sind:

• Nanosorbentenentfernen verschiedenste organische und anor-ganische Verunreinigungen z.B. aus Abwässern.

Nanomaterialien und nanostrukturierte Oberflächenkönnen zur Abtrennung von Schadstoffen aus demWasser genutzt werden. Es werden Adsorptionsmittelbasierend Kohlenstoff (Aktivkohle als Breitband-adsorptionsmittel, Kohlenstoffnanoröhren (CNT) zurEntfernung z. B. von bestimmten Antibiotika) und Me-talloxiden eingesetzt. Nanoskalige Metalloxide (z.B. Eisenoxide, Titandioxid, Aluminiumoxid) sind effizientund kostengünstig bei der Entfernung von Radionukli-den und Schwermetallen wie Arsen, Blei, Quecksilber,Kupfer, Cadmium, Chrom und Nickel. Ein wichtiger As-pekt zur Wirtschaftlichkeit dieser Adsorptionsmittel istdie Möglichkeit der Wiederverwendung und Metall-rückgewinnung.

• Nanometalledienen als Katalysatoren oder aktive Reagen-zien u.a. zur Desinfektion oder zur Entfernungz.B. von chlorierten Kohlenwasserstoffen.

Diese Nanokatalysatoren beschleunigen den Ablauf che-mischer Prozesse wie Oxidation, Reduktion oder Abbauvon Schadstoffen ohne sich selber dabei zu verändern.Nanokatalysatoren werden heute bereits in der Entfernungvon Schwermetallen aus Grund- und Trinkwasser einge-setzt. In der Abwasserreinigung kommt beispielsweise Nano-Titandioxid als Katalysator zum Einsatz. Bei der so ge-nannten Photokatalyse werden bei UV-Bestrahlung desTitandioxids sowohl Wasser als auch Luftsauerstoff zureaktiven Radikalen umgesetzt, die toxische oder bio-logisch schwer abbaubare organische Fremdstoffe um-wandeln.


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Eine Gesundheitsgefährdung könnte über die Haut oderüber das Trinkwasser bestehen, wenn beispielsweise nacheiner Abwasserbehandlung Nanomaterialien im behandeltenWasser zurückbleiben. In diesem Fall müsste obligatorischdurch nachgeschaltete Filter der Eintrag ins Trinkwasser-versorgungssystem unterbunden werden. Eine Freisetzungder in den Keramikfiltern fest eingebetteten Nanopartikelist dagegen eher unwahrscheinlich.

Das Recht auf sauberes Wasser – ein MenschenrechtAm 28. Juli 2010 hat die Generalversammlung der Ver-einten Nationen mit der Resolution 64/292 das Recht aufWasser als Menschenrecht anerkannt. Da immer nochMilliarden Menschen von diesem Menschenrecht ausge-schlossen sind haben die Vereinten Nationen das Themaals eines der wichtigsten Ziele in ihren Katalog der Nach-haltigkeitsziele bis zum Jahr 2030 aufgenommen.

Bereits 2006 stellte die UNESCO fest, dass „Missmanage-ment, Korruption, Mangel an angemessenen Institutionen,bürokratische Trägheit sowie Mangel an Neuinvestitionensowohl in Humankapazitäten als auch in physische Infra-struktur“ die Hauptgründe für den weltweit mangelndenZugang zu sauberem Wasser sind. Die Regulierung undder Besitz von Wasserrechten spielen eine zunehmendgrößere Rolle, ebenso die Frage, wer die Technologien be-sitzt, um sauberes Wasser bereitstellen zu können.

Der Kampf ums Wasser hat längst begonnenDie Zugangsrechte zu Wasserressourcen, Wasserentsalzungund -reinigung sind inzwischen zu einem globalen Indus-triezweig geworden: Wasseraufbereitungsunternehmenkönnen kleine öffentliche oder private Betriebe sein, einigeder privaten Unternehmen sind jedoch Teil von großenKonzernen. So haben die beiden großen französischenWasser-Giganten Veolia und Suez den Weltwasser-Marktunter sich aufgeteilt und versorgen mittlerweile fast

200 Millionen Menschen mit Trinkwasser, darunter dieMetropolen Buenos Aires, Casablanca und Manila, aberauch Coca-Cola, Pepsi oder Danone kämpfen um die Trink-wasserversorgung für Millionen zahlungskräftige Kundenin Asien und Südamerika. Die staatliche oder kommunaleWasserversorgung bleibt meist auf der Strecke und dieÄrmsten der Armen sind auf staatliche Wasserlieferungenoder minderwertiges Trinkwasser angewiesen.

Fazit: Alle bisher diskutierten nanotechnologischen Anwendun-gen, so sinnvoll sie auch perspektivisch sein könnten, sindHightech-Lösungen und eher für die entwickelten Indus-trienationen konzipiert als für die Teile der Welt, die ammeisten unter Wassernot leiden. Eine ideale technische Lö-sung müsste nicht nur kosteneffizient und verlässlich, son-dern zugleich auch auf lokale Materialien und/oderFertigkeiten zurückgreifen und damit eine lokale Kontrolleund eigenständige Lösung der Probleme durch die Men-schen vor Ort ermöglichen.

Wesentliche Aspekte für die Umweltverträglichkeit nichtnur von Nanomaterialien sind der Rohstoffeinsatz, der Ener -gieverbrauch, die Emissionen bei der Herstellung, bei derAnwendung und bei der Entsorgung. Um eine realisti scheÖkobilanz erstellen zu können, werden auch Produk tions -zahlen, Anteile der Nano-Komponenten usw. benötigt.

Aufgrund fehlender Zahlen lassen sich zurzeit keine be-lastbaren Ökobilanzen erstellen, nicht zuletzt auch des-wegen, weil viele Verfahren noch im Forschungs- oderVersuchsstadium sind. Zwar dürfte unstrittig sein, dassdie Nanotechnologie das Potenzial zu Einsparungen beimRohstoff- und Energieaufwand hat, ebenso unstrittig istaber auch, dass für die Herstellung bestimmter Nanoma-terialien enorme Mengen an Energie, Wasser und um-weltproblematischer Chemikalien erforderlich sind.


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Eine Abwägung ist ohne reelle Lebenszyklusanalysenschlechterdings nicht möglich. Betrachtet man die Ursa-chen für den Mangel an sauberem Wasser, so wird klar,dass nicht nur technische Innovationen, sondern vor allemgesellschaftliche und politische Veränderungen nötig sind,um die Wasserkrise zu bewältigen. Als erste und wichtigste

Nach Angaben von Unicef und der WHO haben nach wie vor 2,2 Milliarden Menschen keinen sicheren Zugang zu sauberem Trinkwasser.

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Maßnahme ist eine grundlegende Veränderung im Hinblickdarauf nötig, wie wir unsere Wasserressourcen wertschät-zen, nutzen und teilen. Das Ziel sollte dabei sein, dasssich alle Menschen das Menschenrecht nach Zugang zusauberem Wasser und hygienischen Lebensbedingungenzu einem bezahlbaren Preis erfüllen können.


Eine der größten Herausforderungen des 21. Jahrhundertsstellt der Übergang von fossilen Brennstoffen zu nach-haltigen, erneuerbaren Energiequellen dar. Der Nanotech-nologie wird hierbei eine wesentliche Rolle bei der Suchenach technischen Lösungen für eine bessere Energieer-zeugung, -speicherung und -verteilung sowie nicht zuletztauch bei der Nutzung zugesprochen.

Durchbruch für die Solarenergie? Zurzeit liegt der Anteil der durch Photovoltaik (PV) er-zeugten Stroms in Deutschland noch unter 10 Prozent.Um die Herstellung von Solarstrom wirtschaftlicher zu be-treiben, zielt die Forschung auf eine Optimierung des Wir-kungsgrades, des Materialeinsatzes und der Kosten. Durcheine effiziente Nutzung des gesamten Wellenlängenspek-trums des Sonnenlichts kann außerdem der Wirkungsgradder Module erhöht werden. Nanomaterialien werden bereitsheute als Antireflexbeschichtung, als Isoliermaterial oderals Elektrodenmaterial eingesetzt, wodurch sich der Wir-kungsgrad teilweise um bis zu 5 Prozent erhöhen lässt.

Zurzeit haben Dünnschichtsolarzellen bestehend aus Ver-bindungshalbleitern wie z.B. Galliumarsenid, Indiumphos-phid, Cadmiumtellurid oder Zinkselenid bereits einen Welt-marktanteil an der PV-Produktion von 20 Prozent, mitsteigender Tendenz. Im Labor konnten Wirkungsgrade vonbis zu 40 Prozent erreicht werden. Das ist wesentlich mehrals bei den herkömmlichen auf Silizium basierenden So-larzellen, die nur bis zu 25 Prozent erreichen können.

Dünnschichttechnologien haben aufgrund des geringenHalbleitermaterialverbrauchs nicht nur ökonomische,sondern auch ökologische Vorteile bei der Umweltver-träglichkeit. Die energetische Amortisation liegt bei ca.einem Jahr und ist somit wesentlich kürzer als bei her-kömmlichen Siliziumsolarzellen mit ca. zwei Jahren. Auchin der Lebenszyklusanalyse haben sie nur ein geringesTreibhausgaspotenzial sowie einen geringen Wasserver-brauch und auch die Emissionen von Stickoxiden undSchwefeldioxid sind nur etwa halb so hoch wie bei her-kömmlichen PV-Modulen.

Allerdings muss berücksichtigt werden, dass Cadmiumkrebserzeugend und daher in vielen Anwendungen bereitsverboten ist, wohingegen andere Elemente wie z.B. Indiumnur sehr begrenzt verfügbar und deshalb teuer sind.

Bei Farbstoffsolarzellen (DSSC) findet die Lichtabsorptionin organischen Farbstoffen (z. B. Chlorophyll) statt. DasTrägermaterial besteht z.B. aus Titandioxid, Zinkoxid oderZinndioxid. Darüber hinaus werden Beschichtungen ausnanoskaligen Materialien (z.B. Aluminium/Titan-Nanoke-ramik, Wolframcarbid) als Schutz vor Abnutzung, Erosionund Korrosion eingesetzt.

Die erzielten Wirkungsgrade liegen momentan allerdingsnur bei 2 bis 8 Prozent, wobei 30 Prozent zukünftig mög-lich sein sollen.

Energiewende dank Nanotechnologien?

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Während Farbstoff-Solarzellen mit ca. 1,4 Jahren ener-getischer Amortisationszeit einen Vorteil gegenüber her-kömmlichen siliziumbasierten Solarzellen haben, ist ihreHaltbarkeit mit lediglich 12 Jahren zurzeit wesentlich ge-ringer. Auch das Treibhausgaspotenzial und die Stickoxidund Schwefeldioxid -Emissionen liegen deutlich höher alsbei den anderen nanobasierten PV-Techniken.

Quantenpunktsolarzellen (QDSC) bestehen aus verschie-denen Nano-Halbleitermaterialien z.B. Indiumgallium-arsenid, Cadmiumselenid, Cadmiumtellurid, Indiumphos-phid, Zinkselenid oder Kupferindiumsulfid. Im Vergleichzu herkömmlichen Solarzellen, die nur Licht einer be-stimmten Wellenlänge umwandeln können, sind QDSC soaufgebaut, dass sie verschiedene Wellenlängen gleichzeitignutzen können. Die bisher realisierten Wirkungsgrade lie-gen unter 10 Prozent, allerdings sind durch die Erzeugungmehrerer Schichten höhere Wirkungsgrade von 31 bis 80Prozent möglich. Ein bedeutender Nachteil ist die Vielzahlan toxischen Halbleitermaterialien. Belastbare Angabenzur Ökobilanz können zurzeit nicht gemacht werden.

In Organischen Solarzellen (OPV) werden als Halbleitermaterialien organische Moleküle ein-gesetzt. Die Solarzellen sind sehr dünn und führen zu ge-ringeren Materialverbräuchen als herkömmliche Silizium-solarzellen und damit einhergehend zu geringerenProduktionskosten. Indiumzinnoxid bzw. Aluminium dientals Elektrodenmaterial auf der Vorder- bzw. Rückseite.

Erste organische Solarzellen finden bereits in Nischen-märkten Anwendung. Aufgrund der kostengünstigen Roh-materialien (Kunststoff) und Herstellungsverfahren (durchDruckverfahren) sowie der flexiblen Formgebung habensie ein hohes Potenzial, nicht nur bei der Versorgung mo-biler Elektronikgeräte. Zurzeit liegt der Wirkungsgrad al-lerdings bei nur 2 bis 4 Prozent, hinzu kommt eine geringe

Lebensdauer von 3 bis 5 Jahren. Auch ist der Einsatz vongefährlichen Lösemitteln sehr hoch. Es wird davon aus-gegangen, dass bei einer Weiterentwicklung der Technikdie Emissionen langfristig geringer sein werden als beijeder anderen Photovoltaiktechnik. Eine Erhöhung desWirkungsgrades auf 10 Prozent, was im Labormaßstabbereits erreicht wurde, reduziert die energetische Amor-tisationszeit auf wenige Wochen.

Fazit: Von der nanobasierten Photovoltaik können deutliche Ver-besserungen beim Wirkungsgrad und den Kosten erwartetwerden. Noch nicht befriedigend gelöst ist der Ersatz einerVielzahl toxischer Stoffe. Auch sind viele Fragen bezüglichdes gesamten Lebenszyklus von Solarenergieproduktenund der Nutzung neuer Nanomaterialien noch nicht ab-schließend zu beantworten.

Effizientere Windenergieanlagen?Für den Windenergiemarkt wird in den nächsten Jahrenweltweit mit Wachstumsraten im zweistelligen Bereich ge-rechnet. Die Windenergie deckt in Deutschland bereitsknapp unter 20 Prozent des Strombedarfs. Durch den ge-zielten Einsatz von Nanomaterialien in Windenergieanlagen(WEA) erhofft man sich in erster Linie einen besseren Wir-kungsgrad.

Durch den Einsatz von Kohlenstoffnanoröhren (CNT) inKompositmaterialien für die Rotorblätter kann das Gewichtverringert und gleichzeitig die Stabilität erhöht werden.Der Einsatz größerer Rotorblätter ermöglicht dann einehöhere Energieausbeute. Zusätzliche Oberflächenbeschich-tungen mit CNT oder Graphen können eine Eisbildung undVerschmutzung auf den Rotorblättern reduzieren, sodasseine Gewichtszunahme der Rotorblätter vermieden wirdund die aerodynamischen Eigenschaften der Rotorblättererhalten bleiben.

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Windenergieanlagen bestehen aus vielen beweglichen Bau-teilen (Getriebe u.a.), bei denen es aufgrund von Reibungzu einem Wirkungsgradverlust kommt. Die Anwendungvon nanobasierten Schmierstoffen wie Graphen oder Nano-Siliziumdioxid kann den Reibungswiderstand verringern.

Fazit: Bei den oben genannten nanotechnologischen Anwen-dungen lässt sich, unter der Voraussetzung einer optima-len Prozessführung über den gesamten Lebenszyklus, einezumindest leichte Verbesserung der Energieeffizienz derWindenergieanlagen erzielen. Darüber hinaus kann derEinsatz von nanobasierten Schmierstoffen den Einsatz vonherkömmlichen umwelt- und gesundheitsschädigendenSchmierstoffen reduzieren. Nachteilig wirkt sich allerdingsder höhere Energie- und Lösemittelbedarf bei der Herstel-lung der Rotorblätter aus.

Wasserstoff für Brennstoffzellen?Schon seit Jahrzehnten wird angestrebt Wasserstoff alsEnergieträger für die Brennstoffzellentechnik, insbesonderefür Automobile, zu etablieren. Eine Brennstoffzelle wandeltchemische Energie direkt in elektrische Energie um, wobeider Energieträger, vor allem Wasserstoff, an der Anode inProtonen und Elektronen dissoziiert. Durch die Reaktionvon Protonen, Elektronen und Sauerstoff an der Kathodebildet sich Wasser und es fließt Strom. Obwohl Wasserstoffnahezu unendlich vorhanden ist, eine sehr hohe Energie-dichte hat und ohne schädliche Emissionen verbrennt,steckt die Technik aufgrund immenser Kosten immer nochin Kinderschuhen.

Nanomaterialien könnten die Herstellung von Wasserstoffverbilligen, z. B. in dem bei den bislang bei der Elektrolyseeingesetzten Platinelektroden Nano-Platin verwendet wird,wodurch sowohl Effizienz und Geschwindigkeit erhöhtals auch Kosten gesenkt werden können. In der Photolyse

könnte z.B. Nano-Titandioxid mit Sonnenlicht als Energie -quelle genutzt werden. Bisher ist allerdings die Effizienzder rein photokatalytischen Systeme zu gering, um kom-merziell umgesetzt zu werden.

Fazit: Nanomaterialien hätten durchaus das Potenzial durcheine effizientere und deutlich kostengünstigere Herstel-lung von Wasserstoff die Marktfähigkeit von Brennstoff-zellen zu verbessern.

Fortschritte in der Energiespeicherung?Die Bedeutung der Energiespeicherung wird in naher Zu-kunft mit dem weiteren Ausbau der erneuerbaren Energienund der Elektromobilität stark zunehmen. Die derzeitigenBatterien sind noch immer zu schwer, zu groß, zu teuerund der Ladevorgang dauert zu lange. Daher wird darangearbeitet, mithilfe der Nanotechnologien wesentlich leis-tungsfähigere und leichtere Stromspeicher zu entwickelnund serienreif verfügbar zu machen.

Schwerpunkt der Forschung und Entwicklung sind zurzeitwieder aufladbare Batterien auf Lithiumbasis. Diese sindaktuell die am weites ten verbreiteten tragbaren Energie-speicher (u. a. in Laptops, Mobil telefonen und Elektrofahr-zeugen). Aus ökonomischen und ökologischen Gründenwerden zunehmend neue nanobasierte Materialien einge-setzt, so beispielsweise Phosphate von Übergangsmetallen(Lithiummangan-, Lithiumkobalt-, Lithiumeisenphosphat).Dies führt beispielsweise zu einer Reduktion der Material-menge, außerdem wird durch die Nanostrukturierung dieOberfläche der Kathode vergrößert, wodurch die Energie-speicherung verbessert und die Ladezyklen stabilisiert wer-den könnten.


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Lithium-Luft-Batterien befinden sich aktuell noch im For-schungstadium. Sie besitzen theoretisch eine hohe spezifi-sche Energiedichte, zehnmal höher als bei heutigen Batte-rien. Lithium-Luft-Batterien nutzen atmosphärischenSauerstoff, der beim Entladen Lithium zu Lithiumoxid oxi-diert, wobei Energie frei wird. Beim Aufladen wird unterRückbildung der Lithiumanode der Sauerstoff zurück in dieAtmosphäre entlassen. Der Entwicklung von Natrium-Luft-Batterien werden jedoch größere Chancen eingeräumt. Diezu erwartende Energiedichte ist zwar nur fünfmal höherals bei Lithium-Ionen-Batterien, Natrium ist allerdings we-sentlich preiswerter und weniger toxisch als Lithium.

Die Lithium-Schwefel-Batterie ist ein weiterer erfolgver-sprechender Batterietyp mit einer zwei bis fünfmal höherenEnergiedichte als herkömmliche Batterien. Ein großer Vorteilliegt im Verzicht auf knappe, teure, umwelt- und gesund-heitsgefährdende Schwermetalle wie Kobalt oder Nickel.Auch hier wird am Ersatz von Lithium durch Natrium gear-beitet, wodurch allerdings die Energiedichte verringert würde.

Des Weiteren wird an gedruckten Batterien geforscht,hierbei werden elektronische Bestandteile mit speziellenmetallbasierten Tinten auf verschiedene Materialien ge-druckt. Die Leistungsfähigkeit ist zurzeit allerdings nochsehr gering. Es wird erwartet, dass diese in naher Zukunfterhöht werden kann und damit ultradünne, flexible undwieder aufladbare Batterien hergestellt werden können.

Superkondensatoren für die Speicherung elektrischenStroms unterscheiden sich von aktuell gängigen Batterienim Wesentlichen dadurch, dass sie sich sehr viel schnellerladen und entladen lassen. Allerdings ist die Speicherkapa-zität zurzeit noch sehr gering. Die aktuelle Forschung zieltbesonders auf die Erhöhung sowohl der Leistung als auchder Energiedichte ab, wozu Nanotechnologien beitragensollen. Geforscht wird vornehmlich an Kohlenstoffnanoröh-

ren (CNT) und Graphen. Ziel ist es, die Herstellungskostenzu senken und umweltfreundliche Materialien einzusetzen.

Seit Jahrzehnten sind Wasserstoffspeicher Gegenstandder Forschung. Sie könnten z.B. für die Speicherung über-schüssiger erneuerbarer Energie, die weder verbraucht nochweitergeleitet wird, dienen. Der Umgang mit Wasserstoffist allerdings nicht unproblematisch, eine Lagerung kannals stark komprimiertes Gas, als verflüssigtes Gas oder ge-bunden an Feststoffe erfolgen. Um Wasserstoff zu verflüs-sigen, muss er auf minus 253 Grad Celsius gekühlt werden,hierfür werden bereits 30 bis 40 Prozent des Energiegehaltsvon Wasserstoff genutzt. Komprimierter und verflüssigterWasserstoff birgt zusätzlich ein Explosionsrisiko bei un-entdeckten Leckagen. Die Alternative soll die Speicherungin nanostrukturierten Materialien bieten, da diese großeMengen an Wasserstoff auf engstem Raum einlagern könn-ten. Derartige Speichersubstanzen (Ammoniumborane,CNTs, Metallhydride oder Metalllegierungen mit Titan, Eisenoder Nickel) binden den Wasserstoff physikalisch oder che-misch reversibel, so dass das Risiko einer Explosion einge-schränkt wird. Insgesamt sind die Wirkungsgrade dieserWasserstoffspeichersysteme jedoch mit ca. 29 Prozent sehrniedrig. Langfristig könnten aber die Systemwirkungsgradeauf bis zu 46 Prozent gesteigert werden.

Fortschritte in der Energiespeicherung?

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Fazit: Bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Energiespeicher-systeme ist nicht mit einer Freisetzung von Nanomate-rialien zu rechnen, da diese in der Regel als Nanokompositevorliegen, die im Speichersystem eingeschlossen sind.Prinzipiell könnten die Nanomaterialien die Energiespei-cher sicherer und haltbarer machen, sodass auch das Ex-plosionsrisiko gegenwärtiger Energiespeicher vermindertwürde. Die Sammlung verbrauchter Energiespeicher mussallerdings durch geregelte Rücknahmesysteme gewähr-leistet sein, um eine sichere und effiziente Verwertung zugewährleisten. Bei einer unsachgemäßen Entsorgung sindnegative Umwelt- und Gesundheitsauswirkungen nichtauszuschließen.

Steigerung der Energieeffizienz? Im Fahr- und Flugzeugbau könnte die Nutzung von Na-nomaterialien, die leichter und widerstandsfähiger als kon-ventionelle Materialien sind (wie beispielsweise Kohlen-stoffnanoröhren) zu einer deutlichen Effizienzsteigerungführen, da leichtere Fahrzeuge weniger Energie verbrau-chen, um die gleiche Strecke zurückzulegen.

Fazit:Gerade der Verkehrssektor ist allerdings ein Bereich, indem bislang alle technologischen Fortschritte zur Effi-zienzsteigerung und Ressourcenschonung durch immerstärkere Motoren und höhere Zulassungs zahlen bei denAutos und einer permanenten Zunahme des Luftverkehrsin der Summe zu keinerlei Einsparungen geführt haben.Auch fehlen Untersuchungen zur ökologischen Gesamt-bilanz entsprechender Anwendungen.

Geht uns endlich ein Licht auf?Die Europäische Union hat in der Vergangenheit bereitseinige Maßnahmen beschlossen um den Energieverbrauchdurch Beleuchtung zu verringern.

Sowohl Glühbirnen als auch Halogenlampen sind bereitsgrößtenteils verboten. Nachdem LED-Leuchten jetzt alsStandard gelten, ist bereits eine neue Generation von or-ganischen Leuchtdioden (OLED) auf dem Markt. OLED sindDünnschichtbauelemente aus organischen halbleitendenMaterialien. Im Vergleich zu LED ist die Lebensdauer undLichtausbeute zwar geringer, sie lassen sich aber inDünnschicht technik kostengünstiger herstellen und auchdie Anwendungsbereiche sind vielfältiger. Die OLED-Tech-nik wird heute bereits für Bildschirme in Smartphoneswie auch in großflächigen Fernsehern und Computermo-nitoren eingesetzt, zukünftig scheinen auch biegsameBildschirme möglich.

Die in OLED enthaltenen Mengen an gefährlichen Stoffensind aufgrund der Nanobeschichtung sehr gering. Durchdie feste Einbindung der Nanopartikel ist eine Freisetzungin der Nutzungsphase und bei ordnungsgemäßer Entsor-gung nicht zu erwarten.

Fazit: Auch im Fall der Beleuchtung ist es von entscheidenderBedeutung, dass die Einsparungen nicht durch Rebound-Effekte durch eine stetig steigende Nutzung der Produktewieder kompensiert werden. Weiterhin wird eine Vielzahlvon problematischen Inhaltsstoffen verwendet, für dieweder ein adäquates Recycling oder der Ersatz durch we-niger schädliche Stoffe geklärt sind.

GesamtfazitDie aufgeführten Beispiele zur Energieeffizienz zeigensehr eindrücklich, dass die technologischen Erneuerungendurch Nanotechnologien allein nicht in der Lage sind, dieweitgesteckten Erwartungen zu erfüllen. Ohne flankie-rende politische Maßnahmen werden sich die notwendigenZielvorgaben zur Begrenzung des Klimawandels nicht er-reichen lassen.


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Umweltsanierung durch Nanotechnologie?

Die Verschmutzung der Umwelt durch Schadstoffe undAbfälle stellt die Gesellschaft vor gewaltige Herausforde-rungen. Entsprechend wächst auch der Bedarf nach in-novativen Lösungen. Der Nanotechnologie wird hierbeieine führende Rolle zugeschrieben. Die Lösungsansätzereichen von einer Reduktion der produzierten Abfälle undSchadstoffe, über die Entfernung dieser aus der Umweltbis hin zur Wiederverwertung von Abfällen als wertvolleRessource.

Konventionelle Techniken zur Umweltsanierung sind bishernicht in der Lage, die vielen Probleme bei der Förderungvon sauberem Trinkwasser, der Entfernung von Luftschad-stoffen und der Sanierung von industriellen Altlasten zulösen. Bisher werden durch Schadstoffe verseuchte Bödenmeist durch das Abtragen des Oberbodens und die nach-folgende Lagerung auf einer D eponie »beseitigt«. Diese Methode verschiebt das Problem lediglich von einem Ortzum anderen.

Kleine Helfer für große Probleme? Es gibt eine Reihe von Sanierungsmethoden, bei denenNanotechnologien zum Einsatz kommen. So können überPhotokatalyse mit Nano-Titandioxid Stickstoffoxide undflüchtige organische Verbindungen abgebaut werden. Des-halb finden diese Nano-Titandioxid Partikel bereits inkommerziellen Außenanstrichen und Zement Verwendung,um mittels des photokatalytischen Effekts einzelne Schad-stoffe in der Luft abzubauen. Auch sollen mit Nano-Ti-tandioxid angereicherte Farben bisherige organische undhoch giftige Biozide ablösen, die bislang zum Schutz vorbiologischen Verschmutzungen verwendet werden.

Doch auch die Verwendung von Nano-Titandioxid ist nichtunproblematisch. Die Nanopartikel werden langfristig ausGebäudeoberflächen ausgewaschen und gelangen überKläranlagen in die Vorfluter. Obwohl der Großteil der grö-beren Fraktionen im Faulschlamm zurückbleibt, werdengerade Nanopartikel nicht vollständig zurückgehalten undgelangen über das Abwasser der Kläranlagen in die Flüsse.Insbesondere empfindliche Wasserorganismen am Beginnder Nahrungskette wie Wasserflöhe werden potentiell ge-schädigt. Aber auch bei Fischen konnten bereits oxidativerStress und Organveränderungen festgestellt werden.

Eine aktuelle Studie lieferte zudem Warnhinweise auf ge-nerationsübergreifende Effekte. Hier wurde Nano-Titan-dioxid von trächtigen Mäusen über die Plazenta auf denNachwuchs übertragen. Dies führte zu Schädigungen desNervensystems und des Gehirns sowie zu einer Reduktionder Spermienproduktion bei männlichen Nachkommen.

Die Internationale Krebsforschungsagentur (IARC) hatteTitandioxid in 2010 ohne Berücksichtigung der Größe als„möglicherweise krebserregend für den Menschen“ ein-gestuft. Und auch der europäische Ausschuss für Risiko-bewertung der Europäischen Chemikalienagentur (ECHA)hat in 2017 vorgeschlagen, Titandioxid als „vermutlichkrebserzeugend“ einzustufen. Beide Entscheidungen be-ruhen auf einem in Tierversuchen nachgewiesen Risikobei der Inhalation.

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Die Sanierung verseuchter Böden, wie von früheren In-dustrie- und Militärstandorten, ist ein dringendes Problemin vielen industrialisierten Ländern. Die Nutzung von ele-mentarem Eisen und Eisenoxid in Nanogröße ist mögli-cherweise eine kosteneffizientere Lösung als bisherige Verfahren. Obwohl Tests in den USA und Europa viel -versprechende Ergebnisse lieferten, gibt es immer nochungelöste Fragen bezüglich einer Freisetzung der Nano-partikel in Bodenökosystemen. Unklar ist etwa, wie sie aufBodenorganismen und auf die Grundwasserqualität wirken.

Zumindest zum Einsatz von Nanoeisen bei der Sanierungvon Grundwasserschäden gibt es mittlerweile ermuti-gende Erfahrungen. Nach Einschätzung des Umweltbun-desamtes ergibt sich aus den bisherigen Untersuchungenzum Einsatz von Nanoeisen bei der Sanierung von Grund-wasserschäden kein relevantes Risiko. Auch sind keine re-levanten akuten Schadwirkungen auf die belebte Umweltzu erwarten. Allerdings könnte eine Gefahr durch gefähr-liche Stoffe als weitere Komponenten der Nanoeisenmi-schung bestehen. Darüber hinaus muss verhindert werden,dass sich Nanoeisen und seine Folgeprodukte über seinenräumlich begrenzten Einsatzort bei Grundwassersanie-rungen hinaus ausbreiten und womöglich in andere was-serführende Schichten gelangen. Hierfür ist die Entwick-lung spezieller Mess- und Analytikmethoden notwendig,so dass der Einsatz durch ein Monitoring begleitet unddie Dauerhaftigkeit des Sanierungserfolges sichergestelltwerden kann.

Im Forschungsprojekt ReGround, an dem u.a. die Univer-sität Duisburg-Essen beteiligt ist, wurde an drei mitSchwermetallen kontaminierten Industriestandorten diesesVerfahren erprobt. Spezielle Eisenoxid-Nanopartikel wur-den in das Grundwasser leitende Gestein injiziert und bil-deten dort eine Barriere, die die gefährlichen Stoffe zu-rückhält. In bisherigen Verfahren wird das Wasser an die

Oberfläche gepumpt und dann dort behandelt, um hoch-giftige Schwermetalle wie Arsen, Chrom, Kupfer, Blei undZink aus dem Grundwasser zu lösen. Solche sog. Pump-and-Treat-Verfahren sind allerdings sehr kostspielig undmüssen extrem lange betrieben werden. Die Methode mitNanoeisen hat sich als wirksamer und wirtschaftlicherherausgestellt. Ein weiterer Vorteil ist die kurze Vorberei-tungszeit und universelle Nutzbarkeit, da weder großebauliche Maßnahmen noch bestimmte Geländevoraus-setzungen notwendig sind. Zudem eignet sich das Ver-fahren nicht nur für stillgelegte, sondern auch für nochaktive Industriestandorte.

Fazit: Während der Einsatz von Nanotechnologien zur Umwelt-sanierung in einigen Fällen unter Laborbedingungen er-folgreich demonstriert wurde, sind bisher nur wenigeAnwendungen auf ihre Sicherheit und Effizienz im Feld-einsatz erprobt. Viele der groß angekündigten Lösungensind über die Phase von Machbarkeitsstudien oder Pilot-versuchen noch nicht hinaus gekommen.

Wichtige Schlüsselfragen sind: Wie kann sichergestelltwerden, dass die Technik effektiv ist und nicht zu neuenUmweltbelastungen durch freigesetzte Nanomaterialienführt? Werden die zur Schadstofffiltration eingesetztenNanopartikel in die Nahrungskette eintreten, zu Erkran-kungen von Pflanzen und/oder Verschlechterungen desBodens führen und Bodenökosysteme beeinträchtigen?

Alle neu vorgeschlagenen Lösungen müssen mit den be-reits bestehenden verglichen und Verbesserungen bezüg-lich der Effizienz und der ökonomischen, sozialen undökologischen Kosten umfassend unter Beweis gestelltwerden. Die beste Option bleibt letztendlich die Vermei-dung von Schadstoffen und Abfällen in Produktion undNutzung.


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Mehr Nachhaltigkeit bei Produktion und Konsum?

Eines der wichtigsten Argumente für die »Grüne Nano-technologie« ist das Versprechen einer nachhaltigerenProduktion von Gütern durch die Einsparung von Energieund Ressourcen sowie die Verwendung von weniger gifti-gen Chemikalien im Verarbeitungsprozess.

Bis dato sind nur sehr wenige ökobilanzielle Bewertungenverfügbar, die die Nachhaltigkeit von auf Nanotechnolo-gien basierenden Materialien und Produkten mit konven-tionellen vergleichen. Bereits vorhandene Daten deutenaber an, dass die ökologische Bilanz von Nanoproduktennicht immer besser ist, als die von vergleichbaren kon-ventionellen Produkten, wenn man den gesamten Lebens-zyklus betrachtet.

Reduktion giftiger Stoffe? Nanomaterialien werden oft als mögliche Ersatzstoffe fürschädliche Chemikalien, wie beispielsweise Schwermetalleoder andere hochtoxische Stoffe, genannt. Diese Mög-lichkeit besteht ohne Zweifel, insbesondere bei Beschich-tungen und Klebern. Beispielsweise beruht die Effizienzkonventioneller Antifouling-Farben auf der Wirkungs-weise von giftigen Chemikalien. Mithilfe von Nanomate-rialien wird dieser chemische Effekt durch einen struktu-rellen ersetzt, wodurch sich die Organismen nicht mehrso gut am Schiffsrumpf anhaften können.

Nanopartikel wie Titandioxid, Siliziumdioxid, Magnesium-oxid oder Zinkoxid können außerdem Flammschutzmittelauf Basis von Brom ersetzen, die langlebig und biologischschwer abbaubar sind.

Die Nanotechnologie birgt also prinzipiell die Chance, ge-fährliche Substanzen durch weniger gefährliche zu er-setzen. Bisher scheinen dadurch aber erst Fortschritte inrelativ kleinen Schritten erzielt worden zu sein. Auch ist,aufgrund unzureichender oder fehlender Tests, in manchenFällen noch unklar, ob die als Ersatz vorgeschlagenen Na-nomaterialien tatsächlich wesentlich sicherer sind als dieStoffe, die sie ersetzen sollen.

Pestizide sollen Pflanzen vor Schädlingen wie Insekten,Mikroorganismen oder Nematoden schützen. Durch dieAnwendung von Nano-Pestiziden könnte trotz einer ge-ringeren Wirkstoffmenge eine bessere Wirksamkeit erzieltwerden. Derzeit werden derartige Produkte weiterhin be-züglich einer Nutzen- und Risikoabwägung erforscht undsind noch nicht marktfähig. Allerdings würde eine Aus-weitung des ökologischen Landbaus eine weitaus höhereEinsparung erbringen, da dort chemische Pestizide generelluntersagt sind.

Nanotechnik-basierte Beschichtungen können durch dieReduzierung der notwendigen Beschichtungsdicken, dieSenkung des Lösemittelanteils sowie des Anteils an toxi-schen Verbindungen (wie z. B. Chromverbindungen) in derLackapplikation zur Entlastung der Umwelt beitragen.Selbstreinigende bzw. leicht zu reinigende Oberflächenkönnen zudem den Reinigungsaufwand und damit denVerbrauch von Energie und potenziell schädigenden Rei-nigungsmitteln reduzieren und außerdem die Lebensdauerdes zu schützenden Gegenstandes verlängern.

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Umweltvorteile von Verpackungen mit Nanomaterialienliegen im Bereich der Gewichtsverringerung und Materi-aleinsparung. Allerdings sind auch Einschränkungen derRecyclingfähigkeit denkbar. Auch die Freisetzung von Na-nomaterialien aus der Verpackung insbesondere bei einerunsachgemäßen Entsorgung, ist nicht auszuschliessen.

Nanotechnologische Anwendungen im Automobilsektorbetreffen neben den bereits besprochenen Energiespeicher-systemen für die Elektromobilität eine Vielzahl von Kom-ponenten. So kann der Treibstoffverbrauch und damit auchder Schadstoffausstoß z.B. durch die Verringerung des Fahr-zeuggewichts und der Reibungsverluste gemindert werden.

In die gleiche Richtung wirken bessere Laufeigenschaftenvon Reifen und die Zugabe von Nano-Treibstoffzusätzen,welche die Verbrennung effizienter machen. Durch dieVerwendung von Nanomaterialien beim Abgaskatalysatorkann eine Materialersparnis von 70 bis 90 Prozent erreichtwerden. Nano-basierte Oberflächenbeschichtungen ver-sprechen einen verbesserten Korrosionsschutz, mithilfenano-basierter Öle und Schmierstoffe wird verringerterVerschleiß und der Verzicht von giftigen Materialien er-reicht und somit auch zur Schonung wichtiger Ressourcenbeigetragen.

Der Zusatz von Nano-Silizium (Nano-Silica) in Reifen istmittlerweile weltweiter Standard. Ein Nano-Anteil von üblicherweise ca. 10 Prozent verringert dabei den Rollwi-derstand um ca. 20 Prozent, erhöht die Haftung um ca. 12 Prozent und reduziert dadurch auch den Bremsweg umca. 10 Prozent. In einer vergleichenden Ökobilanz konnteauch eine Umweltentlastung um ca. 5 bis 10 Prozent errechnet werden. Allerdings gelangt Nano-Silica durchden Reifenabrieb in die Umwelt, durch eine kontinuierlichhohe Eintragsmenge könnte es langfristig zu umwelt-schädlichen Konzentrationen kommen. Es ist daher zu be-

mängeln, dass mögliche Umwelt- oder Gesundheitsaus-wirkungen von Nano-Silica aus Reifenabrieb bisher nichtsystematisch erfasst und weitergehend untersucht werden.Auch Carbonblack (= Industrieruß), ein weiterer relevanterBestandteil von Autoreifen, liegt weitgehend in Nanoformvor, so dass der Reifenabrieb mittlerweile zu gut einemDrittel aus Nanopartikeln besteht.

Nanotechnologie und Nanomaterialien bieten auch im Be-reich der Bauwirtschaft und der Architektur neue Mög-lichkeiten. Infrage kommen derzeit vor allem vier Bereiche:zementgebundene Baustoffe, Lärm- und Wärmedämmungbzw. Temperaturregelung, Oberflächenbeschichtungen zurVerbesserung der Funktionalitäten diverser Materialien so-wie Brandschutz. Allerdings spielen Nano-Baustoffe vor-nehmlich aufgrund der hohen Kosten bislang keine Rolle.

Umweltfreundlichere Produktion? Nanomaterialien haben den Ruf, höhere Effizienzwerte beivielen Produkten zu ermöglichen, da sie oft leichter undwiderstandsfähiger als die Materialien sind, die sie ersetzen.Die Produktion von Nanomaterialien kann aber unerwartetgroße Auswirkungen auf die Umwelt haben, da für hochspezialisierte Produktionsumgebungen viel Energie undWasser sowie giftige Chemikalien benötigt werden. Ohnespezifische Bilanzierungen können daher keine verlässlichenAngaben über Nachhaltigkeit und/oder Umweltfreundlich-keit gemacht werden. Bislang liegen leider nur sehr wenigederartiger aussagekräftiger Studien vor.

In einer Fallstudie zum Ersatz von Carbon Black durch Koh-lenstoffnanoröhren (CNT) in Plastikteilen im Fahrzeugbauwurde deutlich, dass sich keine ökologischen Vorteile er-geben, wenn nicht gleichzeitig absolute Gewichtsreduzie-rungen des Gesamtplastikteils realisiert werden können.Erst bei einer gleichzeitigen Gewichtseinsparung von ca. 5Prozent nähern sich die untersuchten Szenarien hinsichtlich


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ihrer Umweltwirkungen an. Ursache ist insbesondere derhöhere Energieaufwand zur Herstellung von CNT.

In einer weiteren Studie wurde an zwei Fallbeispielen derNano-NachhaltigkeitsCheck des ÖkoInstituts angewandt.Die Betrachtung einer Oberflächenbeschichtung für Glasmit hoher UV-Schutz wirkung ergab für das mit Nano-Zinkoxid beschichtete Glas eine deutlich bessere Wirk-samkeit und längere Haltbarkeit. Der CO2-Fußabdruck ver-ringerte sich um rund ein Drittel gegenüber einemkonventionellen UV-Schutzglas. Als mögliches Risiko wurdejedoch die Entsorgung des Nano-Abfalls bewertet.

Die Beurteilung eines Betonbeschleunigers zeigte diedeutlich schnellere Aushärtung von Beton durch Zusatzvon Nanopartikeln und ergab somit ein deutliches Ener-gieeinsparungspotenzial. Entscheidend waren am Ende je-doch die sehr hohen Zusatzkosten der Betonbeschleuniger,die somit eine größere Markteinführung behindern.

In einer Untersuchung einer Solaren Wasserbehandlungmit Einsatz von Nano-Titandioxid für die Photokatalyseergab sich langfristig ein negativer Umwelteffekt gegen-über vergleichbaren Behandlungen. Maßgeblich war diemit zunehmender Laufzeit steigende Umweltbelastungdurch das Titandioxid. Neben dem hohen Ressourcen-Ver-brauch für die Herstellung mussten auch mögliche schä-digende Auswirkungen auf die aquatische Umwelt in Be-tracht gezogen werden.

Beim Vergleich eines PKW-Kombinationsfilter mit Na-nofaserbeschichtung mit einem herkömmlichen Kombi-nationsfilter zeigte die Ökobilanz geringe Vorteile des na-notechnischen Produktes auf.

Fazit: Ob durch den Einsatz nanotechnologischer Lösungen letzt-lich ein Umweltbelastungs- oder Umweltentlastungseffektauftritt, lässt sich nur anhand von konkreten ökobilanziel-len Betrachtungen erkennen. Entsprechende Untersuchun-gen existieren jedoch leider nur für wenige Anwendungen.In der Regel ist nicht bekannt, ob und wenn in welchenMengen Nanomaterialien verwendet werden. Die Anwen-dung in End-of-Pipe-Technologien oder lediglich der Ersatzvon giftigen Stoffen durch weniger schädliche Stoffe kannnicht von vornherein als umweltfreundlich oder nachhaltigbezeichnet werden. So wäre auch für Nano-Pestizide voll-ständiger Verzicht wie im ökologischen Landbau die nach-haltigere Lösung.

Auf der Suche nach alternativen Werkstoffen. Foto: polymanu/shutterstock.com


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Seit der industriellen Revolution hat sich unsere Gesell-schaft darauf konzentriert, ökonomisches Wachstum zuschaffen. Dieses Wachstum wurde einerseits durch neueTechnologien ermöglicht, andererseits aber auch durchdie beispiellose Erhöhung des Verbrauchs begrenzter, nichterneuerbarer Ressourcen, durch die großflächige Trans-formation von Ökosystemen zu Kulturland sowie durchdie Nutzung der Umwelt als Senke für Rückstände vonProduktion und Konsum. Technologische Innovationenstehen als Fortschrittsmotor im Zentrum der Wachstums-förderung und werden zum Anbieter von Lösungen fürdie Probleme der Menschheit erhoben.

Kann die Nanotechnologie ihre Versprechen halten? Auch die Nanotechnologie wird als Lösungsansatz füreine Vielzahl drängender Umweltprobleme gesehen. Beinäherer Betrachtung konnten bislang jedoch die wenigstendieser Versprechungen eingehalten werden. Ob es umWasseraufbereitung, die Sanierung von Altlasten oderpreiswerten Solarstrom geht: In vielen Fällen sind die an-gekündigten nanotechnologischen Lösungsansätze erst inder Pilotphase oder werden gerade erst im Feld erprobt.Ein kommerzieller Einsatz auf weltweiter Ebene könntein vielen Fällen allenfalls in etwa 5 bis 10 Jahren möglichsein. In einigen Fällen könnten die in Entwicklung be-findlichen nanotechnologischen Produkte tatsächlich zueiner Umweltentlastung führen, in anderen erscheint diesfraglich, wenn man ihren gesamten Lebenszyklus betrach-tet. Die Frage lautet also: Welche Rolle können technische

Innovationen und insbesondere die Nanotechnologie aufdem Weg in eine nachhaltige Zukunft spielen?

Grüne Nanotechnologie »Grüne Chemie« und »Grüne Technologie« versuchen miteiner Kombination von Entwicklungs- und Verarbeitungs-prinzipien zu einer nachhaltigeren Produktion beizutragen,beispielsweise indem sie gefährliche Inhaltsstoffe mög-lichst vermeiden, bei niedrigen Temperaturen produzierenund dadurch Energie sparen. Außerdem spielt die Nutzungvon erneuerbaren Energiequellen und die Berücksichtigungder Umweltbilanz über den gesamten Lebenszyklus einewichtige Rolle bei der Entwicklung und Gestaltung vonMaterialien und Produkten. Im gleichen Maße versuchtdie »Grüne Nanotechnologie« diese Ideen und Ziele nichtnur zu verfolgen, um Nanoprodukte bereitzustellen, dieLösungen für Umweltprobleme bieten, sondern diese Na-nomaterialien und –produkte auch in einer Art und Weiseherzustellen, die übermäßige Auswirkungen auf die Um-welt oder die menschliche Gesundheit vermeidet. Wenndiese Prinzipien sorgfältig angewendet werden, könntedie »Grüne Nanotechnologie« zu Herstellungsverfahrenführen, die umweltfreundlicher und energieeffizienter alsdie herkömmlichen sind.

Wachstumsparadigma in Frage stellen Es erscheint notwendig, dass nicht nur unsere Produkti-onsweisen »grüner« werden müssen, sondern auch unserWirtschaftsmodell insgesamt überdacht werden muss, um

Die Rolle der Nanotechnologie für eine

nachhaltige Zukunft

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unsere Gesellschaft fit für die Zukunft zu machen. So zei-gen die bisherigen Erfahrungswerte, dass Effizienzsteige-rungen in der Regel nicht zu einer Reduktion des Ener-gie- und Rohstoffverbrauchs in absoluten Zahlen führen:Anstelle von Einsparungen zugunsten der Umwelt könnenEffizienzerhöhungen sogar zu einer Ausweitung der Pro-duktion und des Konsums führen, weil sie etwa Produkteerst preisgünstig machen. Das liegt am so genannten „Re-bound-Effekt“.

Die erhöhte Effizienz sorgt zwar für Energieeinsparungen,aber diese technische Innovation wird etwa durch mengen-mäßigen Mehrverbrauch oder aufwendigere Produkte über-kompensiert, wodurch die Entlastungseffekte für die Umweltganz oder teilweise wieder aufgehoben werden. Neben derFörderung »grüner Technologie« gilt es daher auch dasWachstumsmodell der westlichen Industrienationen auf denPrüfstand zu stellen und nach Alternativen zu suchen.

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Der Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland istmit über 620.000 Mitgliedern und Förderern einer dergrößten Umweltverbände in Deutschland. Bereits seit2004 beschäftigt sich der BUND mit den Chancen undRisiken der Nanotechnologien.

In unserem Fokus stehen dabei vor allem Anwendungender Nanotechnologie, bei denen Verbraucher*innen oderdie Umwelt direkt in Kontakt mit Nanomaterialien kom-men können (wie zum Beispiel bei Lebensmitteln und Ver-packungen, Küchen- und Haushaltsartikeln, Textilien undKosmetika) oder die einen besonderen Nutzen für denUmweltschutz versprechen (wie Energiespeichersysteme).

Um zur öffentlichen Debatte über die Nanotechnologiebeizutragen, informiert der BUND Verbraucher*innen überdie Chancen und Risiken der Nanotechnologie durch Bro-schüren, Faltblätter, Pressearbeit und eine ausführlicheInternetrubrik zum Thema.

Zugleich sucht der BUND den Kontakt mit Entscheidungs-träger*innen aus Politik und Wirtschaft, um die weitereEntwicklung der Nanotechnologie auch aktiv zu beein-flussen. Dazu beteiligt sich der BUND am Nanodialog derBundesregierung und anderen Stakeholder-Dialogen undversucht Politiker*innen auf nationaler und europäischerEbene, seine Meinung näher zu bringen. Auch in den

Normungs gremien des DIN ist der BUND beteiligt, wennes um Standardisierungsfragen rund um die Nanotechno-logie geht.

Diese vielseitigen Aktivitäten wären nicht möglich ohneden Einsatz vieler ehrenamtlicher BUND-Aktiver, welchesich regelmäßig in der Arbeitsgruppe „Nanotechnologien“des Bundesarbeitskreises „Umweltchemikalien/Toxikologie“treffen.

Ziel aller Aktivitäten ist ein verantwortungsvoller Umgangmit der Nanotechnologie. Dort, wo die Nanotechnologietatsächlich Chancen für den Umweltschutz und die Ver-braucher*innen bietet, sollten diese genutzt werden, al-lerdings nur dann, wenn mögliche Chancen die Risikenüberwiegen. Daher setzt sich der BUND für eine strikteAnwendung des Vorsorgeprinzips ein: Nanomaterialiensollten in verbrauchernahen und umweltoffenen Anwen-dungen nicht verwendet werden, bis• wirksame gesetzliche Regelungen in Kraft sind, die die

Anwendung kontrollieren, • Daten zur Risikobewertung vorliegen, die die Sicherheit

belegen, und • Verbraucher*innen selbst entscheiden können, ob sie

solche Produkte kaufen möchten.

Nanotechnologie – Forderungen und Ziele

des BUND

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Hierzu müssen die vorhandenen Regelwerke auf die Not-wendigkeit für spezifische Regelungen für Nanomaterialienüberprüft und ergänzt werden. Um die Markttransparenzzu stärken, fordert der BUND die Einführung einer gene-rellen Melde- und Kennzeichnungspflicht. Alle Produkte,die Nanomaterialien enthalten, sollten in einem öffentlichzugänglichen Produktregister erfasst sein. Bei verbrau-chernahen und umweltoffenen Anwendungen muss dieVerwendung von Nanomaterialien außerdem auf Produkt-verpackungen oder Geräten deutlich zu erkennen sein.

Forderungen an den Gesetzgeber

Keine Daten – kein MarktAlle gesetzlichen Regelwerke müssen nano-spezifische Re-gelungen enthalten, z.B. für nano-spezifische Sicherheits-tests. Solange keine ausreichenden Daten vorgelegt werden,die mögliche Gefahren für die menschliche Gesundheitund/oder Umwelt hinreichend sicher ausschließen und einesichere und dem Prinzip der Vorsorge folgende Verwendungdemonstrieren, darf ein Produkt nicht vermarktet werden.

Nanomaterialien sind als Neustoffe zu behandelnAlle Nanomaterialien müssen auch chemikalienrechtlichals Neustoffe eingestuft werden und spezifisch für sieentwickelte Sicherheitstests und Risikobewertungen fürUmwelt und Gesundheit durchlaufen. Die Risikobewertungmuss dem Vorsorgeprinzip folgen und sich auf den ge-samten Lebenszyklus der entsprechenden Produkte er-strecken. Auch die möglichen sozialen und wirtschaftli-chen Auswirkungen müssen berücksichtigt werden.

Sicherheitsdaten zur Verfügung stellenAlle für die Sicherheitsbeurteilung relevanten Daten undInformationen, einschließlich angewandter Methoden,Verwendungszweck, Ergebnissen von Sicherheitstests und

Risikoabschätzungen, müssen der Fachöffentlichkeit zu-gänglich gemacht werden.

Kennzeichnungspflicht schaffenAlle Produkte, die synthetische Nanomaterialien enthalten,müssen eindeutig gekennzeichnet werden. Dies gilt auchfür Agrochemikalien, die synthetische Nanomaterialienenthalten.

Erweiterung der Definition für NanomaterialienMaterialien sollen auch dann einer nanospezifischen Re-gulierung unterworfen werden, wenn sie in allen Dimen-sionen größer als 100 Nanometer sind, aber in ihren Ei-genschaften den Materialien unter 100 Nanometervergleichbar sind und sich in ihrem Verhalten grundlegendvon größeren Partikeln des gleichen Stoffes unterscheiden.Dieses ist in vielen Fällen für Materialien bis zu 300 Na-nometer der Fall. Bei Vorliegen entsprechender Daten überGesundheits- und Umweltrisiken sowie spezifischer Ei-genschaften auch noch größerer Partikel muss diese De-finition gegebenenfalls noch weiter angepasst werden.

Ausreichend Mittel zur Erforschung der Risiken bereitstellenDie Fördermittel für die Erforschung der möglichen Risikensind auf eine Höhe von ca. 10 bis15 Prozent der gesamtenFördermittel für die Nanotechnologie anzuheben. Außer-dem sollte bei der Vergabe von Fördermitteln verstärktdarauf geachtet werden, dass Projekte gefördert werden,die einen gesellschaftlichen und ökologischen Mehrwertversprechen. Zusätzlich sollte sich Firmen, die sich umeine staatliche Förderung bewerben, den „Prinzipien füreine verantwortungsvollen Umgang mit der Nanotech-nologie“ verpflichten, die im Rahmen des Nanodialogsder Bundesregierung erarbeitet und von der NanoKom-mission verabschiedet wurden.


Impressum:Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland e. V (BUND) · Friends of theEarth Germany · Kaiserin-Augusta-Allee 5 · 10553 Berlin · Tel.: 0 30 / 2 75 86-40Fax: 030 / 27586-4 40 · Text und Konzept: Erik Petersen, Dr. Rolf Buschmann

Fotos: Titel: istock.com/woolzian · V.i.S.d.P.: Antje von Broock · Gestaltung: N &Umwelt GmbH · Berlin, Druck: Z.B.!, Köln · Februar 2019

Förderhinweis: Dieses Projekt wurde gefördert durch das Umweltbundesamtund das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit.Die Mittelbereitstellung erfolgt auf Beschluss des Deutschen Bundestages. DieVerantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autorinnenund Autoren.

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Nanotechnologie: Lösung für unsere Umweltprobleme?€¦ · 3 Nanoobjekte unterteilt nach der Form: • Nanopartikel: Alle drei Dimensionen im Nanobereich (d. h. kugelförmig) •