Nanotechnologien für den Umweltschutz PDF-Datei

Nanotechnologien für denUmweltschutzGerd Bachmann, Vera Grimm, Andreas Hoffknecht, Wolfgang Luther,Christiane Ploetz, Günter Reuscher, Olav Teichert, Axel Zweck

2010

2015

2020

Zukünftige Technologien Consulting

Nanotechnologien für den Umweltschutz

Gerd Bachmann, Vera Grimm, Andreas Hoffknecht,Wolfgang Luther, Christiane Ploetz, Günter Reuscher,Olav Teichert, Axel Zweck

Herausgeber:Zukünftige Technologien Consulting der VDI Technologiezentrum GmbH Graf-Recke-Str. 84 40239 Düsseldorf

im Auftrag und mit Unterstützung des

Bundesministeriums für Bildung und Forschung

Diese Studie entstand im Rahmen des Vorhabens „Innovationsunterstützende Maßnahmen für die Optischen Technologien“ (Laufzeit: 01.01.2005 - 31.12.2007, Auftragsnummer: NT 2115A) der VDI Technologiezentrum GmbH im Auftrag und mit Unterstützung des Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), Referat 513. Das BMBF hat das Ergebnis der Studie nicht beeinflust, der Auftragnehmer trägt allein die Verantwortung.

Durchführung: Dr. Gerd Bachmann

Dr. Vera Grimm

Dr. Andreas Hoffknecht

Dr. Wolfgang Luther

Christiane Ploetz

Dr. Günter Reuscher

Dr. Olav Teichert

Dr. Dr. Axel Zweck

Kontakt: Dr. Andreas Hoffknecht ([email protected])

Dank gilt den Herren Dr. Ralf Fellenberg, Dr. Marcus Heyer-Wevers und Rüdiger Wolfertz für ihre Anregungen und ihre Diskussionbereitschaft

Zukünftige Technologien Nr. 71 Düsseldorf, im Dezember 2007 ISSN 1436-5928

Für den Inhalt zeichnen die Autoren verantwortlich. Die geäußerten Auffassungen stimmen nicht unbedingt mit der Meinung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung überein.

Außerhalb der mit dem Auftraggeber vertraglich vereinbarten Nutzungsrechte sind alle Rechte vorbehalten, auch die des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen photomechanischen Wiedergabe (Photokopie, Mikrokopie) und das der Übersetzung.

Titelbild: links oben: Die Elbe (Quelle: BMU / transit / Härtrich) rechts oben: Farbstoffsolarzelle (Quelle: FhG ISE) links unten: Lithiumionenakku (Quelle: Evonic Industries AG) rechts unten: nanoporöse Membranen (Quellen: ItN Nanovation AG, S. Perera et al.)

Zukünftige Technologien Consulting (ZTC) der VDI Technologiezentrum GmbH

Graf-Recke-Straße 84 40239 Düsseldorf

Die VDI Technologiezentrum GmbH ist im Auftrag und mit Unterstützung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) tätig.

Inhaltsverzeichnis

ZUSAMMENFASSUNG 7

EINLEITUNG UND METHODISCHES VORGEHEN 13

1 BEREICHE 171.1 Wasser 17

1.1.1 Beschreibung der Problemfelder und Fragestellungen ......................... 171.1.2 Strategien und Technologieansätze ........................................................ 181.1.3 Lösungsbeiträge der Nanotechnologien................................................. 191.1.4 Trends und weitere Anwendungen.......................................................... 301.1.5 Marktpotenziale ...................................................................................... 38

1.2 Luft 401.2.1 Beschreibung der Problemfelder und Fragestellungen ......................... 401.2.2 Strategien und Technologieansätze ........................................................ 431.2.3 Lösungsbeiträge der Nanotechnologien................................................. 451.2.4 Trends und weitere Anwendungen.......................................................... 501.2.5 Marktpotenziale ...................................................................................... 53

1.3 Boden 541.3.1 Beschreibung der Problemfelder und Fragestellungen ......................... 541.3.2 Strategien und Technologieansätze:....................................................... 571.3.3 Lösungsbeiträge der Nanotechnologien................................................. 591.3.4 Trends und weitere Anwendungen.......................................................... 621.3.5 Marktpotenziale ...................................................................................... 66

1.4 Energie / Klima 671.4.1 Beschreibung der Problemfelder und Fragestellungen ......................... 671.4.2 Strategien und Technologieansätze ........................................................ 681.4.3 Lösungsbeiträge der Nanotechnologien................................................. 731.4.4 Trends und weitere Anwendungen.......................................................... 911.4.5 Marktpotenziale ...................................................................................... 98

1.5 Lärm 1011.5.1 Beschreibung der Problemfelder und Fragestellungen ....................... 1011.5.2 Strategien und Technologieansätze ...................................................... 1021.5.3 Lösungsbeiträge der Nanotechnologien............................................... 1031.5.4 Marktpotenziale .................................................................................... 104

1.6 Produktion und Konstruktion 1041.6.1 Beschreibung der Problemfelder und Fragestellungen ....................... 1041.6.2 Strategien und Technologieansätze ...................................................... 1061.6.3 Lösungsbeiträge der Nanotechnologien............................................... 1071.6.4 Trends und weitere Anwendungen........................................................ 1131.6.5 Marktpotenziale .................................................................................... 118

2 MÖGLICHE RISIKEN DER NANOTECHNOLOGIEN 121

3 BEWERTUNG UND FAZIT 131

4 ANHANG 135Patent- und Literatursituation 135Anmerkungen zur Patent- und Literaturanalyse 140Deutsche Firmen (Nanotechnologie und Umwelt) 142Deutsche Firmen (Umweltbereich) 145Wissenschaftliche Akteure in Deutschland 147Forschungsförderung (Deutschland, EU, USA) 149Tabellen- und Abbildungsverzeichnis 177Glossar und Abkürzungsverzeichnis 180Literatur 183

7

ZUSAMMENFASSUNG

Die Sicherung bzw. Verbesserung des weltweiten Wohlstandes, ohne dabei die natürliche Lebensgrundlage zu zerstören, ist eine der größten Herausforderungen dieses Jahrhunderts. Die vorliegende Studie setzt sich mit der Frage auseinander ob und wenn ja welche ökologischen und wirtschaftlichen Potenziale die Nanotechnologien für zukünftige, umwelttechnische Anwendungen bieten. Die Bereiche Wasser, Boden, Luft, Energie/Klima, Lärm und Produktion/Konstruktion sind hierbei von großer Wichtigkeit und beinhalten jeweils spezifische Fragestellungen und Probleme zu denen Nanotechnologien Lösungsbeiträge liefern können - auch wenn konkrete Produkte bisher eher die Ausnahme sind.

Wasser: Die weltweite Versorgung der Menschen mit Trink- und Brauchwasser, die langfristige Sicherung des Wasserkreislaufs und die Reduktion der Gewässerverschmutzung sind zentrale Themen dieses Bereiches. Nanotechnologien können in den strategischen Ansätzen Vermeidung und Prozess-Substitution, Aufbereitung und Filterung sowie in der Mess- und Regelungstechnik helfen, Wasserverschmutzung vorzubeugen oder zu beseitigen.

Direkte und vielfältige Einsatzmöglichkeiten bieten sich für Nanotechnologien heute insbesondere in den nachgeschalteten Reinigungsverfahren, wie z. B. der Wasseraufbereitung, der Abwasser-behandlung oder der Grundwassersanierung. Die Prinzipien der Stofftrennung und der Katalyse sind hier vorherrschende Themen. So trennen nanoporöse Membranen selektiv Schadstoffe aus dem Wasser und kommen bereits in vielen Bereichen zum Einsatz, von der Abwasserbehandlung bis zur Wasserentsalzung. Nanokatalysatoren, besonders nanoskalige Eisenpartikel und -verbindungen können dekontaminiertes Grundwasser reinigen. Auch weitere Nanomaterialien, wie z. B. magnetische Nanopartikel, werden für die Wasserreinigung untersucht. Ein weiteres wichtiges Feld ist die Analytik. Die Überwachung großer Areale in Echtzeit ist eine Herausforderung, bei der Nano- und Nanobiosensoren zu einer präziseren und zeitnahen Messung von Toxinen und Pathogenen in Wasser beitragen können. Entsprechende Sensoren könnten z. B. aus halbleitenden Nanomaterialien bestehen, biologische Erkennungsmoleküle tragen oder Quantenpunkte als Biomarker verwenden.

Luft: Die Verschmutzung der Luft durch Emission von organischen und anorganischen Verbindungen oder Stäuben hat weit reichende Auswirkungen auf Mensch und Umwelt. Treibhausgase tragen zur globalen Erwärmung und dem damit verknüpften Klimawandel bei. Atemwegs- und Herzerkrankungen sowie Allergien werden mit dem Einfluss verschiedener Luftschadstoffe in Verbindung gebracht.

Studie über die Potenziale der Nanotechnologien für den Umweltschutz

Nano im Bereich Wasser: Stoff-trennung, Katalyse und Analytik

8 Nanotechnologien für den Umweltschutz

Nanotechnologien können in den Feldern Vermeiden, Optimieren, Aufbereiten und Filtern sowie der Mess- und Regeltechnik zu wichtigen Innovationen führen. Besonders in der Luftreinigung werden Nanotechnologien derzeit intensiv untersucht. Nanokatalysatoren, allen voran nanoskaliges Titandioxid, können in Verbindung mit Sonnenlicht und Wasser eine Oxidation von luftgetragenen Schadstoffen bewirken. Titandioxid lässt sich kolloidal gelöst oder in Form von Beschichtungen, z. B. auf Kacheln, Fassadenelementen oder auch -anstrichen realisieren. Zur Luftreinigung lassen sich ebenfalls nanoskalige Cyclodextrine einsetzen, die luftgetragene Schadstoffe im Inneren ihrer käfigartigen Struktur einschließen und durch Auswaschen kontrolliert wieder abgeben können. Analog zur Sensorik im Bereich Wasser werden Nanosensoren zur Detektion von Luftschadstoffen, wie Stickstoff- oder Schwefeloxiden erforscht. Interessante Entwicklungen sind hier u. a. Gassensoren aus Kohlenstoffnanoröhren oder aus nanoskaligem Zinkoxid, die sowohl die Detektion von Luftschadstoffen als auch deren katalytische Zersetzung ermöglichen.

Boden ist eine entscheidende Ressource für die Landwirtschaft, bei der Rohstoffgewinnung oder für die Energiegewinnung durch Biomasse. Durch menschliche Eingriffe werden Böden in verstärktem Masse verunreinigt, versiegelt oder übernutzt. Die Strategien zur Lösung dieser Probleme in diesem Bereich sind Vermeiden, Optimieren sowie Reinigen/Filtern und Mess- und Regeltechnik. Nanotechnologische Anknüpfungspunkte gibt es vor allem in den Feldern Vermeiden und der Mess- und Regeltechnik bzw. der Analytik.

Die Vermeidung von Schadstoffbelastungen in Böden ist eng verbunden mit einer optimierten, minimalen Applikation von Pflanzen-behandlungsmitteln in der Landwirtschaft. Nanostrukturierte Pestizide oder Düngemittel oder auch nanoverkapselte Wirkstoffe lassen sich zielgenauer und bedarfsgerechter ausbringen als mit herkömmlichen Verfahren. Die Freisetzungsmechanismen können hierbei verschiedene Charakteristika aufweisen, wie z. B. zeitversetzt, fern- oder temperatur-gesteuert oder vorprogrammiert. Auch Nanosensoren und Sensor-netzwerke zur Überwachung verschiedener Parameter, wie Bodenfeuchte oder Temperatur können in Verbindung mit weiteren Technologien, zu einer optimierten Nutzung vorhandener Flächen führen und die Belastungen der Böden reduzieren. In der Analytik sind neben den verschiedenen Nano- und Nanobiosensoren zur Detektion von Bodenschadstoffen Verfahren zur Qualitätsüberwachung von Lebensmitteln entlang der gesamten Produktions- und Transportkette von Interesse. Eine verbesserte Überwachung von Lebensmitteln führt mittelbar zu einer geringeren Belastung von Böden, da bedarfsgerechter produziert werden kann. Hier sind vor allem diffusionsdichtere Verpackungsmaterialien mit Nanopartikeln oder in die Verpackungen integrierte Sensoren interessant.

Nano im Bereich Luft: Katalysatoren zur Luftreinigung und

sensitive Gassensoren

Nano im Bereich Boden: Nanostruk-turierte Pflanzen-behandlungesmittel

und verbesserte Analytik

Zusammenfassung 9

Energie/Klima: Der weltweite Energieverbrauch wird in den nächsten 50 Jahren Prognosen zufolge um das 1,5 bis 2,3-fache ansteigen. In einem dazu gegenläufigen Trend nimmt die Menge an nicht erneuerbaren Energieträgern, wie Erdöl oder Kohle, ab. Die Verbrennung, fast überwiegend fossiler Rohstoffe, trägt mit zum Klimawandel bei. Es bieten sich hier vielfältige Optionen, einerseits die Energiewandlung effizienter zu gestalten, andererseits den Energieverbrauch zu reduzieren sowie die Energiespeicherung voran zu treiben.

Nanotechnologien werden in allen drei strategischen Bereichen intensiv untersucht. Zur Reduktion des Energieverbrauchs gehört eine bessere Wärmedämmung, z. B. mit Nanoschäumen oder nanostrukturierten Aerogelen. Auch effizientere Lichtquellen (punktförmig oder großflächig) sind relevant Beispiele sind Leuchtdioden, organische Leuchtdioden oder Quantenpunkte. Die Optimierung des Verbrennungsprozesses ist ein weiterer Ansatzpunkt, die zur Verfügung stehende Energie besser zu nutzen. So können z. B. Nanopartikel aus Ceroxid dem Treibstoff beigemengt werden, um die Verbrennungsrate zu erhöhen. Für eine bessere Energiewandlung sind Photovoltaik-Systeme mit hohen Wirkungsgraden denkbar. Quantenpunkte könnten mit ihren einzigartigen Eigenschaften die Wirkungsgrade herkömmlicher Solarzellen deutlich erhöhen; ebenso wird den Farbstoffsolarzellen oder den organischen Solarzellen in Verbindung mit nanoskaligen Strukturen ein großes Potenzial beigemessen. So genannte Super-Gitter aus Quantenpunkten werden als hocheffiziente Thermoelektrika angesehen. Die Einsatzmöglichkeiten sind gerade in der mobilen Energieversorgung und der Elektronik sehr vielfältig. Nanotechnologische Innovationen sind auch im Bereich der Brennstoffzellen ein entscheidender Ent-wicklungsfaktor. Im Bereich der Energiespeicherung werden nano-technologische Ansätze vorrangig im Zusammenhang mit der Weiter-entwicklung von Superkondensatoren, der Wasserstoffspeicherung oder neuartigen Batteriesysteme vorangetrieben.

Lärm: ist belastend für Mensch und Umwelt. Flugzeuglärm, Straßenlärm oder auch Maschinenlärm wird als eine der am stärksten empfundenen Umweltbeeinträchtigungen angesehen. Strategien zur Lösung dieser Problematik zielen auf eine Optimierung/Schallreduktion sowie dem Filtern von Lärm ab.

Nanotechnologische Beiträge sind im Sektor Lärm bisher von untergeordneter Bedeutung. Tribologische bzw. nanotribologische Beschichtungen können die Lärmentwicklung von Maschinen mindern und den allgemeinen Lärmpegel senken. Beimengungen von Nano-Russpartikeln (so genanntes carbon black) in Autoreifen dienen neben einer verbesserten Bodenhaftung auch der Reduktion von Reifenlaufgeräuschen. Nanostrukturierte Aerogele sind neben der Wärmedämmung auch zur Schalldämmung geeignet – Geräusch-reduktionen um bis zu 5 dB sind hier möglich.

Nano im Bereich Energie: Dämmung, effiziente Licht-quellen, optimierte Verbrennung, Photovoltaik und Thermoelektrika

Nano im Bereich Lärm: Nano-technologie und Black Carbon


Produktion/Konstruktion: Mit dem für die Zukunft vorhergesagten Anstieg der Weltbevölkerung wird auch der weltweite Konsum und damit die Energie- und Rohstoffnutzung steigen. Für Unternehmen stellt sich deshalb das Problem, eine ständig steigende Nachfrage mit immer geringerem Energie- und Materialaufwand zu befriedigen. Als mögliche Strategien zur Erhöhung der Rohstoff- und Energieeffizienz in Produktionsprozessen sind vier Wege vorstellbar: Prozesse neu gestalten, Bei- und Abfallprodukte neu bewerten, Produkte neu gestalten und Märkte neu denken.

Lösungsbeiträge der Nanotechnologien sind in allen vier Lösungswegen zu finden. In der vorliegenden Studie ist vor allem die Neugestaltung von Produkten analysiert worden. Nanoskalige Beschichtungen, ein verminderter Ressourceneinsatz durch die Verwendung von Nanomaterialien oder neue integrierte Designkonzepte sind hier von Relevanz. Nanobeschichtungen können funktionalisiert werden, etwa als Schutzschicht gegen mechanische Beschädigung in der Automobil-branche oder als selbstreinigende Fassadenfarbe. Nanotribologische Schichten sorgen für eine längere Lebensdauer und nanoskalige Schichten organischer Materialien können als Korrosionsschutz eingesetzt werden. Nanopartikel in Kunststofffolien lassen weniger Gassaustausch zu und können die Haltbarkeit von Lebensmitteln verlängern. Nanokompositmaterialien werden als Werkstoffe mit einer höheren Ökoeffizienz für zahlreiche Anwendungen untersucht.

Neben den großen Chancen sind zwingend auch die möglichen Risikender Nanotechnologien für die Umwelt zu untersuchen. An diesem Punkt besteht erheblicher Forschungsbedarf, da bisher noch keine gesicherten wissenschaftlichen Erkenntnisse über Verbreitungswege, humane Aufnahmewege, Wirkweise und Humantoxizität oder Ökotöxizität bekannt sind. Verschiedene Studien, die sich schwerpunktmäßig mit Kohlenstoffnanoröhren als eines der wirtschaftlich zukunftsträchtigsten Materialien auseinandersetzen, kommen zu unterschiedlichen Aussagen über die Gefahren dieses Nanomaterials. Neben den fehlenden Untersuchungen zu Fragen der Toxizität und Exposition stehen auch weitere Schritte noch aus, wie z. B. eine Klassifikation und Standardisierung der Nanotechnologien sowie die Entwicklung geeigneter analytischer Verfahren oder regulative Vorgaben für den Einsatz von Nanomaterialien in der Produktion. Diese Defizite sind weltweit erkannt worden und Projekte zu deren Behebung werden gezielt gefördert.

Eine Analyse der Fördersituation zeigt, dass es weder in Deutschland noch in der Europäischen Union einen speziellen Förderschwerpunkt „Nanotechnologien und Umwelt“ gibt, jedoch eine ganze Reihe von Einzelprojekten mit Nano- und Umweltbezug in verschiedenen

Nano im Bereich Produktion/Kon-

struktion: Beschich-tungen und Nano-

materialien

Wenig wissen-schaftliche

Erkenntnisse zu den Risiken von

Nanotechnologien

Zusammenfassung 11

Förderprogrammen zu finden sind. Gezielt fördert z.B. die US-amerikanische Umweltbehörde EPA das Einsatz- und Risikopotenzial von Nanotechnologien im Umweltbereich.

Ein umfassender Überblick der wirtschaftlichen Potenziale der Nanotechnologien im Umweltbereich ist kaum möglich. Dies liegt einerseits am starken Querschnittscharakter der Nanotechnologien und andererseits an der Heterogenität der sechs definierten Anwendungsbereiche in der Umwelttechnik, die auch aufgrund der Redundanz nanotechnologischer Lösungspotenziale in den Einzelbereichen nicht mit einer selektiven und vor allem repräsentativen Schlagwortliste abbildbar sind.

Wenn auch das wirtschaftliche Potenzial nicht in seiner Gesamtheit seriös abgeschätzt werden kann, so haben Nanotechnologien mit Sicherheit das technologische Potenzial echte Innovationen im Umweltbereich hervorzubringen und damit zu einem nachhaltigeren Umgang mit den natürlichen Ressourcen beizutragen.

Kein dedizierter Förderschwerpunkt in D und EU

Wirtschaftliche Potenziale nicht quantitativabschätzbar

13

EINLEITUNG UND METHODISCHES VORGEHEN

Im Rahmen dieser Studie sollen die potenziellen Anwendungsgebiete von Nanotechnologien im Umweltbereich, die zu einer verbesserten Ökoeffizienz von Produkten oder Prozessen führen, dargestellt werden. Dazu gehören neben der Identifizierung der Chancen von Nanotechnologien auch das Aufzeigen möglicher Risiken für Mensch und Umwelt. Im Vergleich zu anderen Studien, die sich mit den Chancen und Risiken der Nanotechnologie im Umweltbereich beschäftigen, steht in der vorliegenden Arbeit die Perspektive des Anwenders mit seinen konkreten Problemen im Fokus der Betrachtung. Ziel ist es, Akteuren aus der Umweltbranche, die sich (noch) nicht oder nur wenig mit Nanotechnologien befasst haben, mögliche Lösungsansätze und Anwendungspotenziale näher zu bringen. Das ist umso folgerichtiger, da es als eines der größten Hemmnisse und als Ursache möglicher Gegenreaktionen gegen die Nanotechnologie angesehen wird, dass kommerzielle Anwendungen der Nanotechnologie nicht ausreichend wahrgenommen werden und unterschiedliche Aussagen zu möglichen Potenzialen und Risiken existieren [3I 2002]. Methodisch wurden dazu zunächst sechs umweltrelevante Bereiche definiert und deren spezifische Problemfelder und Fragestellungen identifiziert und allgemein charakterisiert (vgl. Abbildung 1), sowie Strategien und Lösungsansätze vorgestellt. Einige Bereiche sind hinsichtlich ihrer Problemstellungen und auch möglicher nanotechnologischer Lösungen überlappend - daher kommt es zwangsläufig zu Redundanzen und Querverweisen im Text.

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Vorgehensweise

Im Fokus dieser Studie: der Anwender aus dem Umweltbereich

6 definierte Bereiche


Für jeden Bereich folgt eine Bestandsaufnahme heutiger oder künftig möglicher nanotechnologischer Lösungen nach Möglichkeit mit Bezug zu den formulierten Problemstellungen und Lösungsansätzen. Verschiedene Kriterien dienen als Indikatoren für eine gegenüber traditionellen Methoden erhöhte Ökoeffizienz. Zu diesen Indikatoren gehören die Reduzierung der Material- und Energieintensität von Produkten, der verringerte Einsatz von giftigen Substanzen, eine gesteigerte Wiederverwendbarkeit und eine Verlängerung der Lebensdauer bzw. allgemein ein optimierter Ressourceneinsatz. Beispiele für einen verbesserten Ressourceneinsatz durch Nanotechnologien könnten eine effizientere Energiewandlung, die Einsparung von Energie durch bessere Gebäudedämmung, die Einführung ressourcensparender Produktionsprozesse oder auch der Einsatz neuartiger/verbesserter Sensoren in der Umweltanalytik sein. Ein verringerter Ressourceneinsatz kann auch bedeuten, dass Betriebsmittel eingespart werden, wie z. B. bei der Verwendung von selbst reinigenden Oberflächen oder dem Ersatz toxischer Substanzen, so dass deren Verarbeitung und Entsorgung entfällt. Einige Nanotechnologien liefern einen grundsätzlichen Beitrag zu energie- und ressourceneffizienteren Produkten und Verfahren, wie z. B. die Nanoelektronik oder die chemische Nanotechnologie. So können beispielsweise neue elektronische Bauteile auf Basis nanoelektronischer Konzepte kleiner und energieeffizienter sein als herkömmliche Systeme. Bei der Beschreibung der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten konnten die jeweiligen umweltverbessernden Potenziale in den einzelnen Anwendungsfeldern jedoch nur schwer abgeschätzt werden.

In einem nächsten Schritt werden Trends und weitere Anwendungen für jeden Bereich untersucht und an ausgewählten Beispielen aufgezeigt, an welchen Stellen nanotechnologische Ansätze bereits ökoeffizient eingesetzt werden oder das Potenzial dazu haben. Hierbei ist zu beachten, dass es bisher nur wenige konkrete Umsetzungen aus einer Vielzahl möglicher nanotechnologischer Möglichkeiten gibt. Die Nano-technologien sind in der Umwelttechnik noch wenig verbreitet, jedoch gerade im Wasser- und Energiesektor werden damit sehr große Hoffnungen und Erwartungen verbunden. Bisher existieren nur für sehr wenige Produkte oder Verfahren umfassende Lebenszyklusanalysen, die eine exakte Abschätzung der Ökoeffizienz ermöglichen, wie eine BMBF Studie zu Nanotechnologie und Nachhaltigkeit [Steinfeld 2004] aufzeigt.

Um ein ausgewogenes Bild der Nanotechnologien im Umweltbereich zu erhalten, darf eine Auseinandersetzung mit den möglichen Risiken, die diese neuen Technologien mit sich bringen könnten, nicht fehlen. Bisher sind nur wenig gesicherte Erkenntnisse über Toxikologie und Wirkungen von nanoskaligen Materialien verfügbar. Deshalb wird in dieser Studie bewusst darauf verzichtet, für jeden einzelnen der sechs Bereiche und den darin aufgeführten nanotechnologischen Ansätzen eine kontroverse Debatte zu führen. Vielmehr werden in einem separaten Abschnitt die

Bestandsaufnahme von Nanotechnologien

in den Bereichen

VerschiedeneIndikatoren für eine höhere Ökoeffizienz

Nächster Schritt: Trends und

Anwendungen

Darstellung der Risiken

Einleitung und methodisches Vorgehen 15

potenziell negativen Auswirkungen, insbesondere von Nanopartikeln im Allgemeinen dargelegt.

Daran anschließend folgt eine Bewertung und Analyse der Stärken und Schwächen Deutschlands im internationalen Vergleich. Hierbei sollen Schwerpunkte identifiziert und der weitere Forschungsbedarf aufgezeigt werden. Im Anhang finden sich Zusammenstellungen von: deutschen Nanotechnologiefirmen mit Bezug zum Umweltsektor, deutschen KMU aus der Umweltbranche, die bisher noch keine Nanotechnologien verwenden und von wissenschaftlicher Akteuren, die die deutsche Nano-Forschungslandschaft bevölkern. Es folgt eine Analyse der Fördersituation mit den Schwerpunkten Deutschland, Europäische Union und USA sowie eine Patent- und Literaturanalyse.

Abschließend sei vermerkt, dass diese Studie keinen Anspruch auf Vollständigkeit erhebt, sondern vielmehr einen repräsentativen Querschnitt möglicher umweltrelevanter Problemstellungen und der sich daraus ergebenden nanotechnologischen Lösungsansätze für die Umwelttechnik bieten soll.

Abschließend:Stärken-Schwächen-Analyse, Förder- und Patentsituation

17

1 BEREICHE

Es werden sechs verschiedene Bereiche definiert: Wasser, Luft, Boden, Energie/Klima, Lärm und Produktion/Konstruktion. Jeder einzelne Bereich hat eine spezifische, teils vitale Bedeutung für den Menschen und beherbergt ganz eigene Probleme und Fragestellungen.

1.1 Wasser

1.1.1 Beschreibung der Problemfelder und Fragestellungen

Wasser spielt für den Menschen eine zentrale Rolle bei der Ernährung, Gesundheit, in der Landwirtschaft (Bewässerung) sowie als Lösungs-mittel in der industriellen Fertigung. Auch für andere Bereiche, wie der Energiegewinnung, spielt Wasser eine zentrale Rolle. Die größten umweltrelevanten Herausforderungen im Wasserbereich lassen sich grob in drei Bereiche unterteilen:

Versorgung der Menschen mit Trink- und Brauchwasser in aus-reichender Qualität und Menge: Global haben etwa 1,2 Mrd. Menschen keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser, was zu Gesundheitsproblemen und einer hohen Kindersterblichkeit beitragen kann. In den meisten Industriestaaten ist die Trinkwasserversorgung in ausreichender Menge und Qualität gesichert; oft muss jedoch ein großer Aufwand für die Aufbereitung und Reinigung betrieben werden. Insbesondere in Trockengebieten (z. B. Südspanien) kommt es häufig zu Versorgungsengpässen, die durch eine intensive Bewässerungs-landwirtschaft verstärkt werden. Die Meerwasserentsalzung stellt einen Spezialfall der Trinkwassergewinnung dar, der v. a. in der Golfregion praktiziert wird und zunehmende Bedeutung erlangt.1

Langfristige Sicherung des Wasserkreislaufs und des Wasser-haushalts: Dazu zählt der Erhalt wichtiger Funktionen der natürlichen Gewässer, wie Grundwasserneubildung, Selbstreinigungs-leistung und Hochwasserregulation. Nur ein Fünftel der Gewässer in Deutschland befinden sich in einem naturnahen Zustand [BMU 2006]. Global gesehen werden etwa 70 % des Süßwassers durch die Landwirtschaft verbraucht, in Industrieländern liegen Landwirtschaft und Industrie bei etwa 40 %, gefolgt von den privaten Haushalten mit 10 - 20 % [WRI 2002].

Reduktion der Gewässerverschmutzung. Abwässer aus Landwirt-schaft, Industrie und privaten Haushalten werden - mehr oder weniger gereinigt in natürliche Gewässer eingeleitet und sorgen dort für eine

1 http://www.dme-ev.de/default.asp

Drei große Herausforderungenim Bereich Wasser

Versorgung der Menschheit mit Trink- und Brauchwasser

Sicherung der Wasserkreisläufe


Belastung mit organischen und anorganischen Schadstoffen. Weitere gewässerbelastende Einträge erfolgen diffus aus der Luft und wirken z. B. gewässerversauernd. In den letzten Jahrzehnten hat sich die Gewässerverschmutzung immer mehr von punktuellen Quellen (kommunale und industrielle Abwässer) hin zu diffusen Quellen (z. B. Nitrat und Pestizide aus der Landwirtschaft) verlagert.

1.1.2 Strategien und Technologieansätze

Zur Lösung dieser Herausforderungen lassen sich grob drei Strategien unterscheiden, die jeweils unterschiedliche Technologieansätze erfordern und an verschiedenen Stufen der Wertschöpfungskette ansetzen:

Vermeidung und Prozess-Substitution: Jeder Liter Wasser, der nicht verwendet wird, muss auch nicht gereinigt werden. Da die Abwasserreinigung ein aufwändiger Prozess ist, kann es sich durchaus lohnen, den Einsatz von Prozesswasser komplett zu vermeiden, zumal dadurch oft gleichzeitig Energie eingespart werden kann. So wird z. B. derzeit in der Textilindustrie daran geforscht, Wasser als Trägersubstanz für Farbstoffe durch überkritisches CO2 zu ersetzen.

Optimierung: Der Einsatz von nur leicht verschmutztem Brauchwasser in Haushalten und in der industriellen Produktion und eine damit Kläranlagen zu verringern und so deren Effizienz zu erhöhen. Beispiele für eine geringere Schadstoffbelastung beinhalten z. B den Einsatz von Aluminiumabfall anstelle von Bauxit bei der Aluminiumherstellung. Hierbei kann der Wasserbedarf (insbesondere bei der Energieerzeugung) um 97 % gesenkt werden. Auch gezielte und am Bedarf der Kulturpflanzen orientierte Stickstoffdüngung in der Landwirtschaft kann den Nitrateintrag ins Grundwasser verringern und so die Kosten für die Aufbereitung senken.

Aufbereiten/Filtern: Diese Technologien kommen zum Einsatz, wenn Wasser im Prozess bereits verunreinigt wurde und nachträglich so von den enthaltenen Schadstoffen befreit werden soll, dass es gemäß der geltenden Gesetze wieder in die Oberflächengewässer eingeleitet werden kann. Auch die Wasseraufbereitung, die Wasserdesinfektion und die Wasserentsalzung sind hier von Bedeutung. Wichtige Technologien umfassen die Membran- und Filtertechnologien, biotechnologische Verfahren, aber auch Verfahren aus dem Anlagenbau.

Mess- und Regeltechnik: Bei der Überwachung von Abwässern und Reinigungsprozessen ist ein vielfältiges Spektrum an Mess- und Regeltechnologien zur Erfassung organischer und anorganischer Verunreinigungen im Wasser erforderlich.

Reduktion der Gewässerver-

schmutzung

Drei Strategien zur Lösung der

Herausforderungen

Vermeiden/Substituieren: z. B. Wasser

ersetzen durch überkritisches CO2

Optimieren: z.B. Aluminiumabfall

recyclen anstatt Bauxit abbauen

Aufbereiten/Filtern: Reinigen und

Entsalzen von Wasser

Bereiche 19

1.1.3 Lösungsbeiträge der Nanotechnologien

Im Wassersektor ergeben sich etliche Anknüpfungspunkte für den ökologisch sinnvollen und vorteilhaften Einsatz von nano-technologischen Innovationen. Heute werden in der Wasserreinigung und -aufbereitung nanoskopische Materialien bereits vereinzelt eingesetzt. Dies gilt insbesondere für nanoporöse oder nanobeschichtete Membranen und katalytische Nanopartikel zur Grundwassersanierung oder in der Prozesstechnik. In den meisten anderen Bereichen befinden sich die im Folgenden vorgestellten Nanotechnologien im Entwicklungs- oder Prototypen-Stadium. Mittel- bis langfristig könnte der Wassersektor neben dem Energiesektor mit am stärksten von innovativen Nanotechnologien profitieren. Darauf deutet auch die große Anzahl an Publikationen sowie die außerordentliche globale Tragweite dieses Themenfeldes hin.

Vermeiden und Prozess-Substitution: Wasser jeglicher Qualität sollte eingespart und Abläufe soweit optimiert werden, dass der Wasserbedarf minimal wird. Prozessintegrierte Maßnahmen im industriellen Umfeld dienen der Minimierung oder im günstigsten Fall - der gänzlichen Vermeidung von Wasser. Traditionelle Technologien beinhalten die Kreislaufführung, die teilstromspezifische Wasserbehandlung, die Lebensdauerverlängerung der Produkte oder die Umstellung von Abläufen und Synthesen. Nanotechnologien könnten an all diesen Stellen für ökoeffizientere, wassersparendere Verfahren eingesetzt werden. Beispielsweise ist die Substitution von Wasser als Lösungsmittel zur Vermeidung von Abwasser und zur Minderung des Wasserverbrauchs von Interesse. Die lösungsmittelfreie Pulverbeschichtung von Werkstoffen ist neben dem Einsatz überkritischer Fluide oder ionischer Flüssigkeiten eine Möglichkeit das Lösungsmittel gänzlich zu vermeiden. Da eine Pulverbeschichtung nur auf elektrisch leitenden Werkstoffen möglich ist, könnte eine dünne Schicht eines leitenden Nanomaterials aufgebracht werden und für die Pulverbeschichtung die Grundlage bilden [ETAG 2006].

Organische (halogenierte) Lösungsmittel können Gewässer stark belasten und Abwässer müssen entsprechend aufwendig gereinigt werden. Als Ersatz für diese Lösungsmittel werden Nanoemulsionen, also Öl-Wasser-Emulsionen im Submikron-Bereich, untersucht und in der Kosmetik-Branche und im medizinisch-pharmazeutischen Bereich für die Wirkstoffapplikation bereits eingesetzt. Eine Verwendung im Reinigungsbereich als Ersatz für halogenierte Lösungsmittel wird diskutiert [Acosta 2005].

Nanotechnologien können in verschiedenen weiteren Bereichen der Produktion (vgl. Kapitel 1.6.3 - Produktion und Konstruktion) und auch im landwirtschaftlichen Bereich (vgl. Kapitel 1.3.3 - Boden) ökologisch sinnvoll eingesetzt werden und zu deutlichen Einsparungen von Wasser führen.

Nanotechnologien meist im Entwicklungs- und Prototypen Stadium

Vermeiden: z. B. Nano-Pulver-beschichtungen

Substituieren: z. B. Nanoemulsionen


Aufbereiten und Filtern: Direkte und vielfältige Einsatzmöglichkeiten bieten sich für Nanotechnologien in den nachgeschalteten (end-of-pipe) Reinigungsverfahren, wie der Wasseraufbereitung, der Wasser-desinfektion, der Grundwassersanierung und der Abwasserbehandlung. Besonders die Prinzipien der Stofftrennung und Katalyse sind neben neuartigen Nanomaterialien im Wassersektor von Interesse.

Abbildung 2: Technologien zur Reinigung und Aufbereitung von (Ab-)Wasser

Stofftrennung: Stoffgemische können mit physikalischen Trenn-verfahren, wie der Filtration, Adsorption, Magnetseparation oder Sedimentation getrennt werden. Für wässrige Lösungen mit nanoskaligen Partikeln sind auch thermische Trennverfahren2 geeignet, deren Trennmechanismus überwiegend auf diffusiven und konvektiven Stofftransportvorgängen beruht. In der Wasserreinigung sind insbesondere Membranverfahren wichtig. Sie trennen druckgetrieben und selektiv Stoffe entsprechend ihrer Größe, Ladung oder anderer Eigenschaften mit Hilfe semipermeabler Membranen (vgl. Abbildung 3). Je nach Größe des zu trennenden Stoffes, handelt es sich um eine mechanische oder thermische Trennung. Die Mikro-(MF) und die Ultrafiltration (UF) trennen kolloidal oder molekular dispers gelöste Partikel bis zu einer Größe von 2 nm bis ca. 10 nm. Während die Nanofiltration (NF) und die Umkehrosmose (reverse osmosis, RO) auch gelöste organische und anorganische Substanzen mit einer Größe < 2 nm (nach IUPAC Empfehlung) zurückhalten können, die mit nicht-chemischen Trennverfahren sonst nur schwer zu separieren sind.

2 Trennverfahren, die auf der Einstellung eines thermodynamischen Phasengleich-gewichts beruhen

Aufbereiten: z. B. Stofftrennung

Membranverfahrentrennen Stoffe nach

ihrer Größe

Bereiche 21

Abbildung 3: Trenngrößen und Molekulargewicht für die verschiedenen Trennverfahren (Quelle: EnTec)3

Bei der Nanofiltration werden fast ausschließlich mehrwertige Ionen abgetrennt, während einwertige Ionen, wie Nitrate und Fluoride nur mit einer Umkehrosmose beseitigt werden können [Samhaber 2005]. Daher wird die Umkehrosmose bevorzugt in der Wasserentsalzung eingesetzt. Als Membranmaterialien kommen Polymere mit nanoskaligen Poren (auch gefüllt mit funktionalen polymeren Flüssigkeiten), nanoporöse Zeolithe, Lehme, Keramiken, Nanonetze oder Nanofasern in Frage [GDNP 2006]. Membranen, die aus regelmäßig angeordneten Kohlenstoffnanoröhren bestehen, sind für eine effizientere Wasserentsalzung in der Diskussion [Srivastava 2004, Casavant 2002].

Die Nanofiltration hat sich in den letzten 25 Jahren zu einem schonenden und selektiven Trennverfahren für wasserlösliche Produkte in der Prozesstechnik entwickelt und findet zunehmend Verwendung in der Abwasserbehandlung, der Wasseraufbereitung und der Wasser-desinfektion. Verschiedene Ansätze beschäftigen sich explizit mit der Entfernung von pathogenen Organismen, wie z. B. der Filtration von Viren mit doppellagigen nanoporösen Membranen4 oder der Abtrennung von Bakterien mit Aluminiumoxid-Nanofasern 5. Große Nachteile von NF- (und anderen) Membranen, insbesondere in der Wasserbehandlung, sind Scaling6- und Fouling-Prozesse7, die die Lebensdauer der Membranen verkürzen. Um die Anlagerung von Stoffen und Organismen zu minimieren und die Lebensdauer zu erhöhen, werden Beschichtungen mit nanoskaligen Partikeln untersucht.

3 http://www.nano-umwelt.de/uploads/media/MARKUS_GRAFF_Hamburg.pdf 4 http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=377.php 5 http://argonide.com/ 6 Anlagerung von Partikeln an die Membran, was zu deren Verstopfung führen kann. 7 Biologische Verschmutzung durch Wachstum von Mikroorganismen.

Nanofiltration ermöglicht auch die Abtrennung von mehrwertigen Ionen

NanoporöseMembranen halten pathogeneOrganismen und Viren zurück


Neben der Filtration spielt die Adsorption eine bedeutende Rolle in der Wasserreinigung. Besonders die Gewässerbelastung mit organischen, endokrinen Substanzen und persistenten8 Stoffen, wie z. B. über die Sanitärsysteme entsorgte Medikamente und deren Metabolite, bereiten zunehmend Besorgnis. Zur Lösung dieses Problems werden neben den ebenfalls eingesetzten Membranverfahren (NF, MF und RO) adsorptive Methoden untersucht, wie z. B. nanoporöse adsorbierende Polymere aus Cyclodextrinen. Diese können organische Substanzen, wie Benzol, Aceton, Dünger oder Pestizide aus Wasser adsorbieren [GDNP 2006a]. Auch die Entfernung von Uran-Verbindungen aus kontaminiertem Wasser oder Boden wird beforscht [Telford 2004].

Ebenfalls auf adsorptiven Effekten beruht die Hauptwirkweise der SAMMS-Technologie (self-assembled monolayers on mesoporoes supports). Eine Einzelschicht von Molekülen lagert sich hierbei an die funktionalisierte Oberfläche von mesoporösem Material an. Die Oberflächeneigenschaften ermöglichen eine Adsorption von Schwermetallen und Anionen.9 SAMMS sind besonders für die Grundwasserreinigung in der Erprobung [Tratnyek 2006].

Zur Adsorption von Arsen-Verbindungen und anderen Schwermetallen (Blei, Kupfer und Cadmium) werden Kohlenstoffnanoröhren (CNT) auch in Verbindung mit Ceroxid (CeO2) vorgeschlagen [Peng 2005, Li 2002]. Diese wurden als „Superabsorber“ für Dioxine bezeichnet, da sie eine um mehrere Größenordnungen höhere Affinität zu Dioxinen zeigten als Aktivkohle [Long 2001]. Neuere Untersuchungen beschäftigen sich auch mit der Beseitigung von Nickel-Salzen mit Kohlenstoffnanoröhren [Lu 2006a]. Die Herstellungskosten von CNTs sind im Vergleich zu Aktivkohle um mindestens zwei Größenordnungen höher und auch die Verfügbarkeit von CNTs reicht noch nicht an die von Aktivkohle heran, so dass ein großflächiger Einsatz von CNTs in naher Zukunft unwahrscheinlich ist.

Eine weitere Trennmethode, die vor allem in der Wasserentsalzung zum Einsatz kommt, ist die des Durchflusskondensators (Flow-through-capacitor, FTC). Dieser besteht im Wesentlichen aus zwei vom Wasser durchströmten Elektroden mit einer sehr großen Oberfläche, die an eine entsprechende Stromquelle angeschlossen sind und im Wasser gelöste Ionen durch elektrostatische Adsorption beseitigt10. Wegen der benötigten großen Oberflächen eignen sich nanostrukturierte Elektroden und nanoskalige Ionenleiter gut zum Einsatz in FTC Anlagen. Auch Ionentauscher mit nanoskaligen Adsorbentien, wie CNT oder Carbon-Füllkörpern können zur Abtrennung von Schadstoffen benutzt werden.

8 In Kläranlagen und im Ökosystem schwer abbaubar 9 http://samms.pnl.gov/tech_descrip.stm 10 http://www.flowtc.com/pdf%20final%20FTC%20INOC%20

presentation%20Dec2003%20Drs.BinoKuran.pdf

NanoporöseMembranen können

Schadstoffeadsorbieren

CNT als Superabsorber von

Dioxinen

Bereiche 23

(Nano-) Katalysatoren verändern die Reaktionsgeschwindigkeitchemischer Reaktionen und gehen aus diesen unverändert hervor. Das Verfahren der Katalyse hat für fast alle Industriezweige und auch im Wassersektor eine hohe Bedeutung, denn Schadstoffe sind so unter milderen Reaktionsbedingungen reduzier-, oxidier- und abbaubar. Nanoskalige Katalysatoren sind durch ein großes Oberflächen/Volumen-Verhältnis gekennzeichnet und haben im Allgemeinen eine hohe katalytische Aktivität. Neben der großen Oberfläche sind hierfür die ungewöhnlichen Formen von Nanokristallen verantwortlich. Es kann zu einer hohen Konzentration von reaktiven Ecken und Kanten mit Fehlstellen (defect sites) kommen, was ebenfalls eine erhöhte Oberflächenreaktivität zur Folge hat. In einigen Fällen entwickeln reaktionsträge Stoffe, wie das Edelmetall Gold, erst ab einer Partikelgröße von einigen Nanometern signifikante katalytische Aktivität. Ein nanoskaliger Goldcluster beschleunigt z. B. die Umsetzung von giftigem Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid [Yoon 2005].

Heterogene Katalysatoren in Verbindung mit nanoskaligen Metallpartikeln werden seit den 1920er Jahren kommerziell eingesetzt und seit den 1970er Jahren findet sich der erste Nanokatalysator in einer umweltrelevanten Anwendung dem Autokatalysator. Dieser besteht aus porösem Aluminium mit nanoskaligen Platin, Rhodium und Zirkonium-Partikeln zur Oxidation von Kohlenstoffmonoxid und Stickoxiden [Larsen 2004].

Katalytisch aktive Nanopartikel gelten in der in situ11 und ex situ12

Reinigung von Grundwasser und kontaminiertem Boden, der Wasserdesinfektion und in der Wasserentsalzung als viel versprechend und findet bisher Verwendung bei der Entfernung von Schwermetallen und Arsen-Verbindungen aus Grund- und verunreinigtem Trinkwasser. Die Nanokatalysatoren können direkt in das zu reinigende Wasser dispers gelöst oder immobilisiert auf einer Membran mit dem Wasser in Kontakt gebracht werden. Es ist auch möglich, die Partikel in einer reaktiven „Wand“ im Boden einzubringen, durch die verunreinigtes Wasser fließt und gereinigt wieder austritt (vgl. Abbildung 4). Als katalytische Materialen werden vorwiegend Metalloxide (MgO, CaO, SrO, TiO2,MgO2), Metall-Nanocluster, nanokristalline Carbide und Sulfide, Keramiken und Komposite, nanostrukturierte Aluminium-Silikate und insbesondere nullwertige Eisenpartikel verwendet [Larsen 2004].

11 Das zu reinigende Grundwasser wird im Boden gereinigt und muss nicht transportiert werden.

12 Kontaminiertes Grundwasser wird zur Reinigung an die Oberfläche gepumpt.

Nanokatalysatoren zeichnen sich durch ein großes Oberflächen/Volumen-Verhältnis aus

Erster Nano-katalysator in umweltrelevanter Anwendung: Auto-katalysator in den 1970er Jahren

Nanostrukturierte Metalloxide oder Eisenpartikel zur Grundwasser-sanierung


Abbildung 4: Schematische Darstellung eines möglichen Verfahrens zur in situGrundwasserreinigung. Die Schadstoffe gelangen z. B. durch eine Leckage in den Boden und ins Grundwasser. Das verunreinigte Wasser fließt zu einer reaktiven Barriere, die z. B. nanoskalige Katalysatoren enthalten kann. Das gereinigte Wasser tritt hinter der Barriere wieder aus.

Nullwertige Eisenpartikel im Mikromaßstab sind heute verbreitet im Einsatz zum Abbau von leicht flüchtigen halogenierten Kohlenwasserstoffen (LHKW) und polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen [NRW 2005, Cao 2005]. Nanoskalige, nullwertige Eisenpartikel (nanoscale zero-valent Iron, Fe(0), NZVI) stoßen zunehmend auf Interesse, insbesondere wegen ihrer höheren Reaktivität und dem damit verbundenen Potenzial in der Grundwasser- und Altlastensanierung. Sie werden zur Oxidation von Organosphosphor-verbindungen (Nervengifte wie Phosgen) oder der Eliminierung von Nitraten, Chrom- und Blei-Verbindungen sowie schwefelhaltigen Triazinen und Perchloraten untersucht [McDowall 2005, Chen 2005]. Nitrate befinden sich in größeren Mengen im Grundwasser (diffuse Einträge über die Landwirtschaft), sind aber mit konventionellen Reinigungsverfahren nicht vollständig zu beseitigen.

Über zehn verschiedene Produkte mit nanoskaligem Fe(0) sind bereits auf dem Markt erhältlich, die Kosten liegen zwischen 40 und etwa 150 US-$ pro Kilogramm, je nachdem ob die Eisenpartikel noch mit Palladium beschichtet werden [GDNP 2006a]. Auch andere nullwertige Metallpartikel (Silizium, Platin oder Gold) im Nanometerbereich werden hinsichtlich ihres Vermögens, toxische Stoffe zu adsorbieren und zu zersetzen, analysiert [Metrix 2005].

Ein für die Bereiche Wasser, Luft und Boden bedeutender Katalysator ist nanoskaliges Titandioxid (TiO2). Er fungiert als Photokatalysator und Adsorbent und kann zur Wasserreinigung im Allgemeinen und für die insitu und ex situ Grundwassersanierung im Speziellen verwendet werden.

NanoskaligeEisenpartikel eleminierenu. a. giftige

Arsenverbindungen

Photokatalyse mit nanoskaligemTitandioxid:

Beseitigung von z. B. chlorhaltigenVerbindungen

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Im Zusammenspiel mit Wasser, O2, UV-Strahlung und TiO2 entstehen reaktive freie Radikale, die Schadstoffe in harmlosere Substanzen umwandeln können (vgl. Abbildung 5).

Abbildung 5: Das Prinzip der Photokatalyse an TiO2.

Im Fokus stehen hier chlorhaltige und persistente organische Verbindungen. Nanoskaliges TiO2 lässt sich als Pulver oder granulares Medium herstellen und kann auch in Beschichtungen oder (Komposit-) Membranen eingebracht werden. Für die Photokatalyse sind neben TiO2

auch andere nanostrukturierte katalytisch aktive oder nanoskalige Halbleiter, wie ZnO, ZnS und CdS geeignet [Metrix 2005, Lu 2005, GDNP 2006].

Die Photokatalyse in Verbindung mit Kavitation erzeugendem Ultraschall könnte Synergien erzeugen und ersten Untersuchungen zufolge eine effizientere Wasserreinigung ermöglichen [Kamat 2003, Düx 2000]. Weitere Ansätze zur Wasserreinigung beinhalten die Verwendung von katalytisch aktiven Dendrimeren [Diallo 2005] oder bimetallischen Partikeln [McDowall 2005, Zhang 2005, Xu 2005]. Nano-Bimetalle (z. B. Fe/Ni) erlauben eine kostengünstige in situ Entfernung von Perchloraten und Chrom-Verbindungen. Nanoskalige Bimetall-Partikel aus Eisen und Nickel vermögen beispielsweise die Konzentration von Trichlorethylen in kontaminiertem Wasser um 75 % senken [Meyer 2004].

Nanomaterialien: Magnetische Nanopartikel können mittels Magnetseparation zur Beseitigung verschiedener Schadstoffe, wie Schwermetalle oder organische Substanzen, eingesetzt werden. Arsen-Verbindungen stehen hierbei erneut im Fokus, da diese giftigen Substanzen in den Gewässern vieler Entwicklungsländer zu finden sind und so gut wie keine effektiven Reinigungsverfahren zur Verfügung stehen. Die magnetischen Nanopartikel (z. B. nanoskaliges Magnetit Fe2O3) binden die Zielmoleküle selektiv und können anschließend magnetisch aus dem Wasser extrahiert werden - das gereinigte Wasser bleibt zurück [Yavuz 2006]. Hierbei konnten die Wissenschaftler bei einer Partikelgröße von 12 nm sowohl As(III) als auch As(IV)-Verbindungen in beiden Fällen zu über 98 % aus dem Wasser extrahieren. Der Einsatz von nanoskaligem Eisenoxid ist eine

Weitere Ansätzeu. a. nanoskalige Bimetalle

MagnetischeNanopartikel zur WasserreinigungArsenverbindungen im Fokus


interessante Alternative zu energieintensiven Stofftrennverfahren wie im vorigen Abschnitt beschrieben, denn die Herstellungskosten sind vergleichsweise gering und bisher sind keine negativen Effekte bekannt, so dass der direkte Einsatz in Wasser und Boden untersucht wird. Hierzu sollte allerdings bemerkt werden, dass für eine abschließende (öko-) toxikologische Bewertung und eine Abschätzung des Gefährdungspotenzials zum jetzigen Zeitpunkt aufgrund mangelnder wissenschaftlicher Erkenntnisse noch nicht möglich ist. Eine Weiterentwicklung der traditionellen Eisenoxidpartikel sind Nanokomposite aus nanoskaligem Magnetit (Fe2O3) und einer mesoporösen Silizium-Beschichtung. Sie zeigen eine erhöhte Resistenz gegen Umwelteinflüsse, die normalerweise die Lebensdauer magnetischer Eisenpartikel begrenzen. Die magnetischen Eigenschaften werden durch die Schutzhülle nicht beeinträchtigt [Wu 2004].

Nanopartikel aus Eisensulfiden adsorbieren Schwermetalle ebenfalls in signifikanter Menge. Eine elegante Methode zur in situ Produktion von Eisensulfiden ist die Verwendung von Bakterien, die Eisenionen als Sulfide auf ihrer Zelloberfläche abscheiden können. Zusammen mit den anschließend adsorbierten Schadstoffen können die Eisenpartikel magnetisch von dem Wasser (oder Boden) getrennt werden [Watson 2000].

Nanoskalige Silberpartikel gelten als biozid und werden in Bereichen mit hohen Reinheitsanforderungen eingesetzt [Morones 2005]. Mit Nanosilber kann das Wachstum von gramnegativen13 und grampositiven Bakterien, Pilzen, Hefen und Viren verhindert oder eingeschränkt werden. Die bakteriziden Eigenschaften der Silberionen (die aus dem elementaren Silber freigesetzt werden) beruht auf einer Vielzahl komplexer Wechselwirkungen mit der DNA/RNA, mit Nukleinsäuren und Reaktionen mit verschiedenen Enzymen. So kann beispielsweise eine Interaktion mit den Cytochromen der Atmungskette stattfinden und einen gestörten Elektronentransport zur Folge haben. Auch eine kovalente Bindung mit funktionellen Gruppen der Aminosäuren von Enzymen ist möglich, was in einer Deformation und Destabilisierung der räumlichen Struktur und damit oftmals in einer Fehlfunktion des Proteins resultieren kann [Gühring 2000].

Weitere Nanomaterialien umfassen Dendrimere mit Bindungsfunktion zur Beseitigung verschiedener Ionen [Diallo 2005]. Dendrimere können in verschiedenen Formen synthetisiert werden, u. a. als flexible offene Konstrukte oder als „Container“ und als Chelatbildner fungieren. Je nach funktioneller Gruppe lassen sich selektiv Anionen oder Kationen aus

13 Unterscheidung von Bakterien anhand verschiedener Zellwandstrukturen. Der Begriff basiert auf der „Gram-Färbung“, die Bakterien entsprechend ihres Zellwandaufbaus unterschiedlich färbt. Wichtigste Eigenschaft: gramnegative und grampositiver Bakterien reagieren unterschiedlich auf Antibiotika.

Biozide:Nanosilberpartikel

hemmen das Wachstum von

Mikroorganismen

Bereiche 27

Wasser binden und auch eine Funktionalisierung hinsichtlich katalytischer Aktivität ist denkbar. Die mit Ionen beladenen Dendrimere lassen sich wieder entladen und so dem Prozess erneut zuführen.

Nanomaterialien können auch dazu dienen, herkömmliche Prozesse ökologisch effizienter oder sparsamer zu gestalten. So wird UV-Licht zur Desinfektion in der Wasseraufbereitung eingesetzt und als UV-Quelle finden verbreitet Quecksilberdampflampen Verwendung. Leuchtdioden (LED, vgl. Kapitel 1.4.3), die nanoskalige Materialien enthalten, könnten diese UV-Quellen mit ihren giftigen Bestandteilen ablösen und verbrauchen zudem weniger Energie.

Mess- und Regelungstechnik: Die konstante Überwachung der Gewässergüte ist gesetzlich geregelt und erfordert die ständige Entwicklung und Weiterentwicklung von Sensoren, die ein wichtiges Instrument zur Überwachung der Wasser- und Gewässergüte sind. Mobile Sensoren mit miniaturisierten Bauteilen sind hierbei von besonderem Interesse, denn eine schnelle in situ Analyse vor Ort ermöglicht zeitnahes Handeln. Sinnvoll ist auch die kontinuierliche Überwachung großer Areale in Echtzeit. Nanotechnologien ermöglichen präzisere und sensitivere Sensoren, die Toxine und Pathogene detektieren. Das Aufspüren nanoskaliger Stoffe ist von Bedeutung, um natürliche und eine zunehmende Menge artifizieller Nanomaterialien und Wirkstoffe in der Umwelt nachzuweisen.

Die Sensorentypen lassen sich grob in zwei Kategorien einteilen: Nanosensoren, die auf physikalisch-chemischer Detektion beruhen und Nanobiosensoren, die eine biologische Erkennung nutzen. Die Grenzen hierbei sind fließend. Chemische Sensoren können zum Nachweis von Organismen und biologische Sensoren zum Nachweis von chemischen Substanzen verwendet werden.

Nanosensoren nutzen physikalische oder chemische Messmethoden, wie z. B. elektrochemische Verfahren, Impedanzmessung oder optische Verfahren zum Nachweis von Schwermetallen, organischen Substanzen oder Toxinen. Poröses halbleitendes Silizium ist beispielsweise ein gut geeignetes Material für Sensoren, denn die große Oberfläche und auch die Emission von Licht bei Raumtemperatur sind nützliche Eigenschaften bei der Detektion von Toxinen und Pathogenen [Jianrong 2004].

Ein möglicher Sensor-Aufbau zur Detektion von Schwermetallen in Wasser besteht aus halbleitenden Silizium-Nanostrukturen (vgl. Abbildung 6). Zwischen Elektroden in einem Array befinden sich nanoskopische Spalte in denen Metallionen aus verunreinigtem Wasser abgeschieden werden können. Die Änderung der Leitfähigkeit wird gemessen und erlaubt so die Detektion der Schwermetalle [Tao 2005].

Dendrimere können zur Wasserreinigung verschiedenfunktionalisiert werden

Nanosensoren ermöglichen eine schnelle vor Ort Analytik

GängigerSensorenaufbau: HalbleitendeNanostrukturen aus Silizium


Abbildung 6: Zwischen zwei Elektroden, die durch einen nanoskopischen Spalt getrennt sind, wird ein Tropfen zu untersuchenden Flüssigkeit gegeben (A). Mittels Elektrodeposition werden Schwermetalle abgeschieden und die Änderung der Leitfähigkeit kann gemessen werden (B). (Quelle: [Tao 2005]).

Auch andere nanoskaligen Strukturen, wie Nanodrähte oder Nanoröhren [Forzani 2006], haben das Interesse der Wissenschaftler auf sich gezogen. Nanosonden aus Bor-dotierten Siliziumdrähten (SiNWs) werden z. B. zur sensitiven, markerfreien Echtzeit-Analytik von biologischen und chemischen Stoffen untersucht [Cui 2001]. Die Nanodrähte können unterschiedlich funktionalisiert werden und dienen der pH-Wert Bestimmung und dem Nachweis von Streptavidin in picomolaren Konzentrationen. Auch die reversible Bindung von Antikörpern und Calcium konnte beobachtet werden und macht eine breite Palette an Einsatzbereichen vorstellbar. Weitere Methoden basieren auf kalorimetrischen oder chemischen Verfahren. So können nanoskalige Farbstoffe herkömmliche farbstoff-basierte Sensoren hinsichtlich ihrer Präzision und Sensitivität verbessern [Takahashi 2005].

Ein interessantes Material für die allgemeine Bestimmung von organischen Molekülen ist Zinkoxid (ZnO). Es emittiert im sichtbaren Spektrum des Lichts und reagiert sensitiv auf organische Substanzen, die sich an der Oberfläche anlagern. Dadurch wird eine Lumineszenz-abnahme (Quenching) induziert, die optisch detektierbar ist. Darüber hinaus ist ZnO katalytisch aktiv und kann die angelagerten Schadstoffe unter Lichteinfluss zersetzen. Entsprechende Geräte könnten organische, vorrangig aromatische, Verbindungen detektieren und selbige auch photokatalytisch zersetzen [Kamat 2002].

Nanobiosensoren nutzen Prinzipien der molekularen Erkennung. Typischerweise bestehen sie aus einem biologischen Teil (z. B. Antikörper-Bindung, DNA-Hybridisierung, Enzym-Bindung) sowie einer Auswerteeinheit (z. B. optisch, elektrochemisch oder piezoelektrisch) und verschiedenen Nanomaterialien [Tschmelak 2004]. Es können auch ganze Zellen als Testsysteme verwendet und deren Reaktion auf Umwelteinflüsse gemessen werden.

In den meisten Systemen werden zur Auswertung Biomarker benötigt, d. h. Substanzen, die z. B. einen optischen Nachweis der molekularen

Nanopartikuläres ZnO dient sowohl der

Detektion als auch der katalytischen

Reinigung

Bereiche 29

Bindung erlauben. Hierfür finden unterschiedliche Nanopartikel Verwendung, insbesondere Quantenpunkte14 und halbleitende Nanokristalle (CdSe-ZnS) haben Hoffnungen auf sensitivere und schnellere Sensoren erweckt. Die Nanopartikel werden an spezifische Antikörper gebunden und dienen dem selektiven, optischen Nachweis des entsprechenden Toxins. Mehrere verschiedene Antiköper mit unterschiedlichen Quantenpunkten auf einem Chip ermöglicht den gleichzeitigen und spezifischen Nachweis mehrerer Toxine, z. B. Ricin, Cholera Toxin, Toxin-1 und Enterotoxin B [Goldmann 2004].

Nanopartikel können andererseits auch als Trägermaterial für biologische Sonden konstruiert werden, so lassen sich verschiedene Enzyme (Peroxidasen oder Oxidoreduktasen) an der Oberfläche von Kohlenstoffnanoröhren immobilisieren [Zhao 2002] oder auch an elektrisch leitfähige Moleküle und Polymere koppeln (vgl. Abbildung 7).

Abbildung 7: A: Zwischen zwei Elektroden wird ein leitfähiges Molekül mit spezifischer Sequenz eingebunden (z. B. ein Peptid). Dieses kann mit Metallionen interagieren - die daraus resultierende Änderung der Leitfähigkeit wird detektiert. B: Zum Nachweis großer Moleküle werden leitfähige Polymere, bestückt mit spezifischen Probenmolekülen, zwischen zwei Elektroden eingespannt. Bei Bindung der Zielmoleküle ändert sich die Leitfähigkeit.

Metallische Nanopartikel wurden erfolgreich in elektrochemischen Sensoren an immobilisierten Biomolekülen getestet. Beispielsweise lassen sich Gold-Kolloide mit vielen verschiedenen biologischen Stoffen als Sonden zur Pathogen-Bestimmung einsetzen. Oligonucleotide können an kolloidale Goldpartikel im Nanometerbereich angelagert und zur sequenzspezifischen Detektion von DNA verwendet werden [Cai 2002]. Auch Mikroarrays, also eine regelmäßige Anordnung von Sonden-Molekülen auf einem Chip, sind für die Sensorik von Interesse.

Die Konvergenz von Elektronik, Nanotechnologie und Biologie in Mikrofluidik-Geräten (lab-on-a-chip) eröffnet neue Perspektiven und Anwendungsbereiche. Lab-on-a-chip-Systeme basieren auf mikro-strukturierten Chips, die viele unterschiedliche Reaktionsschritte, wie Probenaufbereitung, Mischen, Trennen, Zelllyse und Detektion auf mikroskopischem Raum vereinen. Durch kleine Kanäle werden

14 Nanoskopische Strukturen mit besonderen physikalischen Eigenschaften.

Quantenpunkte können als Biomarker eingesetzt werden


Flüssigkeiten auf dem Träger transportiert und manipuliert. Hinzu kommt typischerweise ein optisches oder elektrisches Auswerteverfahren. Neben Toxinen können einzelne Zellen, Viren, Bakterien oder Mikroben nachgewiesen werden. Verschiedene Bauteile dieser Chips können aus Nanomaterialien bestehen und auch nanostrukturierte Oberflächen kommen hier zum Einsatz. Erste einsatzfähige Lab-on-a-chip-Systeme sind im Stadium der Markteinführung.15

1.1.4 Trends und weitere Anwendungen

Die Reinigung von schadstoffbelastetem Wasser ist eine der global vordringlichsten Herausforderungen der kommenden Dekaden und insbesondere kleine, leichte und mobile Reinigungseinheiten werden in ihrer Bedeutung weiter steigen. Oftmals ist ein Anschluss der Versorgung an das öffentliche Wasserver- und -entsorgungsnetz nicht ohne weiteres möglich. Das gilt nicht nur für infrastrukturschwache und arme Länder - auch die Stadt Brüssel wird erst ab 2007 das Abwasser von über einer Millionen Menschen in einer neuen Großkläranlage reinigen lassen. Brüssel ist kein Einzelfall. Trotz der EU-Richtlinie zur Einleitung kommunaler Abwässer, die eine Behandlung des Abwassers für Stadtgebiete mit mehr als 10.000 zwingend vorschreibt, erfüllten zumindest im Jahr 2003 über 70 europäische Großstädte diese Kriterien nicht. Darunter z. B. Dover, Mailand, Dublin oder auch Paris sowie eine Vielzahl von kleineren Ortschaften. Vor diesem Hintergrund ist die Entwicklung nanotechnologischer Innovationen für hoch effiziente Reinigungseinrichtungen von zentraler Bedeutung, ebenso wie alternative Wassersysteme zur dezentralisierten Ver- und Entsorgung.

Nanonetze (nano-mesh) könnten in der mobilen Trinkwasserreinigung zum Einsatz kommen. Die Nanonetze basieren auf gebündelten Kohlenstoffnanoröhren, die auf einem flexiblen, porösen Trägermaterial aufgebracht werden. Das Substrat kann zu schmalen Röhren aufgerollt oder um zylindrische Gegenstände gewickelt werden. So können „Filterstäbe“ konstruiert werden, die das Wasser beim Durchfließen des Stabes reinigen. Derzeitige Prototypen der Firma Seldon Laboratories16

in den USA ermöglichen die 99 %-ige Reinigung von einem Liter organisch und anorganisch belastetem Wasser bei Durchflussraten von etwa 600 ml Wasser pro Minute.17 Die Einsatzgebiete solch flexibler, billig zu produzierenden und skalierbarer Filterungsgeräte sind breit, vor allem in infrastrukturschwächeren Ländern und in Katastrophengebieten ist ein Einsatz denkbar.

15 http://www.azonano.com/news.asp?newsID=4086 16 http://www.seldontechnologies.com/ 17 http://smarteconomy.typepad.com/smart_economy/2005/10/smart_straw_wat.html

Lab-on-a-chip-Systeme eröffnen

neue Anwen-dungsbereiche

Auch europäische Großstädte haben nur unzureichende

Wasser- und Abwassersysteme

„Nanomeshs“ für eine mobile Trink-

wasserreinigung

Bereiche 31

In größeren Klärwerken kommen Nanotechnologien schon heute sinnvoll zum Einsatz, wie z. B. in einer Testanlage im Landkreis St. Wendel. Dank einer keramischen Filtermembran mit nanoskaligen Poren können Schadstoffe und Mikroorganismen aus Abwasser im großen Maßstab gefiltert werden. Eine weitere Kläranlage, die mit dieser Technologie ausgestattet sein wird, befindet sich in der Gemeinde Leidingen in Bau [Umweltmagazin 4/2005]. Die Saarbrückener Firma ItN Nanovation18

fertigt die nanoporöse Keramikmembran, die das Kernstück der Filtrationstechnik darstellt und auch auf andere Fragestellungen im Wassersektor anwendbar ist.

Abbildung 8: Röhrenförmige, nanoporöse Membranfilter. (Quelle: ItN Nanovation18).

Auch in die Wasserentsalzung werden große Hoffnungen gesetzt, denn Meerwasser ist in beliebig großer Menge verfügbar und könnte Wasserknappheiten mindern. Forschern am Lawrence Livermore National Laboratory gelang die Entwicklung einer neuen Filtermembran, die mit regelmäßig angeordneten Kohlenstoffnanoröhren bestückt ist. Die Durchflussraten durch die nanoskaligen Poren waren hierbei teilweise 10.000-mal größer als nach klassischen Berechnungen zufolge zu erwarten war. Die Ursachen für dieses Verhalten sind noch ungeklärt. Ein mögliches Anwendungsgebiet könnte die kostengünstige Meerwasserentsalzung sein. Der Einsatz der neuen Membran könnte bis zu 75 % weniger Energie verbrauchen als die Umkehrosmose und damit zu einer ökonomischen Bewirtschaftung von Meerwasser führen [Risbud 2006, Hinds 2004]. Ein funktionsfähiger Prototyp steht allerdings noch aus.

18 http://www.itn-nanovation.com/main.asp?page=produkte&subpage=filter

Filtermembran mit nanoskaligen Poren: eine Testkläranlage in St. Wendel

CNT-Membranenzeigen erstaunliche Durchflussraten


Abbildung 9: Illustration einer Membran in der SWNTs Durchlässe für den Transport von Molekülen bilden (Quelle: A. Skoulidas/Carnegie Mellon University)

Für die Grundwassersanierung und die Beseitigung von Schwermetallen sind nanoskalige Eisenpartikel und -Verbindungen bereits im Einsatz. Beispielsweise wird nanostrukturiertes Eisenoxidhydroxid einer Größe von 0,5 - 2 nm zur Beseitigung von Arsen-Verbindungen kommerziell angeboten. Eines der markttypischen Produkte ist AD-33 (Adedge Technologies Inc.19), die in den USA zugelassene Version von Bayoxid E-33 (Lanxess20). AD-33 ist etwa 2-4 Jahre aktiv und muss anschließend ausgetauscht bzw. erneuert werden. Die Technologie lässt sich für Großreinigungsanlagen einsetzen und ist aber auch für den Hausgebrauch skalierbar. Die Durchflussraten liegen bei marktüblichen Geräten zwischen 2 und 28 Liter pro Minute.

Abbildung 10: Trinkwasseraufbereitungsanlage zur Entfernung von Arsen (links, Quelle: Lanxess) und Hausanlage zur Entfernung von Arsen (rechts, Quelle: Adedge Technologies).

Auch biozide nanoskalige Silberpartikel finden sich zunehmend in Produkten wieder - in den USA wird Nanosilber in über 200 Produkten verwendet. Ein Beispiel ist die erste kommerziell erhältliche Waschmaschine, die nanoskalige Silberpartikel verwendet um die Wäsche ohne Bleich- und sonstige Waschmittelzusätze in kaltem Wasser

19 http://www.adedgetechnologies.com 20 http://www.bayerpigmente.de/lanxess/ipg.nsf/id/021125_DE

Skalierbare Anlagen mit nanoskaligem

Eisenoxid zur Arsenbeseitigung

Bereiche 33

zu desinfizieren. Untersuchungen zufolge ist kalt und heiß gewaschene Wäsche immer noch mit Geruch erzeugenden Mirkoorganismen belastet und genau dieses Problem soll mit dem Zusatz biozider Nanosilberpartikel behoben werden. Laut Herstellerangaben können mit der Maschine 99,9 % der getesteten Bakterien abgetötet werden. Das Gerät wird jedoch sehr kontrovers diskutiert und der Hersteller ist von verschiedenen Verbänden aufgefordert das Gerät vom Markt zu nehmen. Die US-Umweltbehörde (Environmental Protection Agency, EPA) hat inzwischen nanoskalige Silberpartikel als Pestizide eingestuft und ein Verbot selbiger in desinfizierenden Haushaltsmitteln ausgesprochen.21

Auch der Bund für Umwelt und Naturschutz (BUND) in Deutschland warnt seit der Einführung des Gerätes im Februar 2006 vor möglicherweise erhöhter Konzentration von Silberionen im Abwasser und auch von weiteren Verbänden ist auf mögliche Gefahren hingewiesen worden [Senjen 2007].

Weitere Innovationen für den industriellen Gebrauch gleichermaßen wie für den Hausgebrauch werden in den Bereichen Aufbereiten/Filter, Katalyse und Analytik sowie in der Entwicklung neuer Materialen erwartet. Viele Forschungsarbeiten und insbesondere auch kommerzielle Produkte sind in den USA angesiedelt, in der durch die amerikanische Umweltbehörde (EPA) das Thema Nanotechnologie und Umwelt seit einigen Jahren intensiv vorangetrieben wird (vgl. Anhang Fördersituation). In Deutschland besteht insbesondere im Bereich des Technologietransfers hin zu kommerziellen Produkten noch Ver-besserungsbedarf. Im Folgenden werden einige weitere Beispiele und Projekte in einer Kurzdarstellung aufgezeigt, siehe auch den Bericht von einem Workshop in Ispra [Rickerby 2007a]:

Aufbereiten/Filtern

Nanofiltrationsmembranen, die zweiwertige Ionen und besonders Pestizide zurückhalten, werden mittlerweile von verschiedenen Firma gefertigt und angeboten: z. B. Filmtec Corporation22,Applied Membranes Inc.23, GE Osmonics24 oder TORAY25.

Das BMBF fördert verschiedene Projekte zur Entwicklung von Membranen für die Ultrafiltration seit den 1990ern. Eines der neuesten Projekte (2006-2009)- IntegTa - beschäftigt sich mit dem integrativen Management mehrfach genutzter Trink-wassertalsperren. Ein Teilprojekt bearbeitet die Nanofiltration. In einem weiteren Projekt wird die organophile Nanofiltration für

21 vdi nachrichten, 1.12.2006 22 http://www.dow.com/liquidseps/contact/efilmtec.htm 23 http://www.appliedmembranes.com/ 24 http://www.gewater.com/index.jsp 25 http://www.toray.com/

Erste Waschmaschine mit Nanosilber

Nanofiltrationsmem-branen werden von verschiedenstenFirmen angeboten


eine nachhaltige Produktion in der Industrie untersucht (2005-2008). (siehe Anhang).

Forscher des Ferdinand-Braun-Instituts für Höchstfrequenz-technik (FBH) in Berlin entwickeln die Technik der GaN-Leuchtdioden für die Keimabtötung in der Trinkwasser-aufbereitung weiter.26

Forscher am Los Alamos National Laboratory benutzen Cyclodextrin als Building Blocks für nanoporöse Polymermembranen. Die Bindung von organischen Schadstoffen zu diesem Material ist den Forschern zufolge 100.000-mal größer als zu Aktivkohle und damit könnte das Polymer die Extraktion von organischen Substanzen in der (Ab-)Wasserreinigung effizienter und ökologischer gestalten.27

Aus einer vom BMBF geförderten Kooperation von Wissenschaftlern der Universität Marburg und dem Filter Hersteller Hollingsworth & Vose ist eine neuartige Filtermembran „Nanoweb“ hervorgegangen, die sich durch besondere Langlebigkeit und eine hohe Aufnahmekapazität auszeichnet [Hessen 2005].

Eine aus zwei Schichten bestehende Nanofiltrationsmembran ist von koreanischen Wissenschaftlern zur Filtration von Viren und anderen Organismen entwickelt worden [Yang 2006b].

Auch am WaterCAMPWS (The Center of Advanced Materials for the Purification of Water with Systems), einer fakultätsübergreifenden Initiative von elf amerikanischen Universitäten, werden Nanotechnologien für die Anwendung im Wassersektor untersucht. Zu den Forschungsschwerpunkten gehören u. a. neuartige nanoporöse Filtermembranen.28

Mit der Filterung und Rückgewinnung von Ammoniak aus Abwasser, industriellem Prozesswasser oder aus Flussläufen mittels nanoporöser Membranen beschäftigt sich die australische Firma NanoChem Pty Ltd [Australien 2006].

Oxidierte Aluminium Nanofasern können auf einem Glasträger aufgebracht werden und der Filterung von Schadstoffen und Mirkoorganismen dienen. Die positiv geladenen Aluminium-Fasern halten laut Herstellerangaben 99,99 % der untersuchten Viren zurück (Firma Argonide29).

26 http://idw-online.de/pages/de/news151566 27 http://www.lanl.gov/ 28 http://www.watercampws.uiuc.edu/ 29 http://www.argonide.com/

Cyclodextrine dienen der Extraktion von

organischenSubstanzen

Bereiche 35

Das Schweitzer Unternehmen Vestergaard Frandsen S.A hat 2006 ein Produkt mit dem Namen „LifeStraw“ für Länder mit ungenügender Trinkwasserversorgung auf den Markt gebracht. LifeStraw ist ein kostengünstiges Tool zur Wasserfiltration (ca. 2 Euro), das zur Reinigung des Jahresbedarfs an Trinkwasser eines Menschen (ca. 700 Liter) ausreicht. Die Tests mit Leitungswasser, trübem und salzhaltigem Wasser sind positive verlaufen. Bakterien, wie Salmonellen und Staphylokokken, wurden erfolgreich ausgefiltert.30

Abbildung 11: Anwendungsbeispiele für die Trinkwasseraufbereitung mit Nanofiltern. Links: der Lifestrw kann sogar Bakterien aus verschmutzten Gewässern filtern (Quelle: Vestergaard Frandsen)

(Nano-) Katalysatoren

Durch den Einsatz von Kohlenstoffnanoröhren als Nanokatalysator in der industriellen Styrolsynthese wäre einer Fallstudie zufolge eine Effizienzsteigerung um 50 % möglich [Steinfeldt 2004]. Hierbei könnte die normalerweise endotherm verlaufende Reaktion in eine exotherme Reaktion umgewandelt werden und dadurch einen erheblichen Anteil der Effizienzsteigerung mit sich bringen.

Photokatalytisch aktive nanoskalige TiO2- oder MnO2-Partikel zur Beseitigung von Bakterien und anderen Schadstoffen werden von einer ganzen Reihe an Firmen offeriert, z. B. Environmental Care Limited31, Altair Technologies Inc.32, Dow Chemical Company 33.

Poröse Nanofasern aus MnO2 (oxidativer Prozess) und granularem Eisenhydroxid (adsorptiver Prozess) werden von unterschiedlichen Anbietern vertrieben (u. a. Inframat Co-

30 http://www.lifestraw.com 31 http://www.environmentalcare.com.hk/ 32 http://www.altairnano.com/ 33 http://www.dow.com/

Mit dem „LifeStraw“ kann verunreinigtes Wasser mobil gereinigt werden

Einsparpotenziale in der industriellen Styrolsynthese durch den Einsatz von CNT


poration34) und dienen z. B. der Entfernung von Arsen aus Trinkwasser.

Nanoporöse Fasern als Photokatalysatoren werden von englischen Forschern untersucht. Sie bestehen aus einem Netz nanoskaligem Materials und dienen dem Abbau verschiedener organischer Substanzen in Wasser, wie z. B. Farbstoffen, Phenol-Derivaten oder Hormonen [Huddersman 2007, Yang 2006a].

Forscher der Rice University untersuchen etliche Nanokatalysatoren zur Grundwassersanierung. Ein Schwerpunkt ist die Oxidation von Trichlorethan und aromatischen Verbindungen, ein weiterer ist die Untersuchung magnetischer Nanopartikel, wie Magnetit (Fe2O3) zur Magnetseparation von Schadstoffen - insbesondere Arsen.35

In verschiedenen BMBF-geförderten Projekten werden Katalysatoren für umweltrelevante Fragestellungen untersucht, u. a. im Verbundprojekt NANOKAT (2006-2009), das sich mit der Entwicklung nanoskaliger Biokatalysatoren für die Abwasserbehandlung beschäftigt (vgl. Anhang Fördersituation).

Nanomaterialien

Nanoskalige Silberpartikel werden von der Firma Biogate als Beschichtung für hygienesensitive Anwendungen in der Medizin und Medizintechnik angeboten. Sie sollen auch zur Beseitigung multiresistenter Keime von Interesse sein, obwohl auch schon Silber-resistente Bakterienstämme beobachtet worden sind. 36

Forscher aus Indien haben herkömmlichen Polyurethan-Schaum gleichmässig mit Silbernanopartikeln beschichtet. Der be-schichtete PU-Schaum kann als Filter genutzt werden um Pathogene aus verunreinigtem Wasser zu beseitigen. Die Silbernanopartikel sind auf dem PU-Schaum stabil und werden nicht beim Durchfluss von Wasser ausgewaschen [Jain 2005].

Wissenschaftler am MIT haben einen neuartigen Kunststoff entwickelt, der gleichzeitig Wasser anziehend (hydrophil) und abstoßend (hydrophob) ist. Das Material besteht aus Schichten von Polymeren mit unterschiedlichen Eigenschaften sowie Quarz-Nanopartikeln und einer Oberfläche aus wachsartigem, fluoriertem Silan. Auftreffendes Wasser nimmt sofort Kugelform

34 http://www.inframat.com/ 35 http://cohesion.rice.edu/centersandinst/cben/research.cfm?doc_id=5007 36 http://www.bio-gate.de

Beschichtung von Medizinprodukten mit

bioziden Nano-silberpartikeln

Neue Nanomaterialien mit interessanten

Eigenschaften

Bereiche 37

an und wird von der Oberfläche angezogen. In Trockengebieten ließe sich dieses System zum Sammeln von Feuchtigkeit oder in der Wasserentsalzung einsetzen.37

Analytik

Nanoskalige Poren eingebettet in eine dünne Doppellipid-Membran können dazu dienen die Masse verschieden großer Moleküle zu bestimmen. Hierzu werden z. B. Polymer-Ketten durch Anlegen einer elektrischen Spannung einzeln durch die Pore geschleust und Spannungsänderungen, die abhängig von der Masse des untersuchten Moleküls sind, bestimmt [Robertson 2007].

Abbildung 12: Nanoskalige Pore in einer Doppellipid-Membran, die den Durchtritt nur eines zu untersuchenden Moleküls ermöglicht (Quelle: [Robertson 2007]).

Die Detektion von Toxinen durch die Verbindung von chemischer Detektion mit optischer Sensortechnologie in einem mobilen Nanosensor ist von der Universität Buffalo entwickelt worden.38

US-Forscher haben eine neue Detektionsmethode für Quecksilber in Wasser vorgestellt. Nanoskopische Goldpartikel werden hierzu an DNA-Stücke mit spezifischer Sequenz gebunden. Bei Raumtemperatur ist die wässrige Lösung dieser DNA-Gold-Verbindungen blau, während die Nanogoldpartikel alleine eine rötliche Färbung aufweisen. Wird die Lösung auf über 45 °C erhitzt, verfärbt sich die Lösung ebenfalls rot, da dann die DNA-Stücke auseinanderbrechen. Bei Gegenwart von Quecksilber kommt es zu einer selektiven Bindung des Schwermetalls an die DNA und der Farbumschlag wird zu höheren Temperaturen

37 http://www.heise.de/tr/artikel/73719 38 http://www.buffalo.edu/news/fast-execute.cgi/article-page.html?article=64370009

Detektion von Quecksilber in Wasser mit Nanogoldpartikeln


verschoben. Die Nachweisgrenze liegt bei 20 Mikrogramm Quecksilber pro Liter.39

Ein Nanobiosensor mit immunohistochemischer Detektion und Quantenpunkten als Biomarker wird zur Detektion von organischen Schadstoffen und Pathogenen entwickelt [Tschmelak 2004].40

1.1.5 Marktpotenziale

Der Wassersektor ist einer der Bereiche, in denen für Nanotechnologien ein hohes Innovationspotenzial gesehen wird. Zunehmende Wasserknappheit und weltweite Wasserverschmutzungen werden als eine der großen Herausforderungen der kommenden Jahrzehnte gesehen; die nachhaltige Versorgung der Weltbevölkerung mit Trink- und Brauchwasser ist von grundlegender Bedeutung für den Menschen.

Generell zählen Wasseraufbereitung und Abwasserreinigung zu den traditionellen und gut entwickelten Sektoren der Umwelttechnologie. In Deutschland betreiben etwa 6.700 meist kommunale Unternehmen die Trinkwassergewinnung in 18.000 Wasseraufbereitungsanlagen Wasser- und Abwassertechnik ist mit einem jährlichen Exportvolumen von 13 Mrd. US-$ einer der Exportschlager der deutschen Umwelttechnik. Die Tübinger Unternehmensberatung Helmut Kaiser Consultancy schätzt, dass der weltweite Wassermarkt von 287 Mrd. US-$ im Jahr 2004 auf 412 Mrd. US-$ im Jahr 2010 wachsen wird. Innovationen sind wegen steigenden Wasserbedarfs (demand pull) entlang der gesamten Wertschöpfungskette von der Wassergewinnung, dem Transport und der Verteilung bis zur Entsorgung und Reinigung zu erwarten. Technologische Lösungen spielen hierbei eine zentrale Rolle (technology push). Trends auf dem Wassermarkt werden bestimmt von einer Internationalisierung des Geschäfts, der Nachfrage nach ganzheitlichen Wassermanagement-Systemen und industriellen Recycling-Techniken sowie chemiefreien/chemiearmen Lösungen, wie z. B. physikalische Verfahren zur Abwasserbehandlung oder dem Einsatz von biotechnologischen Verfahren.

Besonders Membranverfahren gelten als Schlüsseltechnologien im Wassersektor. Filtrationsmembranen zeigen hohe Trennleistungen und können für ein breites Spektrum von Anwendungen eingesetzt werden, wie z. B. in der Abwasserbehandlung, der Trinkwasseraufbereitung und der Wasserentsalzung. Für 2010 wird für die USA im Sektor der Membranfilter (für alle Anwendungen) eine Nachfrage von 3 Mrd. US-$ erwartet41. Die Mikrofiltration ist mit einem Umsatz von 792 Millionen US-$ in 2005 und einem erwarteten Umsatz von 1,2 Mrd. US-$ in 2010

39 http://www.wissenschaft.de/wissenschaft/news/277603.html 40 http://barolo.ipc.uni-tuebingen.de/forschung.php?lang=de 41 Membrane Separation Technologies to 2010, The Freedonia Group 2006

Nanotechnologien im Bereich Wasser haben ein hohes

Inno-vationspotenzial

SteigenderWasserbedarf zieht

Innovationen entlang der gesamten

Wertschöpfungskette nach sich

Die Nachfrage nach Membranverfahren

wächst stark

Bereiche 39

bei einem jährlichen Wachstum von 9,4 %42 marktführend. Auch für die Umkehrosmose mit nanoporösen Membranen wird ein deutliches Wachstum von 10,3 % prognostiziert. Fallende Produktionskosten (seit 1990 sind z. B. die Kosten für Mikrofiltrationsmembranen um 80 % gesunken), eine steigende Nachfrage, besonders von Seiten der Industrie, begünstigen diese Entwicklung.

In Deutschland ist neben den klassischen Versorgern wie RWE insbesondere Siemens bei der Umsetzung nanotechnologischer Innovationen im Wassersektor aktiv. Durch die Beteiligung der Siemens Venture Capital (SVC) an dem Filtrationsanlagenhersteller Inge AG und der Akquisition von USFilter hat sie sich eine gute Ausgangsposition geschaffen, um ein Global Player im Wassergeschäft zu werden. Siemens will bei der Ultrafiltration der führende Technologieanbieter werden und im Jahr 2010 bereits einen Umsatz von mindestens 100 Mio. € erzielen. Auch der Automobilhersteller Ford setzt in Deutschland innovative Nanofiltrationstechnologien zur Aufarbeitung von Abwässern ein, die bei der Lackierung in der Automobilproduktion anfallen. Eine Pilotanlage wurde im Fordwerk Saarlouis installiert, die als Vorbild für Automobilproduktionsanlagen weltweit dienen soll.

Die Wasserentsalzung ist für aride Länder mit Meerzugang eine wichtige Technologie und wird zunehmend auch zur Aufbereitung anderer Abwässer verwendet. Seit 1975 ist ein exponentielles Wachstum zu verzeichnen.43 Die Produktionskosten für die Umkehrosmose-Techniken konnten in den letzten Jahren jährlich um 10 % gesenkt werden. Experten zufolge ist das Einsparungspotenzial noch nicht ausgeschöpft, und mit einer weiteren deutlichen Preisreduktion ist zu rechnen. Technologische Innovationen führen zu einem geringeren Energieverbrauch und effizienteren Anlagen. Moderne Anlagen, wie z. B. in Ashkalon, Israel, produzieren Wasser für 0,527 US-$ pro m3.

Der Schweizer Vermögensverwaltung Sustainable Asset Management (SAM) zufolge wird die Bedeutung der Meerwasserentsalzung insbesondere mittels Nano- und Ultrafiltration weltweit zunehmen und das Marktvolumen von heutigen drei Mrd. Dollar auf 70 Mrd. Dollar in 2020 anwachsen. Für die MENA Region (Middle East and North Africa Region) wird das größte zukünftige Marktvolumen (2 Mrd. US-$ in 2010) gesehen, für den asiatischen Raum ein Wachstum auf eine Milliarde US-$. Auch andere Regionen setzen verstärkt auf die Wasserentsalzung, um Wasserknappheiten zu vermindern. In England

42 The Membrane Microfiltrations Market, BCC Market Research 2006 43 http://www.ifat.de/id/30364/CMEntries_ID/57283/cubesig/c8e6313bdbcf6

d769290fe56d86edddb

Nanofiltration auch in Deutschlands Unternehmen gefragt

Wasserentsalzung – ein Markt der Zukunft


soll nach den Vorstellungen des privaten Versorgers Thames Water eine Entsalzungsanlage im Themse Delta entstehen.44

Wichtige Treiber für die Technologieentwicklung im Bereich Wasser/Abwasser in Deutschland und der europäischen Union sind gesetzliche Vorschriften wie die EU-Wasserrahmenrichtlinie von 2000, die europaweit das Ziel verfolgt, die Gewässer in einen „guten ökologischen Zustand“ zu bringen. Die Umsetzung dieser Richtlinie stellt v.a. eine große Herausforderung für die neuen EU-Mitgliedsstaaten dar. In Deutschland spielt die Abwasserverordnung vom 1.1.2005 eine wichtige Rolle, die die Abwasserbehandlung für 53 Branchen regelt. Regulatorische Anforderungen stellen auch in den USA einen der Hauptreiber für nanotechnologische Innovationen im Wasserbereich dar. Durch die amerikanische Umweltbehörde (EPA) wird das Thema Nanotechnologie und Umwelt seit einigen Jahren intensiv vorangetrieben. Die jährlichen Fördermittel im Bereich der Umwelt, Gesundheits- und Sicherheitsforschung der Nanotechnologie werden betragen über 40 Mio. $. Insbesondere die US-amerikanische Umweltbehörde EPA unterstützt eine ganze Reihe an Forschungsprojekten, die zu ökoeffizienteren und umweltverbessernden Anwendungen durch Nanotechnologien führen könnten u. a. im Rahmen des EPA’s Small Business Innovation Research (SBIR).

1.2 Luft


Die Luftreinhaltung zählt ebenso wie der Themenbereich Wasser zu den klassischen Aufgaben des Umweltschutzes. Spurengase aus dem Verkehr, aus der Industrie, aus Kraftwerken, Kleinfeuerungsanlagen und der Landwirtschaft beeinträchtigen die menschliche Gesundheit, zerstören Gebäude und Kulturdenkmäler, verändern (z. B. durch saure oder stickstoffhaltige Niederschläge) den Stoffhaushalt der Ökosysteme und beeinträchtigen die Qualität der Gewässer. Spezielle Schadstoffgruppen, wie halogenierte Kohlenwasserstoffe (z. B. CKW), führen in der oberen Atmosphäre zum Abbau des troposphärischen Ozons. Die Treibhausgase, die zum Klimawandel beitragen (CO2, N2O, CH4 etc.), werden nicht in diesem Kapitel behandelt, sondern im Kapitel Energie.

Bezüglich der Luftbelastung (Schadstoffgruppen und Exposition) muss zwischen der Situation in industrialisierten Ländern und Schwellen- und Entwicklungsländern unterschieden werden: In Entwicklungsländern

44 http://www.diepresse.com/Artikel.aspx?channel=e&ressort=eo&id=562600

Auch England hat mit Wasserknappheiten

zu kämpfen

Regularien und Auflagen sind eine

treibende Kraft

Die Luftbelastung in industrialisierten und Entwicklungsländern

hat verschiedene Ursachen

Bereiche 41

spielt die Luftverschmutzung in Innenräumen durch ineffiziente offene Feuerstellen mit traditionellen Brennstoffen eine wichtige Rolle; bei der Luftverschmutzung in Städten sind v. a. SOx (durch die Verbrennung und unzureichende Rauchgasreinigung schwefelhaltiger Kohle), NOx und Stäube hervorzuheben:

Abbildung 13: Entwicklung der SO2-Belastung in Deutschland seit 1990

In industrialisierten Ländern ist die Belastung mit SOx und Stäuben durch effiziente Umweltschutztechnologie stark zurückgegangen; Emissionen von Feinstäuben und flüchtigen organischen Verbindungen spielen dagegen eine zunehmende Rolle. Luftschadstoffe werden über weite Distanzen transportiert.

Luftverschmutzung und menschliche Gesundheit

Die Luftverschmutzung hat Folgen für die menschliche Gesundheit. So werden weltweit etwa 0,8 bis 2,4 Millionen Todesfälle pro Jahr („premature deaths“) auf die v.a. in Entwicklungsländern anzutreffende Luftverschmutzung von Innenräumen (verursacht durch ineffiziente Verbrennung von Biomasse oder Kohle in geschlossenen Räumen) zurückgeführt; weitere 800.000 Todesfälle pro Jahr werden auf die Luftverschmutzung in Städten zurückgeführt (Smith et al. 2004 und Cohen et al. 2004 zitiert in [UNEP 2006]).

Verschiedene Erkrankungen, wie Atemwegserkrankungen, Allergien und Herzerkrankungen, werden u. a. auch auf den Einfluss verschiedener Luftschadstoffe zurückgeführt. Der ökonomische Schaden, der weltweit durch Luftverschmutzung entsteht, wird auf 0,5 bis 2,5 % des globalen Bruttosozialprodukts geschätzt [WRI 2002]. In Europa ist in den letzten Jahren v.a. die Belastung mit Feinstaub (Partikel der Größe PM10 =

800.000 Todesfälle pro Jahr wegen Luftverschmutzung in Städten

Feinstaub ist eine zunehmendeBelastung


Partikel, die einen größenselektierenden Lufteinlass passieren, der für Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von 10 m eine Abscheidewirksamkeit von 50 % aufweist.) in die Diskussion geraten; insbesondere in Städten, werden die gemäß der EU-Richtlinie vom 22. April 1999 (99/30/EG), seit Januar 2005 geltenden Grenzwerte (Tagesmittelwert von mehr als 50 g PM10-Partikel/ m3 Luft an maximal 35 Tagen im Jahr) regelmäßig überschritten.

Schadstoffgruppen

Die wichtigsten statistisch regelmäßig erfassten Luftschadstoffe sind Schwefeloxide (SOx), Stickoxide (NOx), Kohlenmonoxid (CO) sowie flüchtige organische Verbindungen (VOC). Dazu kommen Partikel, Stäube und Feststoffe in unterschiedlichen Größen, flüssige und gasförmige Schadstoffe sowie Gerüche. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die wichtigsten Schadstoffgruppen

Tabelle 1: Überblick über die wichtigsten Luftschadstoffe (aus Schmidt, Technologieführer)

Seit den 1990er Jahren wurden in den OECD-Ländern starke Emissionsreduktionen für SOx, CO, Blei und Stäuben erreicht. Die Emissionen von NOx und VOC sind seither ebenfalls leicht zurückgegangen. Dagegen sind die Emissionen von feinen und ultrafeinen Partikeln angestiegen (OECD 2001).45

45 OECD (2001): OECD Environmental Outlook

Luftschadstoffe sind von unterschied-

lichster Natur

Staub, Partikel, Feststoffe:

- Asche aus Feuerungen - Ruß aus Feuerungen, Kfz - Zement aus Zementfabrikation - Metallstäube aus

metallurgischen Prozessen

Flüssige Partikel: - Ölnebel- Feinste Tröpfchen aus

kondensierten Gasen - Feinste Wassertröpfchen mit

gelösten Stoffen

Gasförmige Emissionen - Stickoxide, Kohlendioxid aus

Verbrennung - Schwefeldioxid aus Verbrennung

fossiler Brennstoffe - Ammoniak aus Viehhaltung - Lösungsmittel aus chem.

Reinigung, Farben, Lacken, Klebern

- Benzindämpfe beim Tanken

Gerüche:- Verbrennung von Holz - Massentierhaltung (Ammoniak,

Methan)

Bereiche 43

Emittenten

Die Hauptquellen für Luftschadstoffe sind die Energieerzeugung, der motorisierte Verkehr, industrielle Fertigungsprozesse und private Haushalte. Abbildung 14 gibt einen Überblick über den Beitrag der Hauptverursacher der wichtigsten Luftschadstoffe. Die Landwirtschaft ist eine wichtige Quelle für Ammoniak (NH3) und Methan (CH4).

Abbildung 14: Überblick über die wichtigsten Emittenten in OECD-Ländern.



Vermeiden: Durch die Veränderung des Energie-Mixes (Gas statt Kohle, Hybridantriebe, Erdgasfahrzeuge statt Ottomotoren, Wasserstoff-technologie, Brennstoffzellenfahrzeuge) wird eine sauberere Verbrennung und damit geringeres Schadstoffaufkommen erreicht.

Optimieren: Durch die Steuerung des Verbrennungsprozesses kann die Entstehung von Schadstoffen verringert und somit die Notwendigkeit des Einsatzes von nachgeschalteten Filtern verringert werden - beispielsweise die Entstehung von SO2 durch die Verwendung schwefelarmer Kohle oder die Entstehung von NOx durch Rauchgasrezirkulation sowie mehrstufige Luft- oder Brennstoffzufuhr (Primärentstickung). Von besonderer Bedeutung ist hier auch die Optimierung des Verbrennungsprozesses an sich. Dadurch kann Treibstoff effizienter genutzt und der Schadstoffausstoß verringert werden.

Aufbereiten und Filtern: Durch Filtrationsverfahren werden Schadstoffe aus dem Abgas- bzw. Abluftstrom entfernt. Man unterscheidet z. B. Membranverfahren, Rauchgasentschwefelung, Nass-entstaubung, elektrostatische Verfahren und Schlauchfilter. Katalysatoren

Landwirtschaft, Industrie und private Haushalte sind Hauptemittenden

Drei Strategien zur Lösung der Herausforderungen

Vermeiden z. B. Veränderung des Energie-Mixes

Optimieren z. B. des Versorgungsprozes-ses bedeutet weniger Schadstoffausstoß

Aufbereiten/Filtern: z. B. Katalysatoren


werden sowohl in PKW-Motoren als auch in technischen Groß-feuerungsanlagen eingesetzt. So ist z. B. das SCR-Verfahren (selective catalytic reduction), bei dem Katalysatoren aus Titandioxid, Wolfram-oxid, Vanadiumpentoxid oder Zeolithe zum Einsatz kommen, das häufigste in Deutschland eingesetzte Verfahren zur Rauchgasentstickung.

Mess- und Regeltechnik: Dazu zählen sowohl Verfahren, die direkt am Ort der Emission die Schadstoffflüsse bestimmen als auch Verfahren, die - z. B. über die Messnetze der Landesumweltämter die Immission vor Ort bestimmen. Dabei kommt eine Vielzahl analytischer Verfahren zum Einsatz, z. B. Fotometrie, Kolorimetrie, Gaschromatographie, Massen-spektrometrie, Gravimetrie (für Stäube).

Innovationstreiber Gesetzliche Rahmenbedingungen

Investitionen in Luftreinhaltung werden im Allgemeinen durch gesetzliche Vorgaben zu Emissions- oder Immissionsgrenzwerten ausgelöst. In Deutschland spielt hier das Bundesimmissionsschutzgesetz eine zentrale Rolle (BImschG), das 2002 novelliert wurde. Die EU hat 2005 eine thematische Strategie zur Luftreinhaltung entwickelt (CAFE - Clean Air for Europe), die langfristig (Zeithorizont 2020) angelegt ist. Nach Modellrechnungen können dadurch im Jahr 2020 weitere 63.000 vorzeitige Todesfälle pro Jahr vermieden und somit weitere Schadenskosten von 42-135 Mrd. € pro Jahr eingespart werden. Die Kosten für die erforderlichen Maßnahmen wurden auf 7,1 Mrd. € pro Jahr berechnet. Derzeit existieren auf europäischer Ebene mehrere Richtlinien zur Luftreinhaltung (z. B. Feinstaub-Richtlinie). So wurde die Feinstaub-Diskussion in Deutschland v.a. dadurch ausgelöst, dass seit dem 1.1.2005 verschärfte Grenzwerte für Feinstaub gelten, die durch eine Kombination aus Hintergrundbelastung und hohem Verkehrsaufkommen, insbesondere in Städten, regelmäßig überschritten werden.

Eine US-Marktstudie zur Wettbewerbsfähigkeit der US-Luftreinhaltungs-technologie in Asien46 nennt die Strenge der gesetzlichen Umweltauflagen in den USA als den wichtigsten Wettbewerbsfaktor für den außenwirtschaftlichen Erfolg der Umwelttechnologie: Je strenger die US-Umweltauflagen, umso größer der Marktanteil von US-Technologiefirmen.

Kosten der Luftreinhaltung

Die Umweltschutzausgaben für die Luftreinhaltung sind in Deutschland seit Mitte der 90er Jahre rückläufig. 2001 haben Wirtschaft, Staat und privatisierte Unternehmen insgesamt rund 2.260 Mrd. € für die Luftreinhaltung ausgegeben. Die sinkenden Zahlen sind jedoch nicht als ein Zeichen für eine abnehmende Bedeutung der Luftreinhaltung zu

46 United States - Asia Environmental Partnership (eds., 2001): U.S. Industry Market Leadership in Asia’s Air Pollution Control Sector.

Die Luftreinhaltung ist ein teures Unterfangen

Bereiche 45

interpretieren. Denn zunehmend werden Umweltschutzmaßnahmen von den (statistisch relativ einfach zu ermittelnden) end-of-pipe-Technologien zu produktionsintegrierten Umweltschutzmaßnahmen verlagert, die bislang nur unzureichend statistisch erfasst werden [Rothstein 2004].

Zur Abschätzung der globalen Investitionen in die Luftreinhaltung gibt es erstaunlicherweise nur wenig belastbares Zahlenmaterial. Eine Studie der OECD von 200347 setzt die Kosten der Luftreinhaltung ins Verhältnis zum Bruttosozialprodukt der jeweiligen Länder. Danach werden in den OECD-Ländern zwischen ca. 0,6 und 2,9 % des Bruttosozialprodukts für Luftreinhaltung aufgewendet. Tendenziell kann davon ausgegangen werden, dass die aktuellen Trends in Entwicklungs- und Schwellen-ländern, wie Urbanisierung, Industrialisierung und wachsendes Verkehrs-aufkommen, bei gleichzeitig steigendem Wohlstand in den Städten zu einer verstärkten Bedeutung der Luftreinhaltung (und damit auch der Ausgaben für Luftreinhaltung) führen werden.


In der Luftreinhaltung spielen nanotechnologische Produkte bisher noch keine signifikante Rolle. Vereinzelt finden sich Anwendungen, wie z. B. Nanokatalysatoren zum Abbau von oder nanoporöse Membranen zur Separation luftgetragener Schadstoffe. Für den allgemeinen Haus-gebrauch sind einige Raumluftgeräte mit Nanopartikeln zur Beseitigung unangenehmer Gerüche und Dämpfe kommerziell erhältlich.

Vermeiden: Wasserstofftechnologien und Brennstoffzellen produzieren vernachlässigbare Mengen gesundheitsschädlicher Gase und könnten damit zu einer Vermeidung der Luftverschmutzung beitragen. Beide Technologien werden im Rahmen des Energie-Kapitels ausführlicher dargestellt (vgl. Kapitel 1.4.3 - Energie).

Optimieren: Durch Nanokatalysatoren kann der Verbrennungsprozess effizienter gestaltet und derart den Ausstoß von Abgasen reduzieren. Der Katalysator kann entweder dem Treibstoff beigemengt oder in entsprechende Beschichtungen des Verbrennungsinnenraumes integriert werden (vgl. Kapitel 1.4.3 - Energie).

Aufbreiten und Filtern: Die nachgeschaltete Reinigung von schadstoffhaltiger Luft ist die derzeit vorherrschende Technologie im Bereich Luft. Neben den giftigen (Ab-)Gasen NOx und CO sind gerade im klinischen Bereich auch luftgetragene pathogene Mikroorganismen von Bedeutung. Verschiedene Verfahren zur Reinigung sind denkbar,

47 http://www.oecd.org/LongAbstract/0,2546,en_2649_34283_4704312_ 119656_1_1_37425,00.html

Nanotechnologien können wichtige Beiträge zur Luftreinhaltung leisten


darunter die Katalyse, die Gasseparation, die Abtrennung fester Bestandteile (Partikelfilter) oder die Verkapselung.

(Nano-)Katalysatoren ermöglichen die Adsorption und Reduk-tion/Oxidation von Schadstoffen und tragen so zu deren nachhaltiger Entfernung bei. Experimentell sehr gut charakterisiert ist der Photokatalysator Titandioxid (TiO2), der unter Einfluss von Licht und Wasser reaktive Hydroxyl-Radikale erzeugt, die fast alle organischen Substanzen oxidieren können und auch lebende Organismen angreifen. In Tests konnte gezeigt werden, dass mit nanoskaligem TiO2 beschichtete Kacheln 99,9 % der untersuchten (Penicillin-resistenten) Bakterien-Stämme abtöten [Frazer 2001]. Giftige Gase oder unangenehme Gerüche können mit Titandioxid zu harmlosen Gasen, wie z. B. Kohlendioxid (CO2) und Wasser umsetzt werden [Fujishima 1999]. Dabei hat sich herausgestellt, dass Photokatalysatoren besonders dann effizient für die Entfernung von gasförmigen Verbindungen eingesetzt werden können, wenn diese nur in geringer Konzentration auftreten, aber ein hohes Gesundheitsrisiko oder eine starke Geruchsbelästigung darstellen, wie z. B. Zigarettenrauch.

Die Rolle des Wassers ist beim Mechanismus der Photokatalyse noch nicht eindeutig geklärt, in einigen Fällen konnte eine Beschleunigung der Reaktionsgeschwindigkeit beobachtet werden und auch die Bildung einer Wasserschicht auf der Katalysatoroberfläche wird diskutiert [de Buhr 2005].

Einer der größten Nachteile der Photokatalyse ist die Tatsache, dass das Sonnenlicht keine konzentrierte Energiequelle ist. Zwar liegt das Absorptionsspektrum des TiO2 zwischen 200-400 nm und damit knapp im sichtbaren Bereich des Spektrums, was den Einsatz des Katalysators auch in Gebäudeinnenräumen ermöglicht, aber in diesen Bereich des elektromagnetischen Spektrums ist die Absorptionsbande von TiO2 flach - bei einer eingestrahlten Wellenlänge von etwa 390 nm liegt der Absorptionsgrad des TiO2 nur noch bei etwa 20 %. Der höchste Absorptionsgrad von etwa 95 % wird bei einer Bestrahlung mit Licht der Wellelänge unterhalb von 340 nm, also im UV-Bereich, erreicht [de Buhr 2005]. Dies ist gerade in verglasten Innenräumen problematisch, da normale Quarz-Glasscheiben den UV-Anteil des Lichtes herausfiltern. Zur Verschiebung des Absorptionsbereiches wird die Dotierung von TiO2 mit verschiedenen Substanzen, wie Übergangsmetallen oder organischen Farbstoffen, untersucht.48

48 http://www.innovations-report.de/html/berichte/biowissenschaften_chemie/bericht-20222.html

Die Photokatalyse mit nanoskaligenm

TiO2 beseitigt Pathogene und

Gerüche

Aufbereiten/Filtern: Nanokatalysatoren entfernen Schad-

stoffe aus der Luft

Bereiche 47

TiO2 lässt sich in Form nanoskaliger Partikel kolloidal gelöst, als Pulver oder als dünne kristalline Schicht realisieren und zeichnet sich durch eine gute Wiederverwendbarkeit aus. Das Anwendungsspektrum ist entsprechend breit und reicht von sich selbst reinigenden Wandfarben49

oder Fassadenanstrichen über die Beschichtung von Dunstabzugshaubenzur Eliminierung von Bratgerüchen bis hin zur Beimengung in Zement im Straßenbau. TiO2-beschichtete Bauelemente oder Kacheln dienen bereits heute in sanitären Bereichen oder in Krankenhäusern der Verbesserung der Sauberkeit und der Raumluft [Frazer 2001]. Bei einigen Luftreinigungsanlagen werden neben dem Photokatalysator auch Aktivkohle oder Zeolithfilter eingesetzt, die über Nacht gasförmige Luftverunreinigungen absorbieren. Am nächsten Tag werden diese dann photokatalytisch zerstört. Der von der japanischen Firma Daikin Industries produzierte Luftreiniger für Wohnräume, in dem das notwendige UV-Licht mit einer Lampe erzeugt wird, hat sich in Japan mit mehr als einer Million verkaufter Exemplare zu einem durchschlagenden kommerziellen Erfolg entwickelt. Nano-basierte photokatalytisch aktive Beschichtungen tragen neben der Luftreinigung auch zur Einsparung von Verbrauchsmaterialien, wie Reiniger, Wasser und Energie bei.

Die Photokatalyse mit TiO2 kann auch zur Entfernung von Luftschadstoffen in Ballungsräumen eingesetzt werden. So wird z. B. NO2, einem Luftschadstoff, dem eine kritische Funktion bei der Entstehung von Ozon (Sommersmog) zukommt, an TiO2-Photokatalysatoren oxidiert. Für solche Anwendungen reichen bereits Lichtintensitäten von 0.1 Milliwatt pro cm2 aus, Lichtintensitäten wie sie in mittleren Breiten auch an bewölkten Wintertagen erreicht werden. Probleme bei dieser Anwendung bereitet jedoch noch die entstehende Salpetersäure, die sich auf dem Photokatalysator ablagert. Nur wenn dieses Reaktionsprodukt vom Katalysator durch hinreichenden Regenfall abgewaschen wird, ließe sich die Photokatalyse für die Entfernung von NO2 aus der Luft effektiv einsetzen.

Photokatalysatoren werden auch zur Abluftbehandlung eingesetzt um die aufwändige „thermische Nachverbrennung“ schadstoffhaltiger Abluft zu minimieren, insbesondere dann, wenn die Konzentration der gefährlichen Komponenten im Gasstrom nur wenige hundert ppm beträgt. Die Photokatalyse an nanoskaligem TiO2 kann zu einer Totaloxidation der betreffenden Stoffe führen meist sind das verschiedene Kohlenwasserstoffe wie Alkane, Alkene oder Aromaten. Hierbei wird kontrovers diskutiert, ob und unter welchen Bedingungen eine Totaloxidation stattfindet und ob möglicherweise schädliche Neben- oder stabile Zwischenprodukte entstehen können. Von ökologischem und ökonomischem Vorteil sind die geringen Reaktionstemperaturen

49 http://www.welt.de/data/2006/09/20/1042738.html

TiO2 lässt sich als Pulver, Beschichtung oder granulares Medium realisieren

Luftreiniger mit nanoskaligem TiO2

und UV-Lampe für trübe Tage

Eine Totaloxidation der Schadstoffe ist durch die Photo-katalyse möglich


(Raumtemperatur) und der kostengünstige Einsatz von UV-Lampen [Kleinschmidt 2001].

Weitere photokatalytisch aktive Substanzen, wie ZnO [Rohe 2006] oder Fullerene [Hoffknecht 2006] sowie auch andere Stoffe mit biozider Wirkung, wie nanoskalige Silber- oder Goldpartikel, werden untersucht [Morones 2005].

Die Filtration/Separation/Adsorption, also die Abtrennung und anschließende Entsorgung schädlicher Gase oder Stäube aus der Luft mittels geeigneter Verfahren, ist eine andere Möglichkeit der Luftreinigung. Für eine Abtrennung von Gasen kommen Membranen aus verschiedenen Materialien in Frage, die ähnlich konzipiert sind wie jene in der Wassertechnologie. Beispiele sind Zellulose-Nanofasern, polymere Nanofasern, Nanofaser-Netze und nanoporöse Zeolithe sowie Keramiken, Aerogele, SAMMS oder Dendrimer-funktionalisierte Membranen.

Mikro- und nanoporöse Membranen werden für das Zurückhalten von Kohlendioxid aus dem Abgas von Kraftwerksanlagen getestet. Die Verminderung der Emission des Treibhausgases CO2 und dessen längerfristige Speicherung stehen im Vordergrund dieser Untersuchungen. Polymer- und anorganische Membranen in Verbindung mit nanoskalige Materialien sind hierbei Gegenstand heutiger Forschungen.50

Für die Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff oder Wasser und Kohlenwasserstoffen sind verschiedene Membranen, wie Nano-Komposit-Membranen [Killgore 2006], Molekularsiebe mit metallischen Nanopartikeln oder auch Silizium-Karbid-Membranen51 in der Erprobung [Schoonman 2005]. Die Erzeugung von sauberem Wasserstoff ist für das Voranbringen der Wasserstofftechnologien von großem Interesse (vgl. Kapitel 1.4.3 - Energie).

Ein anderes Beispiel sind nanoporöse Partikelfilter, z. B. in Dieselkraftfahrzeugen [Vaaraslahti 2004]. Ruß-Nanopartikel sind ein Resultat von heterogenen Verbrennungsprozessen. Ihre Freisetzung muss aufgrund der schädlichen Wirkungen auf den Menschen minimiert werden.

Auch die Verkapselung von Gasen und Gerüchen kann dazu dienen, diese aus der Luft zu entfernen. Cyclodextrine sind nanoskalige, käfigartige Zucker-Strukturen, die apolare Substanzen, wie Öle oder viele Duftstoffe aufnehmen können.

50 http://gcep.stanford.edu/research/factsheets/membrane_subnanoscale.html 51 http://unit.aist.go.jp/isc/english_ver/each_groups_e/membseppro_e/membseppro_

e.htm

Filtration: Nano-poröse Membranen

dienen der Ab-trennung von Gasen

Verkapselung: Dünste können in Cyclo-dextrine einge-

schlossen und wieder freigegeben werden

Bereiche 49

In Verbindung mit Wasser, also z. B. in der Waschmaschine, werden die verkapselten Stoffe verdrängt und so wieder freigesetzt. Durch die Synthese von Derivaten natürlicher Cyclodextrine gelang es, die Moleküle über Celluloseacetat-Fäden an Textilien zu binden.52 Damit können Textilien hergestellt werden, die Gerüche und Dünste aufnehmen und beim Waschen wieder abgeben erste Produkte, wie Anzüge der Marke Bugatti, enthalten bereits das so genannte „Fresh Concecpt“.53

Auch die Sitzbezüge mancher japanischer Taxis sind mit derartigen Materialien versehen.

Abbildung 15: Schematische Darstellung des molekularen Aufbaus eines Cyclodextrins (Quelle: Uni Giessen54)

Mess- und Regeltechnik: Die Detektion von Stickoxiden (NOx) und Kohlenmonoxid (CO) aus Motoren und industriellen Abgasen ist für die öffentliche Gesundheit wichtig. Gassensoren mit nanostrukturierten Oberflächen oder Nanopartikeln können mobile Analyseeinheiten mit integrierten Sensoren auf einem CMOS-Chip und damit eine schnelle Vor-Ort-Diagnostik ermöglichen. Auch die Detektion von luftgetragenen Pathogenen, wie z. B. SARS, ist von Bedeutung. Hierzu können Immuoassay-basierte Sensoren mit nanoskaligen Werkstoffen oder Lab-on-a-chip-Systeme dienen.

Neben vielen der bereits im Wasserbereich beschriebenen, und auch auf gasförmige Stoffe übertragbarer Sensoren (vgl. Kapitel 1.1.3 - Wasser), sind insbesondere Festkörper-Sensoren für den Nachweis von Gasen etabliert. Hierbei wird typischerweise ein halbleitendes Metalloxid auf ein Substrat mit zwei Elektroden aufgebracht und die Änderung des Widerstandes gemessen. Als Halbleitermaterialien kommen z. B.

52 vdi-nachrichten vom 1. April 2005 53 http://www.drapilux.com/pics-artikel/Duftoffensive_S1.pdf 54 http://www.uni-giessen.de/~ge1016/skripte/cyclodex.pdf

Herrenanzüge und Sitzbezüge von Sofas enthalten bereits Cyclodextrine zurGeruchsabsorption

Sensoren für den sensitiven Nachweis von Gasen enthalten nanoskaligeHalbleitermaterialien


Zinndioxid (SnO2), Zinkoxid (ZnO), Titandioxid (TiO2) oder Wolframoxid (WO3) in Betracht; die Betriebstemperatur liegt zwischen 200 bis 400°C. Da die Sensitivität von der Größe der Oberfläche abhängt, sind nanoskalige, halbleitende Materialien besonders zur Verbesserung der Sensitivität des Sensors geeignet [Rickerby 2007].

Auch einwandige Kohlenstoffnanoröhren könnten zur Detektion von Stickoxiden und anderen stickstoffhaltigen Gasen eingesetzt werden. Hierbei induziert die Anwesenheit entsprechender Gase eine Änderung des elektrischen Widerstandes der Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT-Gassensor). Diese Art von Sensor erlaubt eine hochaufgelöste Konzentrationsbestimmung von Gasen mit höherer Sensitivität und kürzerer Detektionszeit als bei entsprechenden, herkömmlichen Festkörper-Sensoren [Kong 2000].


Gerade Ballungsräume sind stark mit luftgetragenen Partikeln oder gasförmigen Schadstoffen belastet. Neue nanotechnologische Konzepte zur Reinigung der Luft oder Separation von unangenehmen Gerüchen sind daher willkommen.

Für den Hausgebrauch soll ein neues Raumluftfiltersystem sowohl feste Bestandteile, unangenehme Gerüche als auch toxische Gase aus der Raumluft filtern (Nano e-HEPA Air Purifier System). Das 12-stufige Verfahren nutzt Metallfilter, die mit nanoskaligen Silberpartikeln beschichtet sind. In Versuchen konnte dieses Filtergerät 99,7 % der durchgeschleusten Influenza-Viren unschädlich machen und durch eine Bestrahlung mit UV-Licht auch die Anzahl an Bakterien reduzieren. Gerüche wurden zu einem hohen Prozentsatz (98 %) vernichtet und in einer zweiten Filterungsstufe konnte die Konzentration von gasförmigen organischen Substanzen (Lösungsmittel aus Farben und Klebstoffen) deutlich reduziert werden. Der Raumluftverbesserer ist seit dem Jahr 2004 auf dem Markt erhältlich.

Ein anderer Raumluftverbesserer ist auf die Entfernung des Gases Ethylen konzentriert. Ethylen ist ein Pflanzenhormon, das von fast allen Pflanzen produziert und freigesetzt wird, um die Fruchtreifung auszulösen. Ethylen reguliert jedoch auch Alterungsprozesse in den Blüten und Blättern - es ist der zentrale Regulator für Zelltodprogramme in Pflanzen [Bleecker 2000].

CNT-Gassensoren haben eine hohe

Sensitivität

Raumluftfiltersystem mit nanoskaligen Silberpartikeln

reduziert toxische Gase und Gerüche

Bereiche 51

Abbildung 16: Ein Raumluftfiltersystem mit nanoskaligem TiO2 für den Heimgebrauch 55

Für Floristen, Blumenläden und beim Transport und der Lagerung von Obst und Gemüse ist es daher von Vorteil, dieses Gas aus der Luft zu entfernen. Hierfür wird nanoskaliges Titandioxid auf entsprechenden Trägermaterialien in Verbindung mit UV-Licht verwendet. Das System kann nicht nur Ethylen entfernen, sondern eine ganze Reihe weiterer Substanzen und damit vielfach eingesetzt werden. Ursprünglich ist das Verfahren für die Raumfahrt entwickelt worden um die Wachstumsretardierung von Raumfahrern zu verhindern und die Zucht von Gemüse an Bord von Raumfähren/Raumstationen (MIR) zu erleichtern.56

Hohlfasern aus nanoskaligen Werkstoffen könnten nicht nur zur Reinigung von Wasser und verseuchtem Boden dienen, sondern auch schädliche Gase, wie das Treibhausgas Kohlendioxid, aus Abgasen speichern und einem Recycling oder einer Weiterverwendung zuführen. Die Fasern können aus verschiedenen Polymeren gefertigt werden und weisen je nach Verwendungszweck Porengrößen zwischen 2 und 100 Nanometer auf (vgl. Abbildung 17). Die einzelnen Fasern lassen sich zu Bündeln zusammenfassen durch die Abgase, z. B. aus Verbrennungs-anlagen, geleitet werden können. Das Material ist schnell regenerierbar;innerhalb von etwa 20 Minuten können absorbierte Gase aus den Fasern extrahiert und weiter verarbeitet werden [Perera 2007].

55 http://www.kesair.com/airocide_products_and_services.htm 56 http://www.kesair.com/airocide_and_nasa.htm

Nanohohlfasern können CO2 speichern

Absorbiertes CO2

kann schnell wieder abgegeben werden


Abbildung 17: Hohlfasern mit nanoskaligen Poren zur Absorption von Gasen, wie z. B. Kohlendioxid oder VOC (Quelle: [Perera 2007])

Weitere Nanotechnologien im Luftsektor sind auf die photokatalytische Beseitigung von Schadstoffen sowie die genauere und sensitivere Messung von Gasen ausgerichtet. Im Folgenden werden noch einige weitere Beispiele und aktuelle Projekte in der Kurzdarstellung erläutert.

Ein mit TiO2-Nanopartikeln beschichteter Straßenbelag soll Stickoxide (NOx) von Autoabgasen photokatalytisch in harmlosere Gase umwandeln und so die Stickoxid-Belastung in Großstädten senken. In Japan sind entsprechende Bodenbeläge bereits in der Erprobung [Frazer 2001].

Die Fraunhofer Allianz Photokatalyse beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer, umweltentlastender Photokatalysatoren für das Aufbringen in Beschichtungen von Glas, Keramiken oder Kunststoffen. So sollen Luftschadstoffe abgebaut und auch Pathogene vernichtet werden.57

Forscher der Technischen Universität Braunschweig haben einen nanoporösen Metallfilter entwickelt, der sich durch homogen verteilte, sehr feine Poren auszeichnet. In Tests konnten Bakterien und Viren damit gefiltert werden und auch andere luftgetragene Partikel lassen sich damit zurückhalten.58

Forscher aus Bangkok haben in 13 Bezirken, der stark mit Abgasen belasteten Stadt, einen nanobasierten Gassensor zur großflächigen Echtzeitüberwachung getestet. In Verbindung mit einem Internet-GIS (geographischen Informationssystem) können so raumbezogene Messwerte in Echtzeit drahtlos übertragen und verarbeitet werden [Pummakarnchana 2005].

Das EU-Projekt NANOS4 beschäftigt sich mit der Entwicklung eines nanostrukturierten Metalloxid-Sensors zur Detektion von Stickoxiden. Der Sensor soll sich durch besonders hohe Effizienz

57 http://www.photokatalyse.fraunhofer.de/ 58 http://www.pro-physik.de/Phy/leadArticle.do;jsessionid=

B2B1332035422158D1872DE253BCE6F0?mid=197&laid=6110

Straßenbelag mit nanoskaligem TiO2

soll Autoabgase eliminieren

Bereiche 53

und sehr niedrigem Energieverbrauch gegenüber herkömmlichen Festkörper-Sensoren hervorheben.59

Forscher im Joint Research Center der Europäischen Kommission in Ispra beschäftigen sich mit der Untersuchung von wireless low-cost Sensoren, basierend auf Nanotechnologien, die in ein entsprechendes Netzwerk integriert werden und der Überwachung von großen Arealen dienen können. Die Sensoren sollen als plug-and-play Instrumente dem Netzwerk zugeschaltet werden und können das Monitoring gefährlicher Gase in Echtzeit ermöglichen [Skouloudis 2006].

Die finnische Institution zur Förderung von Technologie und Innovation (TEKES), zusammen mit verschiedenen weiteren finnischen Einrichtungen, hat im Jahr 2002 ein Programm zur Untersuchung von Partikeln und deren Auswirkungen für Mensch und Umwelt (FINE particles - Technology, Environment and Health Technology Programm) aufgelegt. Zahlreiche Projekte beschäftigen sich mit der Entwicklung von nanoskaligen Sensoren zur Detektion von Gasen und Pathogenen.60

Das BMBF fördert verschiedene Projekte zur Analytik luftgetragener Schadstoffe und Gase, besonders im Automobil-Bereich. Beispiele sind die Projekte CarGas (Untersuchung und Entwicklung CMOS kompatibler Gassensoren) und IESSICA (Entwicklung industrieller Gas-Sensor-Systeme in Verkehr und Umwelt). (vgl. Anhang - Fördersituation).

Japanische Forscher haben ein neues Material aus porösem Manganoxid und nanoskaligen Goldpartikeln entwickelt, das verschiedene Luftschadstoffe abbauen kann. Die Forscher zeigten im Experiment, dass die Menge an Stick- und Schwefeloxiden sowie Acetaldehyd, Toluol und Hexan drei der häufigsten Luft-schadstoffe im Freien und in Innenräumen durch den Einsatz des Katalysators signifikant reduziert wird [Sinha 2007].


Eine seriöse Abschätzung von globalen Marktpotenzialen für Luftreinhaltungstechnologien ist insbesondere in Verbindung mit der Integration nanotechnologischer Entwicklungen nur schwer möglich. Generell lässt sich jedoch feststellen, dass die oben beschriebenen Trends in den nächsten Jahren und Jahrzehnten zu einer verstärkten Nachfrage nach effizienteren Luftreinhaltungstechnologien führen werden. Einzelne länderbezogene Studien und Analysen gehen von starken Zuwachsraten

59 http://www.nanos4.org/ 60 http://www.tekes.fi/julkaisut/Fine_Mittaus.pdf

Abschätzung der Marktpotenziale von Nanotechnologien zur Luftreinhaltung ist schwierig


für Luftreinhaltungstechnologien insbesondere in Entwicklungs- und Schwellenländern aus.

So geht laut einer US-amerikanischen Studie61 das südkoreanische Umweltministerium davon aus, dass aufgrund von schärferer Gesetzgebung und zunehmender Industrialisierung der koreanische Markt für Luftreinhaltungstechnologien jährlich um 15 % wachsen wird (zum Vergleich: globales durchschnittliches Wachstum 3 - 6 %). In 2001 betrug das Marktvolumen in Korea ca. 1,4 Mrd. US-$. Der US-amerikanische Markt für Luftfilter wird von Freedonia für das Jahr 2010 auf etwa 1,3 Mrd. US-$ geschätzt mit jährlichen Wachstumsraten von 6,4 % Ein Hauptanteil des heutigen Marktes für Produkte zur Luftreinhaltung entfällt auf tragbare Luftreiniger, die dafür ausgelegt sind, die Luft in einem einzelnen Raum zu behandeln. Insbesondere auch in diesem Bereich können nanotechnologische Lösungen wichtige Beiträge liefern.

Investitionen in die Luftreinhaltung werden insbesondere durch gesetzliche Vorgaben zu Emissions- oder Immissionsgrenzwerten ausgelöst. In Deutschland spielt hier das Bundesimmissionsschutzgesetz (BImschG) eine zentrale Rolle. Die EU hat 2005 eine thematische Strategie zur Luftreinhaltung entwickelt (CAFE – Clean Air for Europe): Nach Modellrechnungen können dadurch im Jahr 2020 weitere 63.000 vorzeitige Todesfälle pro Jahr vermieden und somit weitere Schadenskosten von 42–135 Mrd. € pro Jahr eingespart werden. Die Kosten für die erforderlichen Maßnahmen wurden auf 7,1 Mrd. € pro Jahr berechnet. Derzeit existieren auf europäischer Ebene mehrere Richtlinien zur Luftreinhaltung (z. B. Feinstaub-Richtlinie). So wurde die Feinstaub-Diskussion in Deutschland v. a. dadurch ausgelöst, dass seit Anfang 2005 verschärfte Grenzwerte für Feinstaub gelten, die jedoch durch eine Kombination aus Hintergrundbelastung und hohem Verkehrsaufkommen in Städten regelmäßig überschritten werden.

1.3 Boden


Böden sind als Ressource entscheidend für Landwirtschaft, als Standorte für Siedlungen und menschliche Infrastruktur und als Teil der natürlichen Ökosysteme. Böden spielen eine entscheidende Rolle bei der Reinigung von Sickerwasser und als Kohlenstoffspeicher (Klima). Weltweit sind die Böden durch menschliche Aktivitäten gefährdet; wesentliche Umwelt-probleme sind Erosion, Schadstoffbelastungen, Nährstoffverluste durch Übernutzung, Versalzung, Flächenversiegelung und Rohstoff-gewinnung (z.B. durch Bergbau). Der globale Klimawandel verstärkt den Abbau

61 http://strategis.ic.gc.ca/epic/internet/inimr-ri.nsf/en/gr111949e.html

Hauptanteile des Marktes entfallen

auf tragbare Luftreiniger

Bereiche 55

organischer Substanz in Böden, so dass sich weltweit die Böden derzeit von einer CO2-Senke in eine CO2-Quelle verwandeln. Insgesamt sind global etwa 15 % der Erdoberfläche (entspricht der Fläche der USA und Mexikos zusammen) durch menschliche Aktivitäten von Bodendegradation betroffen (UNEP 2002).

Abbildung 18: Weltweites Ausmaß der Bodendegradation (Quelle: UNEP 2002: Global Environmental Outlook 3)

Böden zählen als nicht erneuerbare Ressourcen, da sie durch Verwitterung des mineralischen Ausgangsgesteins und Anreicherung organischer Substanz über längere Zeiträume (Größenordnung 1000 bis 10.000 Jahre) entstehen.

Im Folgenden werden die wesentlichen menschlichen Einflüsse, die zur Bodendegradation führen, kurz beschrieben und verschiedene Technologien und Maßnahmen des Bodenschutzes erläutert:

Landwirtschaft: Die Landwirtschaft ist weltweit einer der Hauptverursacher für Bodenzerstörung und Bodendegradation. Die Hauptursachen sind Überweidung (35 %), Abholzung von Wäldern ( 30 %) und Feldbau (27 %). Die Bewässerungslandwirtschaft, führt zu zunehmender Versalzung der Böden, die damit meist unbrauchbar für die landwirtschaftliche Nutzung werden. Erosion durch Wasser und Wind sind die Hauptursachen für Bodendegradation auf landwirtschaftlichen Nutzflächen; Belastungen durch atmosphärische Schadstoffeinträge und die Anreicherung mit Pestiziden kommen hinzu. Neben der landwirtschaftlichen Produktion für die Ernährung nimmt global die Bedeutung der Landwirtschaft für die Herstellung nachwachsender Rohstoffe zu.

Atmosphärische Schadstoffeinträge: Hierzu zählen Luftschadstoffe, die bodenversauernd oder düngend wirken (SO2, NOx, NH3) oder diffuse Einträge durch Pestizide und industrielle Luftschadstoffe. Diese Probleme treten v.a. in Nordwesteuropa und Nordamerika auf; durch die

15 % der Erdoberfläche sind von Degradation betroffen

Landwirtschaft ist Hautverursacher von Bodendegradation


zunehmende Industrialisierung werden sie aber auch in Ländern wie China bedeutsam.

Versiegelung: Täglich werden in Deutschland etwa 130 ha Boden versiegelt - im Rahmen der Nachhaltigkeitsstrategie der Bundesregierung soll diese Zahl mittelfristig auf 30 ha reduziert werden. Versiegelung führt zum kompletten Verlust des Bodens und seiner Funktionen sowie zu einer Beeinträchtigung des Wasserkreislaufs (Versickerung, Grundwasserneubildung, Hochwasserprävention). In Europa ist das Problem der Bodenversiegelung vor allem in den Beneluxstaaten und Deutschland sowie in den Küstengebieten der Mittelmeerstaaten aktuell.

Altlasten: Altlasten entstehen durch lokale Kontamination von Böden mit Schadstoffen unterschiedlicher Art. Die häufigsten Altlastenstandorte in Europa sind ehemalige Mülldeponien und (alte) Industriestandorte, außerdem militärische Flächen und Bergbau- bzw. Standorte der Rohstoffförderung (z. B. Erdöl). Die Schadstoffzusammensetzung variiert stark - Schwermetalle, halogenierte Kohlenwasserstoffe, stabile Aromaten, Phenole und Cyanide sind nur einige Beispiele für häufige Schadstoffgruppen. Meist sind nicht nur die Böden beeinträchtigt, sondern auch das Grundwasser.

Abbildung 19: Hauptstoffgruppen der Bodenverschmutzung in ausgewählten Ländern Europas (Quelle: EEA 2005) (Main contaminants at industrial and commercial sites affecting soil and groundwater in selected countries as % of total)

Täglich werden in Deutschland 130 ha

Boden versiegelt

Altlasten stellen eine starke Belastung dar

Bereiche 57

Bergbau: Bergbau zählt in 158 Ländern der Welt als zentraler Bestandteil der nationalen Wirtschaft (UNEP 2000)62. Weltweit existieren etwa 10.000 Bergbauunternehmen, die etwa 20.000 Abbaustandorte, Weiterverarbeitungsbetriebe und Schmelzöfen betreiben. Eine Vielzahl von Metallen, Steinen, Erden und Energierohstoffen (Öl, Kohle) wird weltweit über und unter Tage abgebaut. Gewinnung und Verarbeitung der Rohstoffe haben häufig schwere Umweltfolgen in den betroffenen Bergbauregionen, z. B. Belastung der Luft durch schwermetallhaltige Stäube und Emissionen bei der Schmelze, Belastung der Gewässer und des Bodens durch schwermetall- und säurebefrachtete Abwässer, Veränderungen im Grundwasserhaushalt, Sedimentablagerungen in umliegenden Gewässern und Lebensraumzerstörung durch Tagebaue und Abraumhalden.

1.3.2 Strategien und Technologieansätze:


Vermeiden: Im Bereich der Landwirtschaft können eine Reihe von Technologien zur Vermeidung von Zerstörungen des Bodens eingesetzt werden: Dazu zählen z. B. Maßnahmen wie bedarfsorientierte Düngung, organische Düngung und Einsatz von Kompost zur Verbesserung der Bodenstruktur und des Bodenlebens, der Einsatz standortangepasster Sorten, schonende und erosionsvermeidende Bodenbearbeitung (low- oder no-tillage), Fruchtwechsel, effiziente Bewässerung, integrierter Pflanzenschutz63. Viele dieser Techniken setzen eine detaillierte Kenntnis und Konzipierung des Anbausystems voraus - z. B. die kleinräumige Variabilität des Nährstoffbedarfs als Voraussetzung für bedarfsgerechte Düngung, kostengünstiges Monitoring von Schadorganismen zur Ermittlung von optimierten Pestizidapplikationen, Entwicklung robuster (salz-, hitze-, schädlingstoleranter und -resistenter) und standort-angepasster Kulturpflanzensorten. Der Begriff des precision farming fasst Maßnahmen zusammen, bei denen computer- und satellitengestützte Informationen eine kleinräumig spezifische Bewirtschaftung von Flächen

62 UNEP (2000): Mining and sustainable development II. Challenges and perspectives. Special issue of “Industry and environment”, Vol. 23

63 Integrierter Pflanzenschutz bedeutet, den Pflanzenschutz so zu gestalten, dass er langfristig sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch vertretbar ist. Ziel ist die weitere Reduzierung der Anwendung chemischer Pflanzenschutzmittel und eine höhere Umweltverträglichkeit. (Quelle: Biologische Bundesanstalt). In der landwirtschaftlichen Praxis bedeutet das, dass z.B. präventive Maßnahmen zur Schadenabwehr durch Schadorganismen ergriffen werden und erst ab einem bestimmten Schadenniveau und nach Ausschöpfung aller anderen Mittel chemische Mittel sparsam und gezielt eingesetzt werden.

Drei Strategien zur Lösung der Herausforderungen

Vermeiden: Großes Potenzial in der Landwirtschaft: Pflanzenbehand-lungsmittel und beim Wasserverbrauch


ermöglichen. Die Reduktion von Bodenversiegelung durch Infrastruktur- und Bauvorhaben trägt ebenfalls zur Vermeidung von Schäden bei.

Optimieren: Die Minderung von diffusen Schadstoffeinträgen in Böden erfolgt in erster Linie über Technologien der Luftreinhaltung (vgl. Kap. 2.2.). Schadstoffeinträge aus der Landwirtschaft können durch reduzierten bzw. optimierten Dünger- und Pestizideinsatz minimiert werden (vgl. Abschnitt Landwirtschaft).

Reinigen und Filtern: Diese Technologien betreffen vor allem den Bereich der Altlastensanierung, d. h. die Wiederherstellung von Böden, die durch Schadstoffe bereits stark verunreinigt sind. Die Vielfalt der Altlastenfälle spiegelt sich auch in der Vielfalt der eingesetzten Verfahren und Technologien wieder. Grob wird unterschieden in in-situ-Verfahren, bei denen der Boden vor Ort gereinigt wird sowie ex-situ-Verfahren, bei denen das kontaminierte Erdreich abtransportiert und deponiert bzw. in speziellen Aufbereitungsanlagen gereinigt wird. Alternativ lassen sich die Verfahren in biologische, chemische, physikalische und thermische Verfahren unterteilen. Eine zunehmend wichtige Rolle spielt dabei die Aktivierung standorteigener natürlicher Selbstreinigungskräfte („Natural attenuation“). Die Rekultivierung besonders beanspruchter Flächen (z. B. ehemalige Bergbaustandorte) zählt ebenfalls zu den nachsorgenden Bodeschutzmaßnahmen.

Gesetzliche Grundlagen: Seit 1999 gibt es in Deutschland ein Bundesbodenschutzgesetz, das durch die Bodenschutz- und Altlasten-verordnung (ebenfalls 1999) konkretisiert wird. Außerdem regeln weitere Gesetze und Verordnungen den Umgang mit Böden, z.B. die Düngemittelverordnung (2003) oder die Klärschlammverordnung (1992, zuletzt geändert 2003).

In Europa gibt es bisher keinen rechtsgültigen Regelungsrahmen für den Bodenschutz. Das 6. Umweltaktionsprogramm der EU64 nennt die „Förderung einer nachhaltigen Bodennutzung mit Schwerpunkt auf der Vermeidung von Erosion, Qualitätsminderung, Bodenbelastung und Wüstenbildung“ als eines der Schwerpunktziele. Im Frühjahr 2006 soll eine thematische Strategie zu Böden65 verabschiedet werden, die u. a. Vorschläge für eine Rahmenrichtlinie zum Bodenschutz enthält. Ziel dieser Strategie ist u. a. eine bessere Überwachung des Bodenzustands in der EU, die nach wie vor lückenhaft ist.

Auf globaler Ebene ist die UN-Konvention über die Bekämpfung der Wüstenbildung66 zu nennen, die sich vor allem mit Bodenschutz in Trockengebieten befasst, die besonders von Desertifikation betroffen

64 http://europa.eu.int/comm/environment/newprg/index.htm 65 http://europa.eu.int/comm/environment/soil/index.htm#6 66 http://www.unccd.int/

Optimieren: z. B. Düngemittelverbrauch

Reinigen/Filtern: Reinigung von

kontaminiertemErdreich

Bereiche 59

sind. Die Konvention verpflichtet die Unterzeichnerstaaten (insbesondere aus den Industrieländern), die betroffenen Regionen durch Technologietransfer und Know-how zu unterstützen.


Die Landwirtschaft ist Hauptverbraucher von Wasser und Hauptverschmutzer von Böden und Gewässern. Innovationen aus den Nanotechnologien können hier entscheidende Verbesserung mit sich bringen. Drei der wichtigsten möglichen Anwendungen von Nanotechnologien sind die effizientere Nutzung von Wasser durch nanoskopische Bodenmaterialien mit überragender Wasser-speicherkapazität, Nanokatalysatoren zur Dekontamination verseuchter Böden sowie sparsamere nanobasierte Düngerapplikationen. Bereits heute finden sich hiervon in Produkten vor allem Katalysatoren, die parallel zur Dekontaminierung von verseuchtem Wasser und Böden verwendet werden.

In engem Zusammenhang mit der landwirtschaftlichen Produktion steht die Lebensmittelproduktion. Entlang der gesamten Wertschöpfungskette von der Aussaat bis zur Verpackung können Nanotechnologien helfen Produkte länger frisch zu halten oder eine bessere Kontrolle über den Frischezustand gewährleisten. Für die Nutzung der Böden hätte dies indirekte Vorteile, da landwirtschaftliche Produkte bedarfsgerechter produziert werden können. An entsprechenden Stellen wird daher auch auf die Lebensmittelproduktion Bezug genommen.

Große Vermeidungspotenziale hinsichtlich einer reduzierten Belastung der Böden ergeben sich in der Landwirtschaft bei der Bewässerung und der Applikation von Pflanzenbehandlungsmitteln. Beides ist heutzutage meist ineffizient, was einerseits zu hohen Wasserverlusten durch Versickerung oder Verdunstung und andererseits zu sehr hohen Schadstoffeinträgen wegen unspezifischer Düngung und Pflanzen-behandlung führt.

Eine Möglichkeit Dünger und Pestizide zielgenauer auszubringen ist die Verkapselung der Wirkstoffe, so dass diese erst nach und nach beispielsweise bei Kontakt mit Wasser langsam freigesetzt werden (slow release efficient dosage). Als Transportvehikel sind nanoskalige Kapseln aus unterschiedlichen Materialien denkbar; und auch nanostrukturierte Pestizide und Düngerapplikationen werden untersucht. Derartige Systeme (smart delivery systems) können je nach Fragestellung unterschiedliche Charakteristika aufweisen: zeitkontrollierte Freisetzung der Wirkstoffe, bedarfsgerechte Freisetzung in Abhängigkeit von äußeren Einflüssen, selbstregulierend, ferngesteuert regulierbar oder vor-progammierbar. Die Kapseln können je nach Anforderung unterschiedlich konzipiert werden, z. B. zur schnellen, langsamen oder gezielten Freigabe des Inhaltes oder als Reaktion auf Feuchtigkeit,

Nanotechnologien können wichtige Beiträge leisten, insbesondere in der Landwirtschaft

Lebensmittelpro-duktion ist zu berücksichtigen

Vermeiden:Nanostrukturierte Pestizide und Düngerapplikationen ermöglichen eine bedarfsgerechteFreisetzung


Temperatur, pH-Wert, Ultraschall oder magnetischen Einfluss. Denkbar sind auch vollautomatische Systeme, die autonom potenzielle Probleme lange vor dem Eintritt von Schadensschwellen auf der Makroskala erkennen und gezielt bekämpft können.

Ein weiteres intelligentes Vorgehen um Pflanzenbehandlungsmittel effizienter zu nutzen ist das Elektrospinnen67 und großflächige Ausbringen von mit z. B. Pheromonen getränkten Polymerfasern. Erste Prototypen sind bereits vorgestellt worden.

Die vorgenannten Technologien können mit anderen Technologien, wie z. B. der satellitengestützten Positionsbestimmung für das precision farming, verbunden werden und Synergien erzeugen (Smart Systems Integration) [Scott 2003]. Die Integration von Nanosensoren (auch als Sensornetzwerke) mit Lokalisierungs- und Kontroll-Systemen könnte eine Echtzeit Überwachung großer Areale, z. B. von bepflanzten Feldern, hinsichtlich verschiedener Parameter sowie zeitnahes, automatisiertes Handeln ermöglichen. Ein weiteres Beispiel eines solches Systems könnte die konstante, automatische Gesundheitskontrolle von landwirtschaftlichen Nutztieren sein. Eine Nano-Sensorik überwacht die Tränenflüssigkeit des Tieres in regelmäßigen Abständen und informiert den Landwirt im Falle einer Infektion [Scott 2005].

Die Wasserverluste in der landwirtschaftlichen Bewässerung sind enorm. So genannte Tropf- oder Mikrosysteme wurden in den 40er Jahren in England entwickelt und applizieren das Wasser direkt im Wurzelbereich der Pflanze über durchlöcherte Kunststoffrohre. Verdunstungs- und Versickerungsverluste werden minimiert und einer Versalzung und Vernässung des Bodens vorgebeugt. Besondere Bedeutungen für eine effizientere Bewässerung könnten auch neuartigen, nanoskaligen Bodenmaterialien, wie nanoporösen Zeolithen oder Silikaten zukommen. Sie können eine große Menge Wasser speichern und kontinuierlich im Wurzelbereich der Pflanzen abgeben und werden daher auch als Superabsorber bezeichnet. Bisher finden sie fast ausschließlich in Gewächshäusern Verwendung.

Andere nanostrukturierte Materialien, wie z. B. Alumimium-Silikat-Nanoröhren, werden hinsichtlich ihrer Absorptionsfähigkeit von verschiedenen anorganischen Substanzen, wie Chloriden oder Phosphaten untersucht, die für den Wuchs von Unkraut notwendig sind. Eine Absorption derartiger Stoffe könnte den Bedarf an Pflanzenbehandlungsmittel senken.

67 Herstellung sehr dünner Fasern aus Polymerlösung durch Behandlung in einem elektrischen Feld.

Großflächiges Ausbringen von

Behandlungsmittelndurch Elektrospinnen

Nanosensoren dienen der Überwachung

NanoskaligeBodenmaterialien

können große Mengen Wasser speichern

Bereiche 61

Optimieren: Besonders im Bereich der Lebensmittelproduktion sind Potenziale zur Minderung des Verbrauchs und der Schadstoffbelastung durch der Landwirtschaft erkennbar. Gut verpackte, mit moderner Analytik überwachte Lebensmittel, die darüber hinaus länger haltbar sind, hätten auch Vorteile für den Handel. In der Entwicklung sind insbesondere Verpackungsmaterialien mit nanoskaligen Werkstoffen, die einen Gasaustausch besser verhindern als herkömmliche Folien. Dadurch dringt einerseits weniger Sauerstoff an das Lebensmittel (es bleibt mitunter länger haltbar) und andererseits die Feuchtigkeit nicht nach außen. Eine entsprechende Folie ist bereits entwickelt worden. Sie besteht aus durchsichtigem Plastik (Durethan), in das Nanopartikel aus Schichtsilikaten in regelmäßiger Art und Weise eingebettet sind. Die Folie ist außerdem leichter und auch fester als herkömmliche Folien [Moraru 2003].

Reinigen und Filtern: Verfahren zur Reinigung und Dekontamination von Böden basieren auf analogen Prinzipien wie die nano-technologischen Methoden zur Wasserreinigung und Grundwasser-sanierung und werden heute synergistisch benutzt. Ein Nanokatalysator, der in einen Grundwasserleiter injiziert wird, verhindert den Übertritt von Schadstoffen aus dem Boden in das Wasser und wirkt reinigend. Die hier vorstellbaren und teils bereits eingesetzten Nanotechnologien beinhalten Nanopartikel aus Eisen oder Eisenoxiden, TiO2 oder nanoporöse Membranen zur Filterung sowie metallische Nanopartikel (vgl. Kapitel 1.1.3 - Wasser).

Analytik: Von großer Bedeutung im Bereich Boden sind nanoskalige Sensoren zur Überwachung verschiedener Parameter wie Feuchtigkeit, Temperatur oder die Bestimmung von Pathogenen. Nanosensoren dienen dem Nachweis von Pflanzen- und Nutztier-pathogenen Organismen auf molekularer Ebene. Die Sensortechnologie ist über weite Teile analog den Verfahren, die im Wassersektor eingesetzt werden können. Die Methoden reichen von klassischen Nanosensoren, über Nano-Bio-Sensoren (DNA-Hybridisierung) bis zu Mikrofluidik-Chips und Mikro-elektrochemischen Systemen (MEMS). Es kommen hierbei Kohlenstoffnanoröhren, Nanopartikel als Sonden oder Marker und nanostrukturierte Oberflächen in Betracht (vgl. Kapitel 1.1.3 - Wasser).

Im Bereich Boden ist die konstante Echtzeitüberwachung großer Areale, wie z. B. bewirtschaftete Felder, hinsichtlich Schadstoffbelastung, Pathogenkonzentration und weiteren Zustandsgrößen von kommerziellem und auch ökologischem Interesse. Netzwerke aus nanoskaligen Sensoren in Verbindung mit kabelloser Datenübertragung und entsprechenden Servern („smart dust“) können hierzu entscheidende Beiträge liefern. Der weltweite Markt für kabellose Sensoren wird für das Jahr 2010 auf 7 Mrd. US-$ geschätzt [Nanoforum 2006].

Ein Teilbereich in der landwirtschaftlichen Produktion ist die Qualitätskontrolle und -überwachung sowie der Herkunftsnachweis von

Optimieren: Neuartige Verpackungen für die Lebensmittel-produktion

Reinigen/Filtern: Nanokatalysatoren für die Boden-dekontamination

Analytik: Nano-Bio-Sensoren und Mikrofluidik-Chipsdienen der Überwachung


Produkten. Intelligente Verpackungen, mit nanoskaligen Sensoren ausgestattet, erlauben den schnellen Nachweis von Pathogenen, Gasen und Giftstoffen oder Überwachung von Umweltbedingungen wie Temperatur oder Feuchtigkeit. Der Einsatz von Nanotechnologien ist auch entlang der gesamten Lebensmittelproduktionskette von Interesse, z. B. für dichteres Verpackungsmaterial (nano outside), zur Anreicherung von Nährstoffen oder Vitaminen oder zum längeren Haltbarmachen von z. B. Schokoriegeln durch TiO2-Nano-Überzüge (nano inside) 68 oder SiO2-Nanopartikel als Dickungsmittel in Ketchup.69


Die zielgenaue Ausbringung von Dünger, Pestiziden und Herbiziden ist neben der Wasserproblematik von zentraler Bedeutung im Bereich Boden und wird dementsprechend von allen großen Agro-Firmen intensiv untersucht [ETC 2004]. Der Technik der Verkapselung wird großes Potenzial eingeräumt. Ein Beispiel ist der Wirkstoff Lambda-Cyhalothrin, der gegen verschiedene Insekten im Ackerbau eingesetzt wird. Der Wirkstoff kann nanoverkapselt werden und entfaltet seine Wirkung erst bei Berührung mit der Blattoberfläche.70 Die Adhäsion zum Blatt ist so stark, dass die Nanokapsel auch bei Regen nicht weggespült wird. Vom selben Anbieter sind noch weitere nanotechnologische Pestizid-Applikationen entwickelt worden, wie beispielsweise eine Nanoemulsion eines Wachstumsregulators71, der Golfrasen widerstandsfähiger macht.

Ein weiteres Verfahren zur effizienteren Ausbringung von Pflanzenbehandlungsmitteln ist das Elektrospinnen. Der Prototyp eine Traktors zur großflächigen Ausbringung von nanoskaligen Fäden mittels Elektrospinnen, ist von Forschern der Universität Marburg auf der Hannover Messe 2006 vorgestellt worden. Die Fäden bestehen aus abbaubaren Milchsäure-Polymeren, in die Pheromone eingesponnen werden können. Diese sollen die Pflanzen lang anhaltend vor Schädlingsbefall schützen - auf einer Testfläche konnten die Pflanzen so erfolgreich behandelt werden.

68http://www.freitag.de/2005/48/05481801.php 69 http://www.sueddeutsche.de/wissen/artikel/369/90279/ 70 http://www.syngenta-agro.at/syngenta_infos/pdf_dateien/prd_ga/ga_karate_zeon.pdf 71 http://www.syngentaprofessionalproducts.com/to/prod/primo/index.asp?nav=

OVERVIEW#benefits

Verkapselung von Wirkstoffen zur

zeitlich verzögerten Freisetzung werden intensiv untersucht

Elektrospinnen mit Milchsäure-Polymeren

Bereiche 63

Abbildung 20: Spezieller Traktor zum Ausbringen nanoskopischer Fäden beim Elektrospinnen

Die Verbesserung der Bodenstruktur ist ein weiterer Ansatzpunkt Böden sinnvoller zu nutzen. Die Frankfurter Firma Geohumus hat daher einen Superabsorber aus nanoskaligen Silikaten und Gesteinsmehl für eine bessere Wasserspeicherkapazität entwickelt.72 Insbesondere für sandige oder leichte Böden, die nur wenig Wasser speichern, kann eine Anreicherung mit einem solchen Superabsorber eine Verminderung des Wasserbedarfs um bis zu 50 % mit sich bringen. Gerade für aride Regionen, in denen die natürlichen Wasservorkommen limitiert sind, kann eine Halbierung der Bewässerungszyklen bestehende Wasserknappheiten mit all ihren negativen Folgen mindern. Auch die Ausschwemmung von Nährstoffen aus dem Boden kann verhindert werden. Der Superabsorber ist aber auch für die Verbesserung der Bodenbeschaffenheit im Garten- und Landschaftsbau geeignet. 73

72 http://www.geohumus.com/download/geohumus_flyer.pdf 73 „Ausgezeichnete Geschäftsideen made in Germany“ in VDI Nachrichten Nr. 30 vom

28.7.2006

Wasserknappheiten begegnen durch verkürzteBewässerungszyklen


Abbildung 21: Wirkweise eines nanoskaligen Superabsorbers, der im Wurzelbereich einer Pflanze in den Boden eingebracht wird (Quelle: Geohumus)

An der Entwicklung wasserdurchlässiger Bodenmaterialien für einen nachhaltigeren und umweltverträglicheren Straßenbau arbeitet die Griesheimer Firma nanoplan GmbH.74 Das Material besteht laut Herstellerangaben aus einem Polymeradditiv, das zum Bau wasseraufnahmefähiger Oberflächenbefestigungen geeignet ist. Dadurch kann Regenwasser besser ablaufen oder sogar gezielt am Entstehungsort versickert werden was zur Anreicherung von Grundwasser führen kann. Mögliche Anwendungsbereiche sind Parkplätze, Außenanlagen mit Pflaster, Geh- und Radwege sowie Flächen im Garten- und Landschaftsbau.

Abbildung 22: Wasseraufnahmefähigkeit eines nanoskaligen Baustoffes75

74 www.nanoplan.eu 75 http://www.reso-tec.com/de/home.html

Wasseraufnahme-fähige Materialien

für den Straßenbau zur besseren

Versickerung von Regenwasser

Bereiche 65

Auch im Bereich Lebensmittelaufbewahrung und -prozessierung sind Nanotechnologien auf dem Vormarsch. Ein NanoBiolumineszenz-Spray soll beispielsweise in Seecontainern schnell und sicher Pathogene wie Salmonella und E. Coli detektieren.76 Das Spray enthält lumineszierende Proteine, die spezifisch an entsprechende Rezeptorstellen der Mikroorganismen binden können, und im gebundenen Zustand Licht abgeben, was optisch detektiert werden kann. Das Produkt soll unter dem Namen „BioMark“ auf den Markt gebracht werden - befindet sich derzeit aber noch im Forschungsstadium. Weitere Trends im Bereich Boden weisen zu einer Dekontaminierung verseuchter Böden mit nanoskaligen Partikeln analog der Wassersanierung. Auch Trends zu einer sensitiveren Analytik von Bodenproben sind erkennbar. Es folgen einige weitere Beispiele in der Kurzdarstellung.

Das im 6. Forschungsrahmenprogramm der EU geförderter Projekt „GoodFood“ beschäftigt sich u. a. mit der Entwicklung von portablen Nanosensoren zur Detektion von Chemikalien, Pathogenen und Toxinen in Lebensmitteln.77

Nanoskalige amphiphile Polyurethan-Partikel werden von Forschern in Korea untersucht. Sie sollen zur Beseitigung von Phenanthrenen (polyzyklische Aromaten) aus Grundwasserleitern zum Einsatz kommen und zeigen in ersten Untersuchungen ein höheres Absorptionsverhalten als entsprechend handelsübliche Produkte [Kim 2003].

Forscher haben ein Netzwerk aus 120 Motes (autonome Knoten in einem drahtlosen Netzwerk) an Redwood-Bäume in Kalifornien befestigt um diese aus einer Entfernung von 70 km überwachen zu können.78

Synthetische Nanomaterialien können zur Herstellung von nanoskaligen „Plastik“-Antikörpern, auch Nano-MIPs (Molecularly imprinted polymers) gennant, verwendet werden. Diese Plastik-Antikörper können als Sonden zur spezifischen Erkennung von Zielmolekülen eingesetzt werden und beispielsweise Toxine oder Explosivstoffe in Boden oder auch in Wasser detektieren [Turner 2007].

76 http://www.agromicron.com/BTP.htm 77 http://www.goodfood-project.org/ 78 http://www.intel.com/research/exploratory/smartnetworks.htm

Nanosensoren: Detektion von Pathogenen in Lebensmittel-transporten

Nanoskalige Plastik-Antikörper können Zielmolekülespezifisch erkennen


Abbildung 23: Erzeugung eines nanoskaligen MIPs zur sepzifischen Detektion eines Schadstoffes (Quelle: [Turner 2007])

Forscher aus China haben einen neuartigen Superabsorber mit einer um das 1200-fach gesteigerte Wasseraufnahmevermögen entwickelt. Der Superabsorber besteht aus einem Nanokomposit, der bis zu 20 % recycelten Polystyrol-Schaum enthalten kann. Derart werden die Produktionskosten für den Superabsorber deutlich gesenkt und der in Millionen Tonnen produzierter Wertstoff Polystyrol, der als Abfallprodukt hunderte von Jahren zum Abbau benötigt, wird sinnvoll wieder verwendet [Liu 2007].

Die Firma Kraft entwickelt in Zusammenarbeit mit Forschern der Rutgers Universität eine „elektronische Zunge“, die aus einem Array von Nanosensoren besteht und auf bestimmte Faulgase mit einem Farbwechsel reagiert. Verdorbene Ware kann derart leicht identifiziert werden.79


Die Marktpotenziale von Nanotechnologien im Bereich Boden sind eng verzahnt mit der Lebensmittelproduktion. Deshalb verdeutlicht eine Analyse des Bedarfs in diesem Bereich auch die möglichen Potenziale und Anknüpfungspunkte der Nanotechnologien bei der Bearbeitung und Nutzung von Böden. Der weltweite Bedarf an Lebensmitteln wird bis zum Jahr 2030 voraussichtlich um 55 % steigen. Um diesen zu befriedigen ist eine Steigerung der Nahrungsmittelproduktion um ca. 1,4 % jährlich erforderlich ist.80 Die größten Potenziale liegen in den Entwicklungs- und Schwellenländern.

79 http://www.smalltimes.com/Articles/Article_Display.cfm? ARTICLE_ID=267909&p=109

80 FAO 2003

Weltweiter Bedarf an Lebensmitteln

wird bis 2030 um 55 % steigen

Bereiche 67

Auch für die künftige Produktion von Biomasse zur Energiegewinnung werden Flächen benötigt, was eine weitere Optimierung der Flächennutzung erforderlich machen wird. Studien der Fachagentur für nachwachsende Rohstoffe zufolge soll in Deutschland der Anteil der aus Biomasse erzeugten Primärenergie von heute 3,1 % auf 17 % im Jahr 2030 wachsen (Frerichs 2005).81

Nach einer Studie von Kaiser Consultancy wird ein Wachstum des Umsatzes von Nanotechnologie in der Nahrungsmittelindustrie (nanofood) von 7 Mrd. US-$ im Jahr 2006 auf etwa 20,4 Mrd. US-$ im Jahr 2010 geschätzt.82 Alleine für Nano-Verpackungen wird eine Steigerung von 1,1 Mrd. in 2005 auf 3,7 Mrd. US-$ im Jahr 2010 erwartet.

1.4 Energie / Klima


Zwei wichtige Trends kennzeichnen den Bereich Energie: der aktuelle und künftige Energiebedarf der Menschheit und der Klimawandel. Der weltweite Energieverbrauch wird in den nächsten 50 Jahren um das 1,5-2,3fache ansteigen. Dieser Trend wird insbesondere durch verstärkte wirtschaftliche Entwicklung in den Entwicklungsländern ausgelöst, wobei sich die Nachfrage nach dezentralen Lösungen erhöhen wird [WIR 2002]. In Deutschland ist in den „business-as-usual“-Szenarien nur mit einem leichten Anstieg zu rechnen, ab 2030 könnte es – demografisch bedingt – sogar zu einem Rückgang kommen. Selbst wenn dieser steigende Energiebedarf durch neu entdeckte Ressourcen gedeckt werden kann, stellt sich durch die Verwendung vorwiegend fossiler Energieträger ein weiteres Problem: der Klimawandel. So stellte der IPCC 2007 in seinem vierten Zustandsbericht zum Klimawandel fest, dass sich die globale mittlere Oberflächentemperatur im Laufe des 20. Jahrhunderts um etwa 0,7°C erhöht hat, und dass der größte Anteil der in den letzten 50 Jahren beobachteten Erwärmung auf menschliche Aktivitäten zurückzuführen ist (IPCC 2007).83 Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, die Emissionen von Treibhausgasen zu reduzieren und die atmosphärische Konzentration zu stabilisieren. Langfristig werden die nicht erneuerbaren Ressourcen Kohle, Erdöl und Gas knapper, zumal große Teile der weltweiten Energievorräte aus politisch instabilen Regionen stammen. Internationale Vereinbarungen wie das Kyoto-Protokoll, neue ökonomische Instrumente wie der Handel mit

81 Frerichs, L (2005): Agrartechnik in Deutschland. Ingenieurleistungen in einer Branche mit Weltgeltung. Unveröff. Vortragsmanuskript.

82 Nanotechnology in Food and Food Processing Industry Worldwide, Kaiser Consultancy 2007 83 IPCC Fourth Assessment Report, Summary for policy-makers, 2007

Für den Bereich Nanofood werden 20 Mrd. US-$ Umsatz in 2010 erwartet

Die globale Temperatur ist in den letzten 50 Jahren um 0,70 Cgestiegen


Emissionsrechten und die Liberalisierung der Gas- und Strommärkte stellen weitere wichtige Rahmenbedingungen dar. Vor dem Hintergrund des Kyoto-Protokolls und der Klimarahmenkonvention hat sich Deutschland dazu verpflichtet, die Emissionen der sechs wichtigsten Treibhausgase (CO2, CH4, N2O, SF6, teilhalogenierte FCKW und perflourierte KW) im Zeitraum 2008-2012 um 21 % zu senken. Bis 2005 soll allein der CO2-Ausstoß um 25 % gegenüber 1990 gesenkt werden84.

Diese Trends zeigen, dass es künftig eine wichtige Aufgabe sein wird, den weltweit steigenden Energiebedarf effektiver und effizienter zu decken.


Vermeidung: Die Verbraucherseite bietet große Potenziale für Energieeinsparungen. Die Enquete-Kommission „Nachhaltige Energie-versorgung“ beschreibt Maßnahmen in den Bereichen private Haushalte, Industrie, Gewerbe, Handel und Dienstleistungen, Verkehr, Steuerungs- und Regeltechnik, verstärkte Kreislaufwirtschaft und bessere Material- und Produktnutzung sowie verhaltensabhängige Lösungen. Die größten Einsparpotenziale sind im Gebäudebestand sowie in den Sektoren Handel, Gewerbe und Dienstleistungen vorhanden. Durch neue Wärmedämmungstechniken, kosteneffiziente Altbausanierung, Maß-nahmen bei der Konzeption und Planung von Neubauten, solare Architektur und intelligente Gebäudetechnik lassen sich hohe Einsparpotenziale von bis zu 80 % erschließen.

In Deutschland sank der Endenergieverbrauch der Industrie in den Jahren 1990 bis 2000 von 2977 PJ (1990) auf 2430 PJ (2000); bei steigender Wertschöpfung und gleichzeitig sinkendem spezifischen Energie-verbrauch (AG Energiebilanzen 2002 in Enquete-Kommission „Nachhaltige Energieversorgung“ 2002). Die Einsparpotenziale der Industrie liegen in der Prozessoptimierung, der Prozesssubstitution, der Optimierung von Querschnittstechnologien, der indirekten Minderung des Energieverbrauchs durch ökoeffiziente Produkte und Dienst-leistungen in einem verbesserten Stoffstrommanagement sowie in Verbesserungen bei Wartung, Betrieb und Instandhaltung. Die größten technischen Einsparpotenziale liegen mit ca. 130 PJ bei den thermischen Anwendungen über 500°C, die größten wirtschaftlichen Potenziale in den Querschnittstechnologien und Hochtemperaturanwendungen (vgl. Tabelle 2).

84 BMU, “Klimaschutzpolitik in Deutschland”, http://www.bmu.de/klimaschutz/nationale_klimapolitik/doc/5698.php

Die Deckung des weltweiten Energie-

bedarfs effektiv und effizient ist eine der

Herausforderungen

ZahlreicheAnsatzpunkte für

einen effizienteren Umgang mit Energie

Große Potenziale im Bereich Hochtem-peraturanwendung und Querschnitts-

technologien

Bereiche 69

Tabelle 2: Aufteilung der Energieeinsparpotenziale auf verschiedene industrielle Anwendungen (Quelle: Enquete-Kommission „Nachhaltige Energieversorgung“ 2002)

Energieverbrauch 1998

[PJ]

Technisches Einsparpotenzial

[PJ]

Wirtschaftliches Einsparpotenzial

[PJ]

Elektrotechnologien 73,50 26,60 6,90

Querschnittstechnologien (mechan.

Anwendungen)

238,70 78,10 48,00

Thermische Prozesse >500°C

883,90 126,20 55,81

Thermische Prozesse 200 – 500°C

26,60 6,90 3,73

Thermische Prozesse bis 200°C

230,70 39,00 21,56

Summe 1453,40 276,80 136,00

Insgesamt ergibt sich daraus eine Minderung der CO2-Emissionen um 14,45 Mio. t.

Die Verwendung von Maßnahmen zur Gebäudeautomation, Beleuchtungsoptimierung etc. in Neu-, aber auch in Altbauten (‚Intelligentes Haus‘) kann Energie-Einsparpotenziale im Gebäude von durchschnittlich 20 %, im Extremfall sogar 70 % erschließen (Energie-Enquete 2002). Allein der Wechsel zu effizienteren Lichtsystemen (z. B. Energiesparlampen, LEDs) würde nach einer Studie der International Energy Agency (IEA) den weltweiten Strombedarf um mehr als 10 % reduzieren85. Durch verstärkte Kreislaufwirtschaft, Recycling etc. lassen sich bei energieintensiven Werkstoffen wie Aluminium oder Stahl bis zu 90 % Energieeinsparungen erreichen. Eine zusätzliche Möglichkeit bietet die Nutzungsintensivierung bzw. die Lebensdauerverlängerung von langlebigen und energieintensiven Produkten.

Optimierung: Der Primärenergieverbrauch in Deutschland betrug im Jahr 2001 etwa 14.500 PJ. Der größte Anteil entfiel dabei auf die fossilen Energieträger Erdöl, Braun- und Steinkohle und Erdgas (vgl. Tabelle 3). Der zukünftige Energiemix wird je nach zugrunde gelegtem Szenario und Prognosezeitraum (20 Jahre, 50 Jahre) unterschiedlich beurteilt. Den meisten Szenarien gemeinsam ist eine deutliche Erhöhung der Energieeffizienz (auch durch Maßnahmen auf der Nachfrageseite wie

85 R. Black, “Lighting the key to energy saving”, BBC NEWS, 29.06.2006, http://news.bbc.co.uk/1/hi/sci/tech/5128478.stm

EffizientereLichtsysteme würden den weltweiten Strombedarf um 10 % senken


z.B. Gebäudesanierung) und des Anteils regenerativer Energien und Wasserstoff als neuer Energieträger (Enquete-Kommission 2002)

Tabelle 3: Primärenergieverbrauch in Deutschland nach Energieträgern (2004) (Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen).

Energie-träger

Braunkohle Steinkohle Kernenergie Erdgas Mineralöl Regenerative

Anteil [%] 11,4 13,4 12,6 22,4 36,4 3,8

Die Enquete-Kommission „Nachhaltige Energieversorgung“ (Enquete-Kommision 2002) sieht auf der Erzeugerseite die Verbesserung der Energieeffizienz im Umwandlungssektor sowie eine Ausweitung der Nutzung regenerativer Energien als zentrale Maßnahmen an. Allein durch die Bereitstellung von „virtuellen Kraftwerken“ und mittels I&K-Technologie vernetzter Einheiten lassen sich nach Angaben der Enquete-Kommission bis zu 20% des derzeitigen Primärenergiebedarfs einsparen. Virtuelle Kraftwerke entstehen durch die koordinierte Steuerung vieler dezentraler kleiner Erzeugungseinheiten, die mit ihren Stromabnehmern intelligent vernetzt werden. Aktuelle Forschungsprojekte (DIS Power, EDISON, Energiepark KonWerl) untersuchen die Umsetzbarkeit und die Versorgungssicherheit solcher Systeme (Enquete-Kommission 2002).

Umwandlungssektor. Im Kraftwerksbereich bestehen grundsätzlich folgende Optionen zur Energieeinsparung und Emissionsminderung: Wechsel zu emissionsärmeren oder freien Energieträgern, Erhöhung der Umwandlungseffizienz durch technische Verbesserungen, Erhöhung der Umwandlungseffizienz durch neue Technologien, z. B. durch Kraft-Wärmekopplung.

Seit den 60er Jahren hat sich der Wirkungsgrad von etwas über 30 % für die Kohleverstromung in typischen Dampfturbinenkraftwerken bis hin zu modernen Gas- und Dampf-Kombiprozessen auf 41-45 % in den 90er Jahren verbessert. Neueste Dampfturbinen-Steinkohlekraftwerke mit optimierter Anlagentechnik erreichen sogar Wirkungsgrade von 47 %. Die Verbesserungen sind vor allem auf die Verwendung neuer Materialien zurückzuführen, die höhere Turbinen-Eintrittstemperaturen erlauben. Gas- bzw. ölgefeuerte Kombikraftwerke mit Gas- und Dampfprozess erreichen Wirkungsgrade von über 57 %. Die Enquete-Kommission geht davon aus, dass mit den für die nächsten 20 Jahre absehbaren Kraftwerkskonzepten die Effizienz der Anlagen gegenüber dem heute modernsten Stand um ein Fünftel gesteigert werden kann (Enquete-Kommission 2002).

Höherer Anteil an regenerativen

Energien erwartet

IntelligenteVernetzung kleiner

Einheiten könnte 20 % des heutigen

Primärenergiebedarfseinsparen

Effizienz der Anlagen durch intelligente

Konzepte steigerbar

Bereiche 71

Weltweit sind 438 Atomkraftwerke mit einer Gesamtleistung von etwa 353 GW in Betrieb. 32 neue Anlagen befinden sich derzeit im Bau.86

Derzeit werden etwa 13% des deutschen Primärenergiebedarfs und 30 % der Nettostromerzeugung durch die Kernenergie abgedeckt.

Erneuerbare Energieträger im Strom- und Wärmemarkt. In allen Szenarien der Enquete-Kommission wird den erneuerbaren Energien eine steigende Bedeutung beigemessen. Die Einschätzung des relativen Anteils am Primärenergieverbrauch reicht (bei einem Zeithorizont bis 2050) von 14% bis zu 88% (letzteres einschließlich Importen von solar erzeugtem Strom aus südlichen Ländern). Das starke Marktwachstum der Solarstrombranche hat von 1999 bis 2002 in der deutschen Industrie Investitionen in Höhe von über 1 Milliarde Euro ausgelöst.87

Regenerative Energieträger deckten 2004 knapp 3,6 % des Primärenergiebedarfs in Deutschland88. Durch nicht unumstrittene Fördermaßnahmen, wie dem Einspeisevergütungsgesetz, kam es in den letzten 10 Jahren insbesondere im Bereich der Windkraft zu einer dynamischen Entwicklung, wobei die installierte Leistung der Einzelanlagen ständig zugenommen hat (von 0,18 MW im Jahr 1992 bis auf 1,5 MW im Jahr 2003. Tendenz weiter steigend89).

Abbildung 24: Minimale und maximale Stromgestehungskosten (Erzeugungskosten + externe Kosten) für neu zu errichtende Stromerzeugungsanlagen (Stand 2002) (Quelle: Enquete-Kommission „Nachhaltige Energieversorgung“ 2002)

86 Stand Januar 2002, Quelle: Nuclear Technology Review 2002, IAEA, http://www.iaea.org

87 http://www.vdi.de/vdi/news/index.php?ID=1012826 88 http://www.learnline.de/angebote/agenda21/daten/Windenergie.htm 89 http://www.udo-leuschner.de/basiswissen/SB109-3.htm

Regenerative Energien decken 2004 etwa 3,6 % des Primärbedarfs in Deutschland


In Abbildung 24 sind in einer Gesamtbetrachtung die Bandbreiten heutiger Stromgestehungskosten und externer Kosten für fossile und nukleare Energieträger sowie erneuerbare Energietechnologien zusammenfassend dargestellt. Künftige Entwicklungen im Windenergie-Anlagenbau zielen vor allem auf den Offshore-Bereich, mit deren Errichtung ab etwa 2004-2005 zu rechnen ist (DEWI 2001). Insgesamt ging das DEWI davon aus, dass 2005 etwa 4,8 % des Nettostromverbrauchs über Windkraft gedeckt werden könnten. Bei der Planung solcher Windparks ist vor allem auf die Naturverträglichkeit der Anlagen zu achten. Derzeit werden Begleitstudien durchgeführt, um diese potenziellen Beeinträchtigungen genauer zu untersuchen.90 Weitere regenerative Energiequellen sind die Wasserkraft, die Solarthermie, die Photovoltaik, Strom- und Wärmeerzeugung aus Biomasse, Gezeitenenergie und Geothermie. Nachteile der regenerativen Energieträger sind ihre geringe Leistungsdichte sowie die Schwankungen des Energieangebots (Ausnahme: die technisch grundlastfähigen Nutzungsformen Biomasse und Geothermie); Vorteile sind ihre weltweit homogene Bereitstellung (Energie-Enquete 2002) und die Tatsache, dass durch ihre Nutzung keine zusätzlichen Treibhausgase emittiert werden.

International wird seit Jahrzehnten daran geforscht, die Kernfusion als quasi-unerschöpfliche CO2-freie Energiequelle zu erschließen. Eine kommerzielle Nutzung wird nach den derzeitigen ehrgeizigen Programmen frühestens in 30-50 Jahren möglich sein91. Aus Sicht des Klimawandels wird vielfach angenommen, dass die nächsten 50 Jahre entscheidend sind, um die erforderliche Reduktion des CO2-Ausstoßes zu erreichen.

Aufbereiten/Filtern: CO2 –Sequestrierung. Seit den siebziger Jahren wird als Möglichkeit der CO2-Reduktion die Rückhaltung und anschließende Speicherung des bei der fossilen Energieerzeugung anfallenden CO2

diskutiert. Dabei muss das CO2 an der Entstehungsquelle (z.B. Kraftwerk) abgefangen, zu einem geeigneten Speicher (z. B. Aquifere, Tiefsee nicht mehr genutzte Salzbergwerke) transportiert und dort sicher und dauerhaft gelagert werden. In den USA, Japan und Norwegen wird dazu eine Reihe von Forschungsprojekten durchgeführt ((Eickenbusch et al. 1995)). Wirtschaftlich und routinemäßig wird das Verfahren bislang bei der Öl- und Gasförderung eingesetzt (EOR, Enhanced Oil Recovery). Die Abscheidungstechnologie am Kraftwerk ist je nach Prozesstyp mit Wirkungsgradverlusten von 7 bis 14 Prozentpunkten bei einer CO2-Rückhaltung von 85-100 % verbunden (Göttlicher 1999). Das Energieunternehmen Vattenfall wird am Standort Schwarze Pumpe im brandenburgischen Spremberg für rund 40 Mio. € die weltweit erste

90 http://www.offshore-wind.de/ 91 http://www.crue.org/europaid/documentacion/docs/Otros%20documentos/

5yasses_euratom.pdf

Windkraft könnte 4,8 % des Netto-

verbrauchs decken

Filtern: Speicherung von CO2 an der

Entstehungsquelle bei der fossilen

Energieerzeugung

Bereiche 73

Pilotanlage für ein CO2-freies Braunkohlekraftwerk nach dem so genannten Oxyfuel-Verfahren bauen. Die Vattenfall-Pilotanlage mit einer Leistung von 30 MW thermischer Leistung dient Forschung und Entwicklung, um die neue Technologie zur Marktreife zu führen. Sie soll nach einer etwa dreijährigen Bauzeit 2008 in Betrieb gehen92.

Messen: Gassensoren werden in Energiesystemen zur Optimierung und Erhöhung der Anlagensicherheit eingesetzt, z. B. zur Überwachung und Regelung von Feuerungsanlagen, Sicherheitsüberwachung von Brennstoffzellen und Brennstoffzellensystemen oder zur Dichtigkeits-kontrolle/Leckdetektion in evakuierten und Druckbehältern sowie für das Monitoring von Netzen und in der Verbrennungsführung


Im Energiesektor zeichnen sich eine Reihe nanotechnologische Innovationen ab, die zu einem effizienteren und nachhaltigeren Umgang mit fossilen Rohstoffen einerseits und zu einem umsichtigeren Gebrauch von Energie andererseits führen können, was vor dem Hintergrund steigender Energiepreise und knapper werdenden Ressourcen von zentraler gesellschaftlicher Bedeutung ist. Bisher sind Nanotechnologien in Produkten nur vereinzelt zu finden die meisten Entwicklungen befinden sich im Forschung- oder Prototypenstadium. Wichtige Bereiche des Energiesektors, die von Nanotechnologien profitieren könnten, sind die Energiewandlung, -speicherung und die Reduzierung des Energieverbrauchs. Auch nanoskalige Materialien, die Werkstoffe leichter, fester oder kleiner werden lassen oder Prozesse effizienter gestalten können, sollten berücksichtigt werden. Eine detaillierte Situationsanalyse (SWOT) und eine Roadmap bis zum Jahr 2015 für Nanotechnologien im Energiebereich sind im Rahmen eines EU-finanzierten Projektes erhoben und beschrieben worden.93

Vermeiden/Energieverbrauch reduzieren: Die Reduktion des Energieverbrauchs ist von elementarer ökologischer Bedeutung, denn Energie, die nicht verwendet wird, muss auch nicht „produziert“ werden. Ansätze zu einem nachhaltigeren Umgang mit Energie ergeben sich u.a. in den Bereichen (Gebäude-)Dämmung/Isolierung, der Herstellung von Lichtquellen (punktförmige und großflächige Beleuchtung), dem Prozess der Verbrennung und durch die Verwendung neuer Materialien.

92 BerliNews, „Pilotanlage für CO2-freies Kraftwerk“, 20.05.2005, http://www.berlinews.de/archiv-2004/3457.shtml

93 http://www.nanoroad.net

Messen: Überwachung von Befeue-rungsanlagen

Nanotechnologien befinden sich meist im Forschungs- und Entwicklungsstadium

VermeidenverschiedenerAnsätze zur Energieeinsparung


Abbildung 25: Ansatzpunkte für die Einsparung von Energie

Punktförmige Lichtquellen: Rund 60 % der weltweit eingesetzten Leuchtmittel sind nach wie vor Glühbirnen. Sie sind billig zu produzieren, aber über 90 % der Energie geht als Wärme ungenutzt verloren der Wirkungsgrad von Glühbirnen liegt bei etwa 5 %. „Solid-state“-Leuchten, wie die Leuchtdioden (LED, light emitting diodes), organische Dioden (OLED, organic light-emitting diodes) und Polymerdioden, bestehen aus Halbleitern, die elektrische Energie in Licht umwandeln und deren Wirkungsgrade deutlich höher liegen. LEDs zeichnen sich durch eine hohe Helligkeit, Zuverlässigkeit, eine hohe Effizienz aus und sind in vielen verschiedenen Farben realisierbar. Ansatzpunkte für Neuentwicklungen sind Effizienz, Farbe, Helligkeit und Produktionskosten. Bereits heute finden sich Nanomaterialien in LED-Bauteilen wieder, wie z. B. nanoskaliges Indium-Galliumnidrid (InGaN) oder Aluminum Indium Galliumphosphid (ALInGAP), die für sehr helle Leichtdioden verwendet werden.94

Künftige Lichtquellen könnten auf dem Einsatz von QuantenpunktenNanopartikeln mit besonderen physikalischen Eigenschaften basieren. 95

Quantenpunkte (quantum dots) sind nanoskopische Partikel, meist aus einem halbleitenden Material, in dem die Ladungsträger in allen drei Raumrichtungen eingeschränkt sind, so dass die Energie nur noch diskrete Werte annehmen kann (quantum confinement). Quantenpunkte verhalten sich ähnlich wie Atome, jedoch lässt sich ihr elektrisches und optisches Verhalten unabhängig vom Material über die Partikelgröße beeinflussen. Durch die Bestrahlung der Quantenpunkte mit UV-Licht (380-420 nm) wird die Emission von Licht niederer Frequenz induziert. Die Farbe des emittierten Lichts kann über die Größe der Quantenpunkte manipuliert werden (vgl. Abbildung 26). Quantenpunkte sind daher viel versprechende Systeme für optische oder elektrische Anwendungen.

94 www.agilent.com 95 http://www.sciencedaily.com/releases/2003/07/030721085847.htm

Lichtquellen:Effiziente

punktförmige Lichtquellen können Glühbirnen ersetzen

Quantenpunkte könnten künftig in

Lichtquellen zum Einsatz kommen

Bereiche 75

Abbildung 26: Durch UV-Licht induzierte Fluoreszenz verschieden großer Cadmiumselenid-Quantenpunkte (Quelle: Universität Oldenburg )

Als sehr viel versprechende Lichtquelle gelten auch Nanokristalle, in denen Licht emittierende Atome eingeschlossen werden (quantum caged atoms, quantum confined atoms, QCA). Die Anregungsfrequenz und die Farbe des emittierten Lichtes sind abhängig von den Materialeigenschaften des eingeschlossenen Atoms und können gezielt beeinflusst werden [Tsakar 2005]. Derart kann z. B. Licht im UV-Bereich absorbiert und Licht geringerer Frequenz emittiert werden. Für diese „Dotierung“ werden Seltene Erden, wie Europium, Thulium oder Terbium, untersucht.96 Für die Erzeugung von weißem Licht werden insbesondere QCAs in Verbindung mit Nanophosphor untersucht. Die Effizienz der Umwandlung von UV-Licht in weißes Licht mit QCA-Nanophsophor kann auf 100 % gesteigert werden [SWOT_E]. Vorteilhaft ist neben der Energieeffizienz auch, dass sich QCA-basierte Leuchten nicht erhitzen, unter Extrembedingungen stabil sind und eine sehr hohe Lebensdauer haben.

Großflächige Beleuchtung: Die Beleuchtung von Displays für Laptops und anderer Geräte ist von großem kommerziellen Interesse. In der Bildschirm-Technologie ist seit einigen Jahren ein Trend von den herkömmlichen sehr raumgreifenden Kathodenstrahlröhren (CRT) hin zu Flachbildschirmen zu verzeichnen. Der Markt für Flachbildschirme weist momentan ein weltweites Umsatzvolumen von 40 Mrd. US-$ bei jährlichen Steigerungsraten von etwa 20 % auf. Neben Flüssigkristall- und Plasmabildschirmen werden auch Feldemissions-Displays eingesetzt (FED). Kohlenstoffnanoröhren eigenen sich aufgrund ihrer geringen Größe (Durchmesser), ihrer Stabilität und ihrer Feldemissions-Eigenschaften sehr gut als alternatives Emittermaterial für FEDs. Sie gelten als ausgesprochen energieeffizient und verbrauchsarm. Eine weitere Anwendung großflächiger CNT-basierter Feldemitter im Umfeld der Flachbildschirmtechnologie zeichnet sich in der Verwendung als

96 http://www.ornl.gov/info/ornlreview/rev32_3/caged.htm

Erzeugung von weißem Licht mit Quantenpunkten

CNT-Displays lassen sich energieeffizient betreiben


Hintergrundbeleuchtung ab, auf die etwa 50 % der Kosten bei der Herstellung von LCD-TV-Bildschirmen entfallen.

Eine ebenfalls sehr energieeffiziente Beleuchtungstechnologie stellen organische Leuchtdioden (OLED) dar, die in ihrem Aufbau den anorganischen Leuchtdioden ähnlich sind, jedoch aus einem halbleitendem organischen Material bestehen. OLEDs werden vorrangig für großflächige Beleuchtung und Bildschirmanwendungen entwickelt. Im Gegensatz zu LCDs emittieren sie Licht und sind kostengünstig herzustellen. Nanotechnologische Prozesse könnten zu dazu beitragen die derzeit etwa 100 nm dicken Schichten an organischem Material dünner zu gestalten, was zu flexibleren und billigeren OLEDs führen könnte.

Verbrennungsprozesse spielen in allen Bereichen der heutigen Energieerzeugung eine wichtige Rolle, etwa bei der Verbrennung fossiler Rohstoffe in Kraftwerken oder Kraftfahrzeugen. Bei derartigen Prozessen wird nur ein geringer Teil der Energie tatsächlich genutzt, über 50% geht als Wärme verloren und es entstehen teils giftige Abgase, industrieller Abfall und hohe Reaktionstemperaturen. Zur Kühlung in Kraftwerken wird meist Flusswasser genutzt und erwärmt in die Gewässer zurückgeleitet. Übersteigt die Flusstemperatur dauerhaft oder zeitweise bestimmte Grenzwerte, sind negative Auswirkungen besonders auf das aquatische Ökosystem wahrscheinlich.

Katalysatoren können den Prozess der Verbrennung effizienter gestalten, die Reaktionstemperatur senken sowie die Emissionen giftiger Gase mindern. Da ein großer Teil der katalytischen Reaktivität auf der Größe der Oberfläche beruht, sind nanoskalige Katalysatoren allgemein interessant. Sie kennzeichnen sich durch ein hohes Oberflächen/Volumen-Verhältnis, benötigen weniger Material und sind reaktiver. Nanokatalysatoren können kolloidal gelöst dem Treibstoff beigemengt oder in eine Beschichtung für den Verbrennungsinnenraum integriert werden. Derart kann z. B. die Durchmischung des Treibstoffes und damit die Abbrandrate verbessert oder die Menge an Sauerstoff im Verbrennungsraum erhöht und damit ebenfalls die Effizienz des Prozesses gesteigert werden. Die vollständigere Verbrennung führt auch zu einer reduzierten Emission von Abgasen. Als Treibstoffzusätze werden Aluminium-Nanopartikel oder auch nanoskalige Ceroxide [Fernandez 2004] beforscht und als Beschichtung haben sich nanoporöse Metalloxid-Keramiken als viel versprechend herausgestellt.

Dämmung: Im Hinblick auf steigende Energiepreise und einen nachhaltigen Umgang mit Energien ist die Wärmedämmung und besonders die Gebäudedämmung von steigender Bedeutung. Stoffe wie Glas, Beton oder Stahl sind relativ gute Wärmeleiter, so dass Wärme in Gebäuden sehr schnell über die Fassade oder Glasflächen verloren geht. Daher werden Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit als Dämmstoffe benutzt. Zu den heute üblicherweise verbauten Werkstoffen

LEDs eignen sich für eine großflächige

Beleuchtung

NanoskaligeTreibstoffadditive

erhöhen die Abbrandrate und

verringern den Schadstoffausstoß

Bereiche 77

gehören geschäumte Kunststoffe (Polystyrol oder Polyurethan), Porenbeton oder auch pflanzliche Produkte wie Hanf oder Flachs.

Nanoskalige Materialien werden in diesem Bereich verstärkt in Betracht gezogen, da das hohe Oberflächen-Volumen Verhältnis die Grundlage für gut isolierende und leichte Werkstoffe darstellt. Zur Isolierung transluzenter Scheiben oder Fassadenelemente eignen sich insbesondere Aerogele. Das sind kolloidale Substanzen, die nur zu wenigen Prozent aus einem Feststoff bestehen der Rest ist das sie umgebende Gas oder Vakuum. Aerogele werden meist aus Kieselsäure hergestellt, die unter überkritischen Bedingungen getrocknet wird. Dadurch kann eine Schrumpfung des Materials verhindert werden. Sie zeichnen sich durch hervorragende Wärmeisolationseigenschaften aus (vgl. Abbildung 27).

Nano-Aerogele auf Silikatbasis sind deutlich leichter als herkömmliche Fensterscheiben und haben ebenfalls hervorragende Wärmeisolations-eigenschaften. Nachteilig wirkt sich jedoch vor allem die hohe Porosität und Brüchigkeit des Materials aus, so dass eine Verstärkung, z. B. mit Glasfasern, notwenig sein kann. Kohlenstoff-basierte nanoskalige Aerogele können auch als elektrisch leitfähiges Material hergestellt werden [Shen 2004].

Durch Kombination verschiedener Substanzen mit Fensterglas lassen sich umweltinduzierte Veränderungen der Fensterfläche erzielen (smart glazing). Es werden vier verschiedene Arten von Gläsern unterschieden: thermochrome, photochrome, elektrochrome und gasochrome Gläser. Thermochromes Glas kann benutzt werden um Sonnenlicht zu reflektieren und die Gebäudeinnenräume kühl zu halten. Photochromes Glas reagiert auf Änderungen der Intensität des Sonnenlichts und absorbiert Sonnenlicht effizienter. So kann an einem kühlen, sonnigen Tag die Sonnenergie in den Innenraum geleitet werden und eine zusätzliche Beheizung erübrigen. Zum Einsatz in diesem Bereich kommen Silberchloridnanopartikel, die auf Sonnenlicht mit einem Farbwechsel reagieren oder nanoskalige organische Farbstoffmoleküle, die ihre Konfiguration reversibel unter Einfluss von Sonnenlicht ändern. Elektrochromes Glas kann durch Anlegen einer Spannung in seinen Eigenschaften verändert werden die Fensterscheibe kann so verdunkelt oder farblich getönt werden. Eine elektrochemische Reaktion im Zwischenraum zwischen zwei Fensterglasscheiben führt zu dieser Veränderung. Sehr gut untersucht ist beispielsweise Wolframoxid, das die Scheibe reversibel verdunkeln kann, wenn über nanostrukturierte Indium-Zinn-Oxid(ITO)-Elektroden eine Spannung angelegt wird.

Dämmung: Nano-Aerogele sind hervorragende Wärmeisolatoren

Gläser, die auf umweltinduzierte Veränderungen reagieren, regulieren die Gebäude-temperatur


Abbildung 27: Beispiel für die Isolationsfähigkeit eines Aerogels. Die Wachsmalstifte werden von der Flamme des Bunsenbrenners nicht geschmolzen (Quelle: NASA97).

Materialien: Neue Materialien, die leichter, stärker, billiger zu produzieren sind oder weniger Abfall erzeugen sind von allgemein ökologischen Interesse, auch im Energiesektor. Elektrisch leitfähige oder mechanisch verstärkte Nanokomposite und nanostrukturierte Werkstoffe sind wegen ihrer breiten Anwendbarkeit hierbei von besonderer Bedeutung. Die Einsatzmöglichkeiten von elektrisch leitfähigen Nano-Kompositen sind kaum überschaubar und reichen von Computer- und Handygehäusen für die Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung bis hin zu antistatischen Fußböden und großflächigen Heizelementen. Derzeit wird hauptsächlich Carbon Black (nanoskalige Rußpartikel) verwendet, um die Werkstoffe elektrisch leitfähig zu machen, wobei der Anteil der Kohlenstoffpartikel bei etwa 10 % liegt. Auch Kohlenstoffnanoröhren werden als Kompositmaterial in Betracht gezogen, denn je nach Herstellungsverfahren muss nur 0,01 % bis 0,004 % des Materials zugesetzt werden. Weitere Vorteile, die sich daraus ergeben, sind der Erhalt der mechanischen Eigenschaften des Kunststoffes wegen der geringen Menge an benötigtem Füllstoff und deutlich verbesserte Oberflächeneigenschaften.

Weitere Materialien, die für den Energiesektor von ökologischer Relevanz sein könnten, sind nanokristalline Keramiken aus Zirkonium, Siliziumnitriden oder -karbiden sowie nanoskaliges Magnesium [Nanoforum 2004]. Derartige Werkstoffe sind sehr leicht und besonders für die Transport-Industrie von Interesse, da mit leichteren Materialien geschätzte 6,2 % der insgesamt verbrauchten Energie in den USA eingespart werden könnten [EPA 2005].

97 http://stardust.jpl.nasa.gov/images/gallery/aerogelcrayons.jpg

Materialien:Elektrisch leitfähige

Nano-Komposit-materialien

Bereiche 79

Die Optimierung der Energiewandlung und -speicherung ermöglicht einen nachhaltigeren Umgang mit den natürlichen Ressourcen und führt zu geringeren Belastungen der Umwelt durch Abfälle in jeglicher Form insbesondere die Emission klimaschädlicher Gase sollte minimiert werden. Nanotechnologien können in beiden Bereichen große Fortschritte mit sich bringen und die Nutzung regenerativer Energien fördern.

1. Energiewandlung

Abbildung 28: Verschiedene Bereiche der Energiewandlung.

Die Energiewandlung beschäftigt sich mit der Umwandlung verschiedener Energieformen meistens mit dem Ziel der Stromerzeugung. Da die Wirkungsgrade einiger Technologien noch gering sind, wird nanotechnologischen Entwicklungen große Bedeutung für die Erhöhung der Lichtausbeute beigemessen. Im Folgenden werden die Bereiche Photovoltaik, Solarthermie, Thermoelektrizität und Wasserstofftechnologien vor dem Hintergrund möglicher nanotechnologischer Innovationen näher untersucht.

Solare Photovoltaik (PV) beschreibt die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom. Die Umwandlung basiert auf dem photovoltaischen Effekt, d.h. durch Lichtenergie werden Ladungsträger gerichtet freigesetzt bzw. räumlich voneinander getrennt. Für diese Umwandlung werden Solarzellen verwendet, die sich grob in drei Bereich einteilen lassen: Halbleiter-Solarzellen (Solarzellen der ersten und zweiten Generation), organische Solarzellen und Farbstoff-Solarzellen (Solarzellen der dritten Generation). Nanotechnologien können in allen drei Bereichen dazu beitragen, die typischen Probleme der Photovoltaik zu lösen: geringe Wirkungsgrade, hohe Produktionskosten, geringe Zuverlässigkeit und hohe Toxizität der Bestandteile.

a) Für Halbleiter-Solarzellen wird meistens Silizium (Si) in kristalliner oder amorpher Form verwendet. Kristalline Si-Solarzellen bestehen aus hochreinen Si-Einkristallen oder Si-Polykristallen, wobei die Verarbeitung des hochreinen Siliziums kosten- und energieintensiv ist. Bei der Herstellung monokristalliner Siliziumzellen werden aus

Optimieren:Minimierung der Emissionklimaschädlicher Gase

Photovoltaik-Solarzellen wandeln Sonnenlicht in elektrischen Strom


einer Siliziumschmelze einkristalline Stäbe gezogen, die anschließend in dünne Scheiben gesägt werden. Dieses Herstellungsverfahren resultiert zwar in relativ hohen Wirkungs-graden von etwa 25 % – es ist aber auch aufwendig und teuer. Die Herstellung polykristalliner Zellen, bei denen flüssiges Silizium in Blöcke gegossen und anschließend in Scheiben gesägt wird, ist demgegenüber zwar preiswerter, es treten jedoch bei der Erstarrung des Siliziums Kristalldefekte auf, die einen niedrigeren Wirkungsgrad im Bereich von 11-14 % zur Folge haben. Beide Zellentypen besitzen eine durchschnittliche Nutzungsdauer von etwa 25 Jahren bei einem über den Zeitablauf konstanten Wirkungsgrad, aber erst nach 2 bis 6 Jahren hat sich der Energiebedarf der Herstellung amortisiert.98 Der Anteil polykristalliner Zellen liegt derzeit bei ca. 58 %, der der monokristallinen bei etwa 32 % [EC 2005] Amorphe Si-Solarzellen weisen deutliche geringere Wirkungsgrade auf (bis etwa 13 %) die Einsatzmöglichkeiten sind jedoch gerade im Consumer Products Bereich sehr groß, da die Zellen günstig zu produzieren sind. Amorphe Si-Solarzellen werden durch Aufdampfen einer dünnen Silizium-Schicht auf einen billigen Glas- oder Plastik-Träger hergestellt (Dünnschichtverfahren). Schon nach 1 bis 3½ Jahren hat sich der Energiebedarf der Herstellung amortisiert.98

Im Fokus der Weiterentwicklung Silizium-basierter Solarzellen stehen Dünnschichtsolarzellen aus kristallinem Silizium, die z. B. durch induzierte Kristallisation amorphen Siliziums hergestellt werden können.99 Solche Zellen verbinden die Vorzüge der traditionellen Siliziumtechnologie mit der hohen Produktivität und Flexibilität von Dünnschichttechniken und einem wesentlich geringerem Materialverbrauch.

Dünnschichtsolarzellen auf Basis von III/V- und II/VI-Halbleitern,wie Galliumarsenid, Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) und Cadmiumtellurid (CdTe), versprechen Vorteile bei den Produktionskosten. Von besonderem Interesse sind auch Tandem-Solarzellen, die aus übereinander geschichteten polykristallinen oder amorphen Solarzellen bestehen und automatisch elektrisch in Serie geschaltet werden. Dank unterschiedlicher Materialien, die für unterschiedliche Wellenlängenbereiche optimiert werden, kann das Sonnenspektrum effizienter genutzt und der Wirkungsgrad erhöht werden (über 50 % [Stevenson 2006]).

Quantenpunkt-Solarzellen könnten zu höheren Wirkungsgraden beitragen und sind kosten-günstig zu produzieren

98 http://www.bine.info/ 99 http://www.hmi.de/pr/druckschriften/ergebnisbericht.html

Solarzellen aus einkristallinem

Silizium haben die höchsten

Wirkungsgrade

Dünnschichtsolar-zellen lassen sich

günstig herstellen, haben aber deutlich

geringereWirkungsgrade

Bereiche 81

Nanotechnologien können in der herkömmlichen Si-Solarzellentechnologie zu einer kostengünstigeren Produktion und einem höheren Wirkungsgrad beitragen. Dies gilt insbesondere für Quantenpunkte. Von Quantenpunkten werden hohe Wirkungsgrade von bis zu 66 % [Nozik 2001] erwartet, da einerseits mehrere Elektronen-Loch-Paare pro Photon erzeugt werden können (derzeit meist nur ein Elektron-Loch-Paar).100 Dadurch wird die Lichtausbeute erhöht und die Quantenpunkte anhand der Partikelgröße auf die Wellenlänge des zu absorbierenden Lichtes optimiert [Tu 2005]. In diesem Zusammenhang sind dreidimensionale Gitter aus Quantenpunkten [Nozik 2001] und auch Quantendrähte und Quantenflächen aus Halbleitermaterial von Interesse [Lu 2006]. Auch dotierte halbleitende Nanokristalle (z. B. aus Si, Ge, CdSe, CdAs oder PbSe) mit ungewöhnlichen Kristallformen könnten als neue Materialien für Solarzellen eingesetzt werden [Erwin 2005].

Neben der Energieeffizienz sind die materialsparende Herstellung und die Entwicklung neuer Materialien unter Umweltaspekten von Relevanz. CIS-Kristalle können z. B. kostengünstiger produziert werden, wenn nanoskalige Partikel als Kristallisationskeime auf einem Waver verwendet werden. Ein gleichmäßigeres Kristallwachstum und verminderte Schmelztemperatur des Materials ist die Folge. Die geringen Wirkungsgrade amorpher Dünn-schichtsolarzellen können erhöht werden, wenn Nanopartikel (z. B. aus GaSe oder InSe [Tu 2006]) amorphem Silizium beigemischt werden.101

b) Farbstoff-Solarzelle (sog. „Grätzel-Zelle“): Während eine konventionelle Festkörpersolarzelle das absorbierte Sonnenlicht durch eine geeignete Halbleiterstruktur in elektrische Energie umwandelt, verwendet die elektrochemische Farbstoff-Solarzelle organische Farbstoffe (z. B. verschiedene Ruthenium-Komplexe) zur Lichtabsorption. Die primäre Ladungstrennung geschieht an der Oberfläche einer hochporösen Schicht eines Halbleiters mit großer Bandlücke (TiO2). Zwischen den beiden Elektroden befindet sich ein flüssiger Redoxelektrolyt, z. B. eine Lösung aus Kaliumjodid; der Wirkungsgrad liegt bei etwa 8%. Farbstoff-Solarzellen sind im Siebdruckverfahren preisgünstig herstellbar und zeichnen sich darüber hinaus durch gute Wirkungsgrade bei diffusen Lichtverhältnissen und steigenden Temperaturen aus. Problematisch sind chemisch reaktive Elektrolyte, die von der Außenwelt abgetrennt werden müssen und geringe Wirkungsgrade.

100 http://www.wissenschaft.de/wissen/news/265782.html 101 http://nano.ivcon.net/modules.php?name=News&file=article&sid=186

Beimengung von Nanopartikeln zu Dünnschichtsolarzellen erhöht den Wirkungsgrad

Farbstoffsolarzellen basieren meist auf TiO2 als Halbleitermaterial


Ansätze für eine Effizienzsteigerung durch Nanotechnologien beinhalten den Einsatz von nanokristallinem TiO2 als Halbleitermaterial [Graetzel 2001] oder den Ersatz der Farbstoffmoleküle durch neuartige Farbstoffmoleküle in Verbindung mit Nano-Kompositen, die billiger in der Herstellung sind. In der Erprobung sind auch organische Farbstoffe mit Fulleren-Verbindungen zum Landungstransport. Flüssige Elektrolyte lassen sich z. B. durch leitfähige Polymere, gelierte Festelektrolyte oder auch anorganischen Verbindungen (FeS, CuS und CuInS) ersetzen und so die Lichtausbeute steigern [Nanoforum 2005]. Der angepeilte Wirkungsgrad liegt bei etwa 10%.

c) Organische (polymere) Solarzellen basieren auf der Entdeckung halbleitender (konjugierter) Polymere vor etwa 10 Jahren. Sie haben zwar noch sehr geringe Wirkungsgrade von 3-4 % und werden bei weitem nicht so effizient sein wie herkömmliche Silizium-Solarzellen, aber durch den möglichen Einsatz billiger Herstellungsverfahren sind sie wesentlich preiswerter. Während der Produktion kann auf hohe Temperaturen und aufwendige Vakuumverfahren vollständig verzichtet werden. Organische Solarzellen, in Kunststoff eingebettet, sind möglicherweise um 60 % günstiger als konventionelle Silizium-Solarzellen und um 50 % leichter. Außerdem werden sich großflächige Einheiten herstellen lassen. Ziel der Forschung ist eine Steigerung des Wirkungsgrades auf 5-10 %. Großes Optimierungspotenzial ergibt sich vor allem daraus, dass die heute verwendeten Materialien von den OLED/PLED-Technologien stammen und nicht für die konkrete Anwendung „Solarzelle“ optimiert wurden.

Den Einsatz von Kohlenstoffnanoröhren (CNT) in Polymer-Komposit Materialien soll den Wirkungsgrad billiger Polymer-Solarzellen langfristig auf 10 % steigern [Nanoforum 2005]. Weitere Entwicklungen beschäftigen sich mit Fulleren-Verbindungen als lichtabsorbierende Schicht in Verbindung mit konjugierten Polymeren [Hoppe 2006] oder dem Einsatz von nanostrukturierten Elektroden. Druckbare, streichbare oder auf dünne Folien laminierbare Solarzellen mit Nano-Materialien könnten mobile Geräte dauerhaft mit Strom versorgen [Fairley 2004] und dank niedriger Produktionskosten mittel- bis langfristig ubiquitäre Verwendung finden.

Hybridsolarzelle: Da reine organische Solarzellen noch zu geringe Wirkungsgrade aufweisen, können in Hybridsolarzellen organische Polymere mit anorganischen Halbleitermaterialien kombiniert werden. Die Idee ist, mit einem Weniger an Kunststoff und einem Mehr an anorganischen Halbleitern den Wirkungsgrad auf einfache Weise zu verbessern.

NanoskaligeSchichten von TiO2

oder der Einsatz von Nanokompositen

steigert die Effizienz

Organische (Polymer-) Solarzellen sind um 50 % günstiger zu

produzieren als Si-Solarzelellen

Bereiche 83

Zum Einsatz kommen hier Nanostränge aus Cadmiumtellurid [Kang 2005], Cadmiumarsenid oder -selenid [Huynh 2002]. Selbst-Orientierende Nanopartikel aus TiO2 in halbleitenden Polymeren könnten in Beschichtungen und auch Dachziegeln zum Einsatz kommen. Solarzellen aus halbleitenden Polymeren und (kolloidalen) Quantenpunkten (PbSe, InSe) lassen sich hinsichtlich der Wellenlänge des absorbierten Lichtes beeinflussen und so höhere Wirkungsgrade erzielen [Qi 2005, Watt 2005, Nozik 2002]. Die Kombination von Solarzellen der dritten Generation (organische, photochemische) mit Quantenpunkten oder Nanokristallen wird allgemein auch als Nanokristall-Solarzelle bezeichnet. Obwohl diese Technologie noch im Bereich der Grundlagenforschung anzusiedeln ist, sind damit hohe Erwartungen hinsichtlich einer sehr effizienten Energieumwandlung verbunden [Schaller 2004].

Die Thermische Photovoltaik (TPV) bezeichnet den speziellen Fall der Stromerzeugung aus Wärmestrahlung unter Ausnutzung des photovoltaischen Effektes. Die Art der Wärmequelle ist hierbei beliebig, solange sie dauerhaft eine bestimmte Energie liefert. Das hat den Vorteil gegenüber der solaren Photovoltaik, dass z. B. auch bei bewölktem Himmel ausreichend Wärmestrahlung absorbiert werden kann. Die Photovoltaikzellen bestehen aus einem geeigneten halbleitenden Material, wie z. B. Silizium oder Galliumantimonid [Schlegl 2005].

Das erste Plastik-Komposit-Material, das im IR-Bereich des Wellenspektrums absorbiert, besteht aus Quantenpunkten und einem Polymer. Die Plastik-Solarzelle lässt sich kostengünstig produzieren, flexibel einsetzen, sogar auf Textilien oder als Fassadenanstrich. Experten zufolge könnte mit dieser Technologie und weiteren Innovationen in Zukunft bis zu 30 % der Strahlungswärme der Sonne effizient genutzt werden, im Vergleich zu herkömmlichen 6 %.102

Solarthermie kann zur Erhitzung von Wasser und der Beheizung von Wohnhäusern und Büros genutzt werden. Hierbei absorbiert eine schwarze Oberfläche Wärmestrahlung und erhitzt Wasser oder Luft, die in einem Rohrsystem zirkulieren. Nanotechnologien spielen in diesem Bereich bisher nur eine untergeordnete Rolle, könnten jedoch in Form von nanoporösen Aerogelen in Sonnenkollektoren Verwendung finden. Auch Anti-Reflex-Beschichtungen für die Kollektoren oder neuartige Gläser, die ihre Eigenschaften in Abhängigkeit äußerer Einflüsse ändern können, werden untersucht. Carbid-Beschichtungen zeichnen sich durch ihr hohes Absorptionsvermögen, ihren sehr hohen Schmelzpunkt (zwischen 2900 °C und 3060 °C) und eine hohe mechanische Festigkeit aus. Darüber hinaus haben einige Carbide interessante tribologische Eigenschaften und sind korrosionsbeständig. Wegen dieser Eigenschaften

102 http://news.nationalgeographic.com/news/2005/01/0114_050114_solarplastic.html

Nanokristallsolar-zellen sind noch im Grundlagenstadium

Themische Photo-voltaik: Plastik-Solarzellen sind kostengünstig produzierbar und sehr flexibel

Nur wenige nanotechnologische Ansätze bisher in der Solarthermie


werden Carbid-Beschichtungen in der Solarthermie beforscht [Roadmap_E].

Thermoelektrizität beschreibt die gegenseitige Umwandlung von thermischer in elektrische Energie. Bekannte thermoelektrische Effekte sind der Seebeck-Effekt103, der Peltier-Effekt104 und der Thomson-Effekt105, die eine reversible Beziehung zwischen den beiden Größen herstellen. Anwendungen hierfür liegen in der Kühlung, der Energiegewinnung und der exakten Temperaturkontrolle und -einstellung. Gewünschte Materialeigenschaften sind eine geringe Wärmeleitfähigkeit in Verbindung mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit. Als Materialien werden daher halbleitende Festkörper-Verbindungen verwendet. Konventionelle Thermoelektrika sind relativ ineffizient und werden nur dort eingesetzt, wo ihre Vorteile (Langlebigkeit, Zuverlässigkeit, Emissionsfreiheit, keine bewegten Teile und niedriger Wartungsaufwand) besonders wichtig sind, wie z.B. im Automotive Bereich [Eickenbusch 2004].

Nanoskalige Thermoelektrika sind von sehr großem Interesse, da die elektrischen und thermischen Eigenschaften des Materials durch die Partikelgröße beeinflusst werden können [Majumdar 2004, Service 2004]. Untersuchte Materialienformen sind: Nanocluster, Nanoröhren, Nanokristalle, Multilayer-Strukturen, Nano-Komposite, selbst-organisierende Nanopartikel, nanostrukturierte Oberflächen, sowie Quantenpunkte, Quantendrähte und Quantenflächen [Nanoforum 2005].

Kleine „Super-Gitter“106 aus BiTe- oder SbTe-Quantenpunkten (quantum dot super lattices) oder auch nanoskalige Skutterudite107 haben sich als hocheffiziente Thermoelektrika erwiesen [Ball 2006, Lin 2003, Venkatasubramanian 2001, Dresselhaus 2003] und könnten den Einsatz von thermoelektrischen Geräten in Zukunft vorantreiben. Auch Quantenpunkte und Quantendrähte aus Silizium oder Germanium könnten zu einer effizienteren Kühlung oder Wärmung beitragen [SWOT_E]. Die Arbeitsgruppe von Ted C. Harman am Lincoln Laboratory des MIT, Lexington konnte an einem Material mit selbst-organisierten PbSeTe-Quantenpunkten eine gegenüber konventionellen Materialien um ca. 50 % gesteigerte Effizienz nachweisen [Eickenbusch 2004]. Eine einfach herzustellende Legierung aus Blei und Tellur mit Nanopartikeln aus Silber und Antimon setzt bei einer Temperaturdifferenz von 600 Grad Celcius etwa 18 % der Wärmeenergie in Elektrizität um und hat damit zahlreiche Anwendungsbereiche in der

103 Umsetzung einer Temperaturdifferenz in elektrischen Strom. 104 Umsetzung eines elektrischen Stroms in eine Temperaturdifferenz. 105 Erwärmen oder Abkühlen eines Leiters entsprechend eines Temperaturgradienten. 106 Regelmäßige, periodische, dreidimensionale Anordnung nanoskaliger Strukturen. 107 http://www.dlr.de/wf/forschung/ts/skutterudite

Thermoelektrikabesonders für die Automobilindustrie

interessant

Quantenpunktsuper-gitter haben sich als

hocheffiziente Thermoelektrika

erwiesen

Bereiche 85

Automobilbranche108 aber auch in Kraftwerken. Produkte stehen jedoch noch aus.

Wasserstofftechnologien: Mit der Vision, Wasserstoff als Energieträger einzusetzen, verbindet sich die Hoffnung, langfristig unabhängig von fossilen Energierohstoffen zu werden und die Emission klimarelevanter Gase zu minimieren. Bei der Verbrennung von Wasserstoff mit Luft in Verbrennungsmotoren und Gasturbinen entstehen bei geeigneter Verbrennungsführung nur sehr geringe bis vernachlässigbare Emissionen. Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidemissionen entstehen nur in Spuren durch die Mitverbrennung von Motorenöl.109

Beim Einsatz von Wasserstoff in Niedertemperatur-Brennstoffzellen werden alle Schadstoffemissionen vollständig vermieden. Hochtemperatur-Brennstoffzellen in Kraftwerken verursachen, verglichen mit konventionellen Kraftwerken, um bis zu 100-mal geringere Emissionen. Die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger führt also zu einer lokalen Emissionsreduzierung. Die globale Bilanz ist abhängig von der Art und Weise, wie der Wasserstoff erzeugt wird. Wasserstoff kann

aus fossilen Quellen über Erdgasreformierung sowie durch partielle Oxidation von Schweröl oder die Vergasung von Kohle erzeugt werden. Die Erzeugung von Wasserstoff aus fossilen Energieträgern bringt keine CO2-Verminderung. Nach einer Studie der verkehrswirtschaftlichen Energiestrategie VES produziert ein Auto, das mit aus Erdgas erzeugtem Wasserstoff fährt, etwa 60 % mehr CO2 als ein benzinbetriebenes Auto.110

durch Elektrolyse von Wasser erzeugt werden. Die Ökobilanz ist hierbei abhängig von der Umweltfreundlichkeit des verwendeten Stroms. Wasserstoff bietet sich damit als Speicher- und Transportmedium für erneuerbare Energien an.

durch Vergasung von Biomasse oder auch direkt durch Algen erzeugt werden. Derzeit befinden sich diese Prozesse im F&E-Stadium.

Brennstoffzellen wandeln chemische Energie mit hohem Wirkungsgrad direkt in elektrischen Strom um. Dabei können neben reinem Wasserstoff auch Erdgas, Kohlegas, Methanol oder Biogas für den Betrieb der Brennstoffzelle eingesetzt werden. Aus diesen Brennstoffen wird durch Reformierung der notwendige Wasserstoff gewonnen. Es lässt sich zwischen sechs verschiedenen Brennstoffzellentypen unterscheiden, die sich grundsätzlich in Niedertemperatur- und in Hochtemperatur-

108 http://www.wissenschaft.de/sixcms/detail.php?id=244503 109 http://www.hydrogen.org/ 110 vdi-nachrichten, E. Bodderas, 4.10.02

Wasserstoff-technologien gelten als zukunftsträchtig


Brennstoffzellen, die bei Temperaturen über 600 °C arbeiten, unterteilen. Wichtigstes Unterscheidungsmerkmal ist ihr Elektrolyt, der die Gase in der Zelle voneinander trennt und gleichzeitig den Austausch von Ionen ermöglicht.111 Die verschiedenen Brennstoffzellentypen eignen sich je nach ihren Eigenschaften für unterschiedliche Einsatzgebiete, sind unterschiedlich empfindlich gegenüber Verunreinigungen im Wasserstoff und haben ihre spezifischen Nachteile, aus denen sich der aktuelle F&E-Bedarf ableiten lässt. Im Rahmen des allgemeinen Trends zur dezentralen Energieversorgung, sind Hochtemperatur-Brennstofzellen besonders attraktiv, da hier Kraft-Wärme-gekoppelte Systeme (KWK) besonders effizient arbeiten können. Gängige Testsysteme sind MCFC- (Molten Carbonate Fuel Cell) und SOFC-Systeme (Solid Oxide Fuel Cell).

Das potenzielle Einsatzspektrum der Brennstoffzelle reicht von Akkus in Handys oder Laptops über die Stromversorgung in Elektroautos bis zum Kleinkraftwerk im Keller. Stationäre Hochtemperatur-Brennstoffzellen können in Häusern Strom und Wärme gleichzeitig erzeugen. Solche Kombinationskraftwerke können Wirkungsgrade über 70% erreichen. Viele solcher Kleinanlagen könnten zu einem ‚virtuellen Kraftwerk‘ zusammengeschaltet werden. Damit könnte langfristig die Brennstoffzelle einen Strukturwandel hin zu einer dezentralen hocheffizienten Energieerzeugung bewirken.

Probleme der Wasserstofftechnologie sind hohe Produktionskosten aufgrund teurer Materialien, wie dem Elektrolyt, den Elektroden, den Membranen und den Katalysatoren (meist aus Platin). Nanotechnologische Lösungen beschäftigen sich daher besonders mit der Reduktion der Herstellungskosten. Kohlenstoffnanoröhren, -hörner oder -drähte können an nanoskalige Partikel des Elektrodenmaterials gebunden werden und so das Oberflächen-Volumen-Verhältnis erhöhen [SWOT_E]. Im Jahr 2003 entwickelte die japanische NEC Corporation einen Brennstoffzellen-Prototypen, dessen Elektroden mit konisch zulaufenden Nanoröhren, so genannten Nanohörnern, optimiert wurden. Ein kommerziell erhältlicher Laptop von NEC, der mit einer solchen Brennstoffzelle für die mobile Energieversorgung ausgestattet ist, wurde für Anfang 2005 angekündigt; die Markteinführung musste jedoch verschoben werden.

Fullerene werden mittelfristig auch als viel versprechende Elektrodenmaterialien angesehen und neuartige Konstruktionsweisen könnten zu Materialeinsparungen führen. Nanoskalige hydrophile, anorganische Materialien verbessern die Ionenleitfähigkeit der Membran, was die Funktionsfähigkeit der Zelle verbessert. Auch nanoporöse Membranen werden untersucht [Nanoforum 2005]. Polymer-Nanokomposite zeichnen sich durch eine bessere Trennungseffizienz von

111 http://www.initiative-brennstoffzelle.de

Unterscheidung in Niedertemperatur-

und Hochtemperatur-Brennstoffzellen

Breite Anwendungs-möglichkeiten von

Brennstoffzellen von Handyakkus bis hin

zu Kleinkraftwerken

Optimierung des Elektrodenmaterials durch Nanoröhren, -

hörnern oder -drähte

Bessere Trenn-effizienz durch

nanoporöseMembranen

Bereiche 87

Wasserstoff, Sauerstoff und Wasser in der Protonen-Austauscher-Membran aus [ETAG 2006].

Für Brennstoffzellen vom SOFC-Typ (solid oxide fuel cells, Festkörper-Brennstoffzelle) bieten die Firmen ItN Nanovation und Nextechmaterials keramische Nanopulver (z.B. Yttrium-stabilisiertes Zirkonium, YSZ) zur Herstellung von Feststoff-Elektrolytmembranen mit verbesserter Ionenleitfähigkeit an. Ebenso entwickelt die Firma Nextechmaterials nanoskalige Ceroxid/PT-Katalysatoren für Shiftreaktoren in PEM-Brennstoffzellsystemen mit verbesserter Leistungsfähigkeit und Temperaturbeständigkeit bei deutlich reduziertem Gewicht und Kosten.

Die direkte Umwandlung von Methanol in Brennstoffzellen mittels spezieller Polymermembranen, in denen Nanopartikel positiv geladene Wasserstoffatome transportieren, wird an verschiedenen Instituten untersucht, wie z. B. am Forschungszentrum Jülich.112 Auch hier kommen nanoskalige Materialien wie Nanohörner [Mann 2004] zum Einsatz. Auch die direkte Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser mit Hilfe eines Photokatalysators ist eine sehr effiziente und sparsame Methode den „Treibstoff“ zu erzeugen und wird seit gut 30 Jahren beforscht. Von den ersten Nanokatalysatoren (eine Mischung aus Rhodium- und Chromoxiden), die eine generell verbesserte photokatalytische Zersetzung von Wasser ermöglichen, ist kürzlich berichtet worden [Maeda 2006].

Energiespeicherung

Die effiziente und kostengünstige Speicherung ungenutzter Wärme oder elektrischer Energie ist von essenzieller Bedeutung für mobile Anwendungen oder in entlegenen Regionen, in denen erneuerbare Energien, wie Windkraft oder Solarenergie, genutzt werden, oder kein Anschluss an ein allgemeines Netz möglich ist. Heutige Batterien beinhalten oft giftige Substanzen oder haben eine geringe Lebensdauer. Nanotechnologien könnten die heutigen, ökologischen und technologischen Probleme mindern oder zur Entwicklung völlig neuer Verfahren beitragen. Drei Technologien sind bei der Speicherung von Energie von besonderer Bedeutung: (wiederaufladbare) Batterien, Superkondensatoren und die Speicherung von Wasserstoff.

112 http://www.fz-juelich.de/portal/index.php?index=109

Photokatalyse zur direkten Erzeugung des „Treibstoffes“

Der Speicherung von Energie kommt eine steigende Bedeutung zu


Abbildung 29: Verschiedene Formen der Energiespeicherung

Batterien (wiederaufladbare) bestehen im Prinzip aus elektrochemischen Zellen mit zwei Elektroden und einem meist flüssigen Elektrolyten dazwischen. Die Zellspannung hängt vom Elektrodenmaterial ab, in kommerziellen Li-Ionen-Batterien werden z. B. Graphit oder andere kohleartige Materialien zur Lithium-Interkalation verwendet. Zentraler Fokus bei der Entwicklung neuer Batterien ist die Steigerung der Energiedichte, eine höhere Lebensdauer der Batterien sowie schnelle Lade- und Entladezeiten und eine bessere Temperaturstabilität, da die Trennschicht zumeist aus einem organischen Material besteht, das nicht temperaturstabil ist. Das Elektrodenmaterial (typischerweise Lithium-Magnesium-Verbindungen oder Graphit) wird mit zunehmender Anzahl an Lade-/Entladevorgängen abgenutzt, was die Lebensdauer der Batterie begrenzt. Auch die Toxizität der Materialien, Sicherheitsaspekte und die Höhe der Produktionskosten spielen bei der Entwicklung neuer Batterien eine wichtige Rolle.

Zwei Typen von Batterien sind für nanotechnologische Anwendungen interessant: Lithium- und Metallhydrid-basierte Batterien, in denen Lithium-Ionen bzw. Wasserstoff als Trägersubstanzen fungieren. Nanokristalline Komposit-Materialien, wie z. B. SnCu oder SnLi2O und auch Nanoröhren aus Kohlenstoff oder Lithium sind als Ersatz für Graphit oder Graphit-Lithium-Elektroden in der Erprobung. Sie haben eine höhere Lebensdauer, sind robuster und können häufiger geladen/entladen werden. Durch die Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhren anstelle von Graphit kann die Speicherkapazität von Li-Ionen-Batterien um etwa 30 % erhöht werden. CNT-Elektroden weisen im Vergleich zu Graphit hohe Speicherkapazitäten von bis zu 1000 mAh/g bei gleichzeitig hohen Entladungsraten auf.

Batterien mit Nanopartikeln aus Oxiden der Übergangsmetalle und nanokristalline Metalloxide haben ebenfalls eine hohe Energiedichte und ermöglichen 10 bis 100-mal schnellere Ladezeiten als herkömmliche

Batterien, z. B. Elektrodenmaterial nutzt sich ab und

begrenzt die Lebensdauer

Elektroden mit Nanoröhren in der

Erprobung

Bereiche 89

Batterien. Nanoskalige Titanate, insbesondere Lithiumtitanate haben darüber hinaus eine hohe Lebensdauer.113

Auch im Bereich der Trennmembranen sind Nanotechnologien von Vorteil. So gibt es verschiedene Ansätze temperaturstabile Membranen zu erzeugen, z. B. durch Keramik-Membranen oder spezielle, mit nanoskaligen Stoffen beschichtete Membranen.

Superkondensatoren sind elektrochemische Doppelschicht-Kondensatoren und zeichnen sich durch eine hohe Energie- und Leistungsdichte aus. Sie bestehen aus zwei Elektroden, die von einem Elektrolyten umgeben sind. Wird eine Spannung angelegt, die kleiner sein muss als die Zersetzungsspannung des Elektrolyten, bilden Ionen entgegengesetzter Polarität eine wenige Moleküllagen dicke dielektrische Schicht unbeweglicher Ladungsträger um die Elektroden. Die Elektroden bilden zwei über den elektrisch leitenden Elektrolyten in Serie geschaltete Kondensatoren, die Energie elektrostatisch speichern. Neben dem Abstand der Elektroden hängt die Kapazität eines Kondensators insbesondere von der Größe der Elektrodenoberfläche ab. Im Vergleich zu Batterien haben Superkondensatoren zwar eine niedrigere Energiedichte, aber eine 10-mal höhere Leistungsdichte und Zyklenfestigkeit. Im Vergleich zu dielektrischen Kondensatoren haben sie eine 100-mal größere Energiedichte. Die hohe Kapazität der Superkondensatoren basiert auf der großen Elektrodenoberfläche und der Dissoziation von Ionen in einem flüssigen Elektrolyten, die ein Dielektrikum von wenigen Atomlagen bilden, also Abstände im Bereich eines Nanometers definieren. Typische Anforderungen an neue Superkondensatoren sind qualitativ hochwertige Elektrodenmaterialien mit einer großen Oberfläche und geringem Widerstand, die auf den Elektrolyten abgestimmt sind und die eine Miniaturisierung der Elektroden ermöglichen.

Lösungsansätze durch Nanotechnologien haben eine Kostenreduktion, die Erhöhung der Energie- und Leistungsdichte und eine Miniaturisierung im Fokus. Besonders neuartiges Elektrodenmaterial aus nanoskaligen Werkstoffen oder nanostrukturierte Oberflächen werden in diesem Zusammenhang intensiv untersucht. Kohlenstoffnanoröhren, nanoskalige Kohlenstoffpartikel mit großer reaktiver Oberfläche, Fulleren-artigen Stoffen aber auch nanoporösen Oxiden (Eisenoxid, Nickeloxid oder Molybdenoxid) wird ein hohes Entwicklungspotenzial eingeräumt. Carbon-Aerogele eignen sich aufgrund ihrer extrem großen inneren Oberfläche, kontrollierbaren Porenverteilung und Poren-durchmessern ebenfalls hervorragend als graphitische Elektroden-materialien.

113 http://www.bootstrapping.org/Mambo/index.php?option=com_content&task= view&id=42&Itemid=1

Der Speicherung von Energie kommt eine steigende Bedeutung zu

Besonders neuartiges nanoskaligesElektrodenmaterial im Fokus der Entwicklung


Abbildung 30: Schematischer Aufbau eines CNT-basierten elektrochemischen Kondensators

Wasserstoffspeicherung: Um den Wasserstoff für die Energiegewinnung durch Verbrennung oder für den Betrieb einer Brennstoffzelle über längere Zeit kontinuierlich zur Verfügung zu stellen, wird ein chemischer Speicher, bei dem Wasserstoff reversibel in eine Struktur eingelagert wird, oder ein physikalischer Speicher, der Wasserstoff in flüssiger Form oder unter hohem Druck aufnehmen kann, benötigt. Eine Alternative ist die Methanol-Direkt-Brennstoffzelle, in der Wasserstoff (z.B. mit Hilfe nanotechnologischer Katalysatoren) direkt aus Kohlenwasserstoffen gewonnen wird.

Neben den klassischen Hochdruck- oder Flüssiggasspeichern verwendet die Industrie insbesondere die chemische Speicherung in Metall-Hydrid-Verbindungen. Alle Speicherverfahren haben ihre Nachteile. Hoch-druckspeicher haben ein hohes Gewicht, Flüssiggasspeicher sind teuer, da sie aufwendig isoliert werden müssen, um die Verluste durch Abdampfen des Wasserstoffs möglichst gering zu halten und Metall-Hydrid-Speicher sind ebenfalls teuer und relativ schwer. Für die Automobilindustrie sind Hochdruckgasspeicherung oder Flüssiggas-speicherung nach wie vor für Automobile mit einer Reichweite über 500 km interessant, da hierfür chemische Speicher noch nicht geeignet sind. Für einen möglichen Einsatz in mobilen Anwendungen wird daher an neuen, leichteren nanoskaligen Verbundwerkstoffen für die Tanks gearbeitet, wie z. B. nanoskalige Aluminiumlegierungen.

Nicht erfüllt haben sich die Hoffnungen, Wasserstoff mit hoher Effizienz in Kohlenstoffnanoröhren speichern zu können. Durch ihre nanoskalige Röhrengeometrie wurden von Kohlenstoff-Nanoröhren gute Speicher-kapazitäten durch Adsorptions- und Kapillareffekte erwartet. Generell wurden bisher bei der Wasserstoffspeicherung mittels Gasphasen-Interkalation und auch Chemiesorption keine hohen Kapazitäten erreicht. Der derzeitige Stand der Forschung macht mittelfristig den Einsatz von CNTs in kommerziellen Wasserstoffspeichern unwahrscheinlich. Dennoch werden Nanomaterialien wie nanoporöse Zeolithe,

Wasserstoffspei-cherung: Hochdruck

oder chemische Speicherung in

Metall-Hydriden

Unerfüllte Hoffnung: CNT als Super-

speicher für Wasserstoff

Bereiche 91

nanokristalline Metallhydride und nanostrukturierte Magnesium-Alanate zur Speicherung und nanoskalige Katalysatoren für die Wasser-stoffumwandlung untersucht. Große Hoffnungen haben derzeit Metall-organische Nanowürfel erweckt, die eine größere Oberfläche als Kohlenstoffnanoröhren (sie sind doppelt so porös wie CNT) [Nanoforum 2005] oder Aktivkohle (50% größere Oberfläche) haben.

Messen: Nanoskalige Gassensoren werden u. a. zur Bestimmung von Emissionen aber auch zur Steuerung und Regelung von Heizanlagen verwendet. Besonders Chemosensoren, wie CNT-basierte kondukto-metrische Gassensoren oder Palladium-Nanodrähte als kondukto-metrischer Wasserstoffsensor, sind im Energiebereich von Interesse.

Interessante Perspektiven hinsichtlich einer Verwendung als Wasserstoff-Sensoren könnten sich für hochgeordnete Arrays aus TiO2-Nanoröhrenergeben. Einer Forschergruppe der Pennsylvania State University gelang im Jahr 2002 die Herstellung solcher Strukturen durch Oxidation von Titan in einem elektrolytischen Prozess, bei dem sich ein „Nanoröhren-Wald“ in geordneter Form an der Anode abscheidet. Es stellte sich eine außergewöhnlich große Sensitivität der TiO2-Nanoröhren-Arraysgegenüber Wasserstoff bei Raumtemperatur heraus [Varghese 2004].

Abbildung 31: Elektronenmikroskopische Aufnahme eines TiO2-Nanoröhren-Arrays. Die Röhren haben einen Durchmesser von etwa 100 nm (Quelle: Craig Grimes, Pennsylvania State University).


Im Energiesektor haben Nanotechnologien den Weg in Produkte noch nicht in größerem Maßstab gefunden, obwohl mit diesen Technologien große Erwartungen verknüpft werden. Am weitesten verbreitet sind Beschichtungen und reflektierende Oberflächen für Fenster oder Fassaden sowie smart glazes. Auch nanoporöse Aerogele sind bereits

Nanorwürfel zur H2-Speicherung in der Erprobung

Messen: H2-Sensorenaus Arrays von TiO2-Nanoröhren verspre-chen außergewöhn-liche Sensitivität


kommerziell erhältlich114 Sie finden Verwendung als Material für temperaturkritische Aufbewahrungsbehälter von Chemikalien, beim Militär oder auch in der Raumfahrt. Für die Gebäudedämmung werden transluzente Elemente angeboten, die Innenräume mit viel Tageslicht versorgen und gleichzeitig gut isolieren.

Abbildung 32: Eine Bibliothek bei Paris, Frankreich, die dank transluzenter Aerogel-Fassadenelemente lichtdurchflutet ist. 115 116

Weitere wichtige Trends im Bereich Energieeinsparung betrifft vor allem Geräte und Lichtquellen, die dank Nanotechnologien verbrauchsärmer bzw. effizienter werden. Als punktförmige Lichtquellen sind Quantenpunkte von Interesse und könnten künftig auch zur Entwicklung neuer Bildschirme verwendet werden. Den Proof-of-concept haben Forscher einer US-Firma117 kürzlich angetreten und einen ersten monochromen Quantenpunkt-Bildschirm mit 32 x 64 Pixel vorgestellt.118

Der Bildschirm ist extrem dünn und benötigt wesentlich weniger Energie als z. B. LCDs benötigen. Entsprechende Farbdisplays könnten laut Hersteller selbst bei starker Sonnenstrahlung eine exzellente Farbdarstellung gewährleisten. Die Anwendung derartiger Ent-wicklungen ist jedoch noch nicht absehbar. Wesentlich nahe liegender sind die Ökoeffizienzpotenziale, die sich beim massenweisen Einsatz von OLEDs oder auch CND-FEDs ergeben würden. Eine vergleichende Analyse von CRT, LCD, OLEDs und CNT-FEDs [Steinfeldt 2004] weist darauf hin, dass, sollten grundlegende Probleme bei der Massenfertigung von OLEDs gelöst werden können, bis zu 20 %-ige Energieeinsparungen

114 http://www.aerogel.com/products/overview.html 115 http://w1.cabot-corp.com/index.jsp 116 http://www.emg.nl/en/newsimage.asp?id=3139&prd=6471 117 http://www.qdvision.com/ 118 http://www.technologyreview.com/read_article.aspx?id=16830&ch=nanotech

Nanotechnologien im Energiesektor noch nicht im größeren Maßstab auf dem

Markt

Energieeinsparungen durch effiziente

Geräte oder Lichtquellen

Bereiche 93

über die gesamte Produktionskette hinweg möglich sind, wobei der sehr geringe Energieverbrauch während der Betriebsphase hier besonders deutlich hervorzuheben ist. Das macht mittelfristig einen verbreiteten Einsatz von OLED-Bildschirmen, die sich auch durch eine hohe Flexibilität auszeichnen, wahrscheinlich. Allerdings würden auch die Kohlenstoffnanoröhre-basierten Bildschirme (CNT-FED) deutlich weniger Energie verbrauchen als Kathodenstrahlröhren - während des Betriebes und evtl. auch während der Herstellung, wenn neue günstigere Produktionsmethoden für die Synthese der hochkomplexen Röhren gefunden sind.

In der Energiewandlung sind besonders Solaranlagen mit nanotechnologischen Bauteilen von Interesse. Für Solarpanels könnten z. B. neuartige Farbstoffsolarzellen mit nanoskaligem Titandioxid als Halbleitermaterial eingesetzt werden. Forscher des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme haben kürzlich den Prototypen einer entsprechenden Farbstoffsolarzelle auf der Hannover Messe 2006 vorgestellt, allerdings mit einem Wirkungsgrad von nur wenigen Prozent (vgl. Abbildung 33).119 Mittelfristig halten die Wissenschaftler Wirkungsgrade von etwa 5 % für realistisch.

Abbildung 33: Dekoratives Farbstoffsolarzellen-Modul mit nanokristallinem TiO2

(Quelle: Fraunhofer ISE)

Schließlich ist auch die Speicherung von Energie in einer mobilen Gesellschaft ein zentrales Thema. Der Bedarf für immer leistungsfähigere, kleinere und leichtere Batterien ist groß. Die Miniaturisierung durch nanoskalige Bauteile ist eine Möglichkeit kleinere Batterien zu konstruieren. Auch der Verlust an Kapazität im Laufe der Zeit (Lithium Akkus entladen sich in der Regel in wenigen Monaten) ist ein Problem, so dass für viele professionelle Anwendungen noch immer bevorzugt Alkali-Batterien zum Einsatz kommen. An diesem

119 http://www.channel-e.de/news+M58e6d19c514.0.html

OLED- und CNT-basierte Displays enthalten große Energieeinspar-potenziale

Farbstoffsolarzellen mit nanoskaligem TiO2

als Prototypen vorgestellt

Kleinere Batterien dank Miniaturisierung von Bauteilen


Problem arbeitet eine Kooperation, bestehend aus Lucent Technologies Bell Labs und mPhase Technologies.120

Abbildung 34: Tropfen auf einer nanostrukturierten Oberfläche; steuerbar durch externe Stimuli (Quelle: mPhase)121

Der bereits vorgestellte Prototyp basiert auf der Entdeckung, dass flüssige Elektrolyt-Tropfen auf einer nanoskaligen Struktur („Nanograss“) in einem ruhenden Zustand verweilen und bei Bedarf in Bewegung versetzt werden können. Dadurch kommt es zu einer Reaktion, die Elektrizität produziert. Künftige Batterien, die auf dieser Technologie aufbauen, könnten eine Lebensdauer von Dekaden haben, wären universell einsetzbar und könnten zu erheblichen Einsparungen an Altlasten und unbrauchbar gewordenen Batterien führen.

Der erste Prototyp eines Hybrid-Kraftfahrzeuges, das mit Li-Ionen Batterien fahren kann, ist von der Firma Degussa im Jahr 2006 auf deutschen Straßen getestet und vorgestellt worden (vgl. Abbildung 35). Zum Einsatz kommt hier eine keramische, flexible Trennmembran zwischen Anode und Kathode, die nanoskopische Strukturen aufweist und die Leistung der Batterie deutlich erhöht. So lässt sich im Vergleich zu herkömmlichen Fahrzeugen mit reinem Verbrennungsmotor bis zu 25 % Treibstoff einsparen.

120 http://www.nanotechwire.com/news.asp?nid=2778 121 http://www.mphasetech.com/nanotechnology.htm

Ein Hybridfahrzeug mit nanoporöser

Membran wurde auf deutschen Straßen

getestet

Bereiche 95

Abbildung 35: Hybridauto, das mit Li-Ionen Batterie fahren kann (Quelle: Evonic Industries AG)122

Weitere nanotechnologische Innovationen im Energiesektor werden für wahrscheinlich gehalten und könnten die Energiewandlung, -speicherung oder den nachhaltigen Gebrauch von Energie maßgeblich beeinflussen. Eine Auswahl von Beispielen und Projekten in einer Kurzdarstellung soll dies veranschaulichen.

Energie einsparen:

Die Entwicklung weißer Leuchtdioden als neuartige Lichtquelle mit Wirkungsgraden von über 50 % und anpassbarer Helligkeit und Form ist eines der Ziele der BMBF Leitinnovation NanoLux.123

Weißes Licht emittierende Quantenpunkt-Leuchtdioden können zukünftig in Displays als effiziente Lichtquelle genutzt werden. Entsprechende Patente sind angemeldet.124

Einen ersten Prototyp eines CNT-basierten Feldemissionsdisplays hat die Firma Motorola vorgestellt. Das Gerät hat ein Auflösung von 160 x 90 Bildpunkten und eine Schaltgeschwindigkeit von 60 Hz. Nach Abschätzung der Hersteller könnte der Energie-verbrauch entsprechender Monitore um 50 % geringer sein als der von LCDs [Löfken 2005].

In dem vom BMBF geförderten Forschungsvorhaben „ColorSol – Nachhaltige Produktinnovationen durch Farbstoffsolarzellen“ wird die Anwendbarkeit von Farbstoffsolarzellen mit nano-

122 http://www.folio-online.de/index.php/heft/100936 123 http://www.bmbf.de/de/338.php 124 http://www.nanosysinc.com/news/Press%20Release%20html/2005/Quantum-

Dot%20Patent.html

BMBF-Leitinnovation:u. a. Entwicklung weißer Leuchtdioden

Prototyp eines CNT-Displays wurde bereits vorgestellt


skaligem Titandioxid als Halbleitermaterial untersucht. Ziele hierbei sind u. a. die marktreife Entwicklung von Farbstoff-Solarzellen als Solarpanele für Gebäudefassaden und als Photovoltaik-Module für netzunabhängige Anwendungen.125

Zur Isolierung von Gebäuden werden auch Nano-Schäume mit einer ähnlich hohen Wärmeisolierkraft wie Vakuum-Panels untersucht und eine Kommerzialisierung angestrebt [Schädler 2005].

Aerogele in transluzenten Fassadenelementen für Gebäude mit besonders viel Tageslichtbedarf werden von der Firma Cabot hergestellt und sind bereits in etlichen Gebäuden verbaut worden.126

Die Firma Aspen Aerogels stellt Aerogele zur thermischen Isolation von Helikoptern (zur Tarnung des Antriebs), Textilien (Feuerwehr, Extremsport) und von Raumfähren her. 127 Besonders in der Öl und Gas-Industrie werden diese Aerogele seit 2004 von allen großen Unternehmen genutzt.128 Aspens Aerogel hat bereits 15 Einträge im Guinness Buch der Rekorde erhalten, u. a. als leichteste Substanz der Welt.

Ceriumoxid kann als Katalysator für einen effizienteren Verbrennungsvorgang eingesetzt werden und die Menge an giftigen Abgasen reduzieren und zu Treibstoffersparnissen führen (Firma: Oxonica).129

Nanoskalige Beschichtungen beweglicher Teile im Verbrennungsraum von Automobilen können die Reibung deutlich verringern und derart bis zu 4 % Treibstoffersparnis und die Emissionsmenge deutlich reduzieren, wie Forscher aus Israel kürzlich zeigten.130

Effizientere Energiewandlung:

Ein kommerziell erhältlicher Laptop von NEC, der mit einer Brennstoffzelle für die mobile Energieversorgung ausgestattet ist, wurde für Anfang 2005 angekündigt; die Markteinführung musste jedoch verschoben werden.

125 http://www.colorsol.de/fhg/iao_colorsol/einfuehrung/index.jsp 126 http://w1.cabot-corp.com/index.jsp 127 http://www.physorg.com/news6956.html 128 http://press.aerogel.com/index.php?s=press_releases&item=242 129 http://www.oxonica.com/energy/energy_envirox_intro.php 130 http://www.azonano.com/news.asp?newsID=3893

Nanoschäume für die Gebäudedämmung

werden untersucht

Bereiche 97

Die Markteinführung für eine Hybrid-SOFC-Brennstoffzelle für die mobile Energieversorgung ist für Ende 2006 angekündigt.131

Nanostrukturierte Elektroden für SOFC-Hochtemperatur-Brennstoffzellen führen zu einer deutlichen Leistungssteigerung und Verbesserung der Leistungsdichte [Becker 2006, Luther 2006].

Forscher des Brookhaven National Laboratory untersuchen nanostrukturierte Elektroden für Brennstoffzellen im Automobilbereich, die durch eine höhere Beständigkeit und damit Lebensdauer gekennzeichnet sind. Das Elektrodenmaterial besteht aus nanoskaligen Platinpartikeln in Verbindung mit Gold.132

Forscher arbeiten intensiv an der Effizienzsteigerung von Thermoelektrika durch den Einsatz von Quantenpunkt-„Supergittern“ [Humphrey 2005]. Auch deutsche Firmen, wie die Freiburger Micropelt GmbH, arbeiten an neuen Thermoelektrika mit Quantenpunkt-Supergittern.133

TiO2-Arrays eignen sich auch für die Photolyse von Wasser. So erreichten Varghese et al. Photokonversions-Effizienzen von mehr als 12 % bei Beleuchtung des Nanoröhren-Arrays mit Licht im Wellenlängenbereich 320-400 nm [Varghese, 2005].

Wissenschaftler der wake Forest Universität haben eine organische Solarzelle mit Nano-Fillamenten im licht-absorbierenden Polymer vorgestellt. Der Wirkungsgrad liegt bei 6 % und ist damit deutlich höher als bei herkömmlichen Plastik Solarzellen.134

Nanoporösen Platinkatalysatoren für die Wasserstofftechnologien wird intensiv geforscht, da das Edelmetall sehr teuer ist. Ein US Forscherteam berichtet von einem neuartigen nanoskaligen Platinkatalysator mit einer zuvor nicht beobeachteten Kristallstrukture für den Einsatz in Brennstoffzellen. Der Katalysator zeichnet sich durch eine höhere katalytische Aktivität als herkömmliche Platinkatalysatoren aus bei gleichem Materialbedarf [Tian 2007].

Effizientere Energiespeicherung:

Der US-Konzern DeWalt hat Lithium-Akkus entwickelt, die fünf mal mehr Energie speichern können als herkömmliche Akkus und

131 http://www.nanodynamics.com/Home/NDcorporateInfo/NDpressreleases/110706 132 http://www.nanowerk.com/news/newsid=1683.php 133 http://www.micropelt.com 134 http://www.physorg.com/news96200990.html

Nanostrukturierte Elektroden dienen dem Einsatz in SOFC-Brennstoffzellen

NanoskaligesElektrodenmaterial für Brennstoffzellen ist in der Entwicklung

Eine organische Solarzelle mit Nanofillamenten hat einen Wirkungsgrad von 6 %


in fünf Minuten 90 % ihrer Kapazität aufladen können. Ermöglicht wird dies durch Nanopartikel aus Aluminium, Mangan oder Titan, die für einen schnellen Ionenfluss sorgen.135

Auch die Firma Altair Technologies32 entwickelt eine Lithium-Ionen-Batterie mit Lithiumtitanat-Nanokristallen als Elektroden-material. Der Akku soll durch schnelle Ladezeiten und eine hohe Lebensdauer hervorstechen. Die Nano-Titanat-Batterie ist seit September 2006 auf dem Markt erhältlich.136

Nanostrukturierte Hybridanoden und -kathoden sorgen in einer der ersten kommerziell erhältlichen Lithium-Ionen-basierten Batterie (Nexelion) für eine 30 % höhere Speicherkapazität.137

Die BASF beschäftigt sich mit der Entwicklung metall-organischer Nano-Würfel zur Wasserstoff-Speicherung. Vorteile sind das geringe Gewicht und eine hohe Speicherkapazität. Die Nano-Würfel werden auch für weitere Applikationen untersucht. 138

Dem Problem der Temperatursensitivität von Li-basierten Batterien könnte eine nanopartikuläre Beschichtung der Trennmembran entgegenwirken, was wiederum eine Erweiterung der Einsatzbereiche dieses Batterietyps zur Folge hätte. So könnten derartige Batterien auch in Automobilen eingesetzt werden und die herkömmlichen Blei-basierten Autobatterien ökologisch sinnvoll ablösen [ETAG 2006].

Das GKSS Forschungszentrum in Geesthacht beschäftigt sich in zahlreichen Projekten mit nanotechnologischen Entwicklungen. Eines der Themen ist die Wasserstoffspeicherung in nanokristallinen Metallhydriden.139


Der Energiesektor wird insbesondere wegen der starken Abhängigkeit von begrenzt verfügbaren, fossilen Energieträgern als enorm wichtig angesehen. Nach den Prognosen der OECD/IEA wird der weltweite Energieverbrauch bis 2030 auf 682 Exa-Joule ansteigen. Die Shell AG rechnet bis 2050 mit einem Anstieg auf 854 Exa-Joule – aus heutiger Perspektive also beinahe eine Verdopplung des weltweiten Energieverbrauchs. Die Schaffung einer nachhaltigen Energiewirtschaft

135 http://www.net-tribune.de/article/250406-15.php 136 http://biz.yahoo.com/seekingalpha/061030/19548_id.html?.v=1 137 http://www.livingroom.org.au/photolog/accessories/sony_nexelion_battery.php 138 http://corporate.basf.com/de/innovationen/labors/chemikalien/technologien/

nanocubes.htm?id=V00-9ncNs9YEmbcp2OG 139 http://www.wp.tu-harburg.de/

Eine Nano-Titanat-Batterie ist seit kurzem auf dem

Markt

Nanopartikuläre Beschichtung von Trennmembranen

verringert Tempera-tursensitivität in

Batterien

Bereiche 99

wird als einer der vordringlichsten Aufgaben der Weltgemeinschaft gesehen, auch im Hinblick auf die Klimaänderungen und den Ausstoß von Treibhausgasen. Der jüngste Bericht des britischen Regierungsberaters Stern wird der Klimaschutzdebatte neuen Auftrieb verschaffen. Seinen Angaben zufolge betragen die ökonomischen Verluste in Folge des Klimawandels zukünftig jährlich rund 5-20 % der weltweiten Wirtschaftsleistung. Im Gegensatz dazu könnten die Kosten, um die Treibhausgasemissionen zu reduzieren und die schlimmsten Auswirkungen des Klimawandels zu vermeiden, auf etwa 1 Prozent des weltweiten Bruttosozialproduktes begrenzt werden.140

Die heutige und zukünftige Energiewirtschaft und -politik ist also mit zahlreichen Herausforderungen konfrontiert und die verstärkte Nutzung alternativer Energiequellen bzw. regenerativer Energietechnologien wird dabei als ein Bestandteil zur Reaktion auf diese Herausforderungen angesehen. Im Hinblick auf nanotechnologische Potenziale sind insbesondere Photovoltaik-Systeme, neuartige Beleuchtungstechnologien und Wärmedämmungen von Interesse.

Der Boom bei Photovoltaik(PV)-Systemen ist ungebrochen. Auch wenn hier keine Zahlen zum Beitrag der Nanotechnologien vorliegen, könnte dieser Wachstumsmarkt von nanotechnologischen Innovationen oder gar Durchbrüchen deutlich profitieren.

Der weltweite Markt wuchs im Jahr 2005 um 34 %. Die weltweit im Jahr 2005 installierte Leistung erreichte den Wert von 1,460 MW, wobei der Markt in Deutschland mit 53 % überproportional gewachsen ist. In Deutschland waren 2005 insgesamt 837 MW installiert, so dass mehr als die Hälfte der weltweit installierten Leistung auf Deutschland entfällt. Die Produktion von Solarzellen wurde von 2004 auf 2005 von 1,146 MW auf 1,656 MW gesteigert. Die japanischen Produzenten liegen mit einem Anteil von 46 % vor Europa 28 % und den USA 10 %. Die Investitionen in neue Fabrikationsstätten für Solarzellen erreichte 2005 mehr als 1 Mrd. US-$ während die PV-Industrie mehr al 1,8 Mrd. US-$ auf den internationalen Finanzmärkten akquirierte. Die Vorhersagen für 2010 rechnen mit einem Marktvolumen von 18,6 bis 23,1 Mrd. US-$, mit einer jährlichen installierten Leistung von 3,2 bis 3,9 Gigawatt (GW).141.

140 „Stern Review on the economics of climate change“ (http://www.hm- treasury.gov.uk/independent_reviews/stern_review_economics_climate_change/ sternreview_ index.cfm; Stand: 11.12.2006).

141 solarbuzz, 2006 World Pv Industry Report Highlights, http://www.solarbuzz.com/Marketbuzz2006-intro.htm, 15.03.06

Ökonomische Verluste in Folge des Klimawandels: 5-20 % der weltweiten Wirtschaftsleistung

Der Photovoltaik-Markt in Deutschland boomt weiter


Abbildung 36: Weltweit in 2005 installierte Leistung von Photovoltaiksystemen (Quelle: Solarbuzz, 2006)

Auch High Brightness Leuchtdioden (HB LED) profitieren direkt von nanotechnologischen Innovationen. HB LEDs haben von 2001 bis 2004 durchschnittliche Wachstumsraten von 46 % erreicht. Im Jahr 2005 wuchs der globale Markt um 6,2 % auf ein Gesamtvolumen von 3,9 Mrd. US-$. Grund für das verlangsamte Wachstum ist eine Sättigung im Mobilfunkmarkt, der 2005 ca. 52 % des Gesamtmarkts für HB LEDs ausmacht. Für die kommenden Jahre werden daher Wachstumsraten in der Größenordnung von 15–20 % erwartet, so dass im Jahr 2010 mit einem Marktvolumen von 8,3 Mrd. US-$ gerechnet wird. Das Wachstum wird vor allem durch neue Anwendungen wie Beleuchtung, Autoscheinwerfer sowie die Displaybeleuchtung von Computer-monitoren und Fernsehschirmen bestimmt.

Vor allem durch die Fortschritte bei weißen HB LEDs ermöglichen den Eintritt in den 12 Mrd. US-$ Markt für allgemeine Beleuchtungs-anwendungen142. Das Potenzial der HB LEDs für signifikante Energieeinsparungen hat Regierungen dazu veranlasst, die Forschung und Entwicklung im Bereich der HB LEDs zu intensivieren. Neue Programme wurden in Japan, USA und Deutschland aufgelegt.

Die Gebäudedämmung und damit der Bedarf an guten thermischen Isolatoren gewinnen vor dem Hintergrund steigender Energiepreise stetig an Bedeutung. Der Anteil an Isolationsmaterialien für den privaten Gebrauch liegt bei 80 % des Gesamtmarktvolumens mit stark steigenden Wachstumsraten. Eine Umsatzsteigerung von 2,5 Mrd. US-$ in 2005 auf 2,9 Mrd. US-$ auf dem europäischen Markt wird erwartet [Frost &

142 Stratgies Unlimited, “High-Brightness LED Market Growth Slowing but Still Healthy “ http://su.pennnet.com/press_display.cfm?ARTICLE_ID=258199, 21.06.06

Wachstumsraten für HB LEDs von 15-20 %

erwartet

Dämmstoffe für den privaten Gebrauch verzeichnen hohe

Absatzraten

Bereiche 101

Sullivan 2006] 143. Glaswolle nimmt derzeit eine zentrale Rolle unter den Isolationsmaterialien ein, da es sehr feuerbeständig ist, hervorragend Schall isoliert und billig zu produzieren ist. Ein Trend in Richtung umweltfreundliche Materialien ist erkennbar. Nanotechnologische Dämmtechniken, wie Nanoschäume oder Aerogele, werden mit hohen Erwartungen für diesen Markt betrachtet.

1.5 Lärm


Als Lärm werden Geräusche (Schall) bezeichnet, die durch ihre Lautstärke und Struktur für den Menschen und die Umwelt gesundheitsschädigend oder störend bzw. belastend wirken. Für die Menschen in Deutschland stellt Lärm eine der am stärksten empfundenen Umweltbeeinträchtigungen dar. Am häufigsten fühlen sie sich durch Straßenlärm belästigt: In den alten Bundesländern stören sich 66%, in den neuen Bundesländern 79%, der Bevölkerung an Verkehrslärm. An zweiter Stelle steht die Belästigung durch Fluglärm.

Tabelle 4: Belästigung der Bevölkerung durch Lärm in Deutschland in Prozent. (Mehrfachnennungen möglich)144

In Deutschland sind ca. 5 Mio. Arbeitnehmer Lärm ausgesetzt, der das Gehör schädigen kann. Maschinen stellen die Hauptgeräuschquelle am Arbeitsplatz dar. Insofern ist die Forderung der EU-Maschinenrichtlinienach Lärmminderung an der Quelle ein wesentlicher Faktor im Konzept der Lärmminderung. Zur Unterstützung des Maschinenherstellers und insbesondere für die dort tätigen Konstrukteure wurde, um möglichst leise Maschinen zu entwickeln, daher die DIN EN ISO 11688 erarbeitet. Zur Lärmminderung am Arbeitsplatz sollen entsprechend DIN EN ISO 11690-1, -2 folgende Maßnahmen angewendet werden:

143 IHS inc, „Frost: Efficient Thermal Insulation Materials Will See Uptake in Europe“, http://aec.ihs.com/news/frost-insulation-europe.htm, 02.03.06

144 http://www.apug.de/uug/laerm/index.htm

Viele Menschen fühlen sich durch Verkehrslärm gestört

Alte Bundesländer Neue Bundesländer Straße 66 % 79 % Flug 46 % 26 % Schiene 20 % 24 % Industrie 21 % 22 % Nachbarn 19 % 27 % Sport 8 % 6 %

Lärmminderung am ArbeitsplatzerfordertverschiedeneMaßnahmen


Auswahl von lärmarmen Maschinen bei Neu- oder Ersatzbeschaffung mit Hilfe der Geräuschangabe,

Umstellung auf lärmarme Arbeitsverfahren,

Einführung schallabsorbierender Decken in Verbindung mit Schallschirmen,

Anbringung von Schallschutzprodukten, wie Kapseln, Abschirmungen, Schalldämpfer etc., in der Nähe der Maschinen (ggf. muss auch der Arbeitsplatz abgeschirmt werden).

Erst wenn all diese Maßnahmen nicht greifen, steht die sachgerechte Verwendung von Gehörschutz.145


Vermeidung. Ein prominentes Beispiel der Lärmvermeidung ist die Verkehrsvermeidung. Hier ist das Motto: mehr Erreichbarkeit bei weniger Verkehr. Dabei wird deutlich, dass Verkehrsvermeidung nicht mit Einschränkung der persönlichen Mobilität und individuellen Freiheit gleichzusetzen ist, sondern persönliche Vorteile für den Einzelnen bietet. Die durch Änderungen im persönlichen Verhalten erzielbaren Potenziale zur Reduzierung des Verkehrsaufwands sind beträchtlich. Beispiele sind die Bedeutung des Car-Sharing und der Siedlungsform Autofreies Wohngebiet. Diese Mobilitäts-/Wohnformen wirken in besonderem Maße bewußtseinsbildend, indem sie eine rationale, gebrauchswertorientierte Einstellung zum Automobil fördern.146

Optimierung. Die nächste Stufe des Lärmschutzes ist die Reduzierung der Schallemissionen. Die Verringerung des Lärms an der Geräuschquelle wird als aktiver Schallschutz bezeichnet. So schätzen Experten im Luft- wie im Schienenverkehr das Potenzial der aktiven Lärmminderung auf 10 dB(A) – wobei plus oder minus 10 dB vom menschlichen Ohr als Verdoppelung bzw. Halbierung wahrgenommen werden. Technische Möglichkeiten des aktiven Lärmschutzes im Flugverkehr sind z. B. leisere Triebwerke oder aerodynamische Verbesserungen.147 So können von Turbomaschinen erzeugte störende Geräusche durch ein von sekundären Schallquellen erzeugtes gegenphasiges Schallfeld (Antischall) kompensiert werden. Die vom menschlichen Ohr als sehr unangenehm empfunden Töne, die das Gebläse eines Flugzeugtriebwerks in die Umgebung abstrahlt, werden so wirkungsvoll unterdrückt.148

145 http://www.baua.de 146 http://www.difu.de/publikationen/difu-berichte/4_98/artikel02.shtml 147 http://konzern.lufthansa.com 148 http://www.fona.de/de/4_serviceangebote/innovationen/leisere_triebwerke_

durch_antischall.php

Vermeiden: Neue Wohnformen und

Verbraucherverhalten können das

Lärmaufkommenreduzieren

Optimieren: Antischall kann unangenehme Töne unterdrücken

Bereiche 103

Aufbereiten / Filtern. Lässt sich die Schallemission weder vermeiden, noch auf ein erträgliches Maß reduzieren, so muss nach Wegen gesucht werden, wie die Umwelt vor dem Lärm geschützt werden kann. Das Spektrum reicht vom Tragen eines Gehörschutzes bis zur Abschirmung von Räumen und Gebäuden durch Schallschutzwände.


Nanotechnologien im Bereich Lärm sind noch wenig verbreitet und bislang sind nur wenige konkrete Beispiele bekannt. So können beispielsweise Aerogele außer zur Wärmedämmung (vgl. Kapitel 1.4.3)auch zur Schalldämmung eingesetzt werden. Die Schallgeschwindigkeit von eintreffenden Geräuschen wird im nanoporösen Aerogel herabgesetzt und damit eine Schalldämmung erreicht. Aerogel eignet sich besonders im Frequenzbereich zwischen 50 und 400 Hz als Schallisolator und kann eine Geräuschreduktion um etwa 5 dB gegenüber Luft herbeiführen. In diesem Frequenzbereich sind viele, als störend empfundene, Geräusche anzusiedeln, wie z. B. Flugzeug- und Autolärm. Im Vergleich zu anderen schallisolierenden Materialien, wie Glaswolle, ist Aerogel für Anwendungen mit kritischem Platzbedarf geeignet (vgl. Abbildung 37).

Weitere Ansatzpunkte für Nanotechnologien im Bereich Lärm ergeben sich durch eine Vermeidung von Lärmentstehung. Hier sind einerseits (Nano-)tribologische Schichten von Interesse. Die Tribologie beschäftigt sich mit der Beschreibung von Reibung, Verschleiß und Schmierung von bewegten Teilen. Sie ist eine interdisziplinäre Wissenschaft, die eine Kooperation von Materialforschern, Physikern und Maschinenbauern erfordert. (Nano-)tribologische Schichten sorgen für eine bessere Gleitung und damit eine verminderte Schallemission. Auch durch die direkte Verwendung von Nanopartikeln kann die Entstehung von Lärm reduziert werden. Seit längerem werden z. B. Reifen Carbon Black (nanoskalige Russ-Partikel) beigemengt, um einerseits die Bodenhaftung zu verbessern und andererseits die Reifenlaufgeräusche zu minimieren.

Nanoskalige Aerogele reduzieren den Geräuschpegel

Nanotribologische Schichten vermindern Schallemmissionen


Abbildung 37: Schallabsorptionskoeffizient in Abhängigkeit von der Frequenz. ist definiert als Quotient aus absorbierter zu einfallender Schallintensität und kann Werte zwischen 0 und 1 annehmen. Alle verglichenen Systeme weisen eine Dicke von 20 mm auf (Quelle: Cabot).


Im Bereich Lärmminderung sind verschiedene Potenziale für Innovationen aus unterschiedlichen Bereichen erkennbar, obwohl die genaue Einschätzung des Marktes schwierig ist. Nanotechnologien spielen in diesem Segment nur eine untergeordnete Rolle. Viele Entwicklungen zur Lärmminderung werden in Firmen der Automobil- und Luftfahrtbranche vorangebracht, um die immer strengeren gesetzlichen Auflagen zu erfüllen. Erst kürzlich verkündete beispielsweise Boeing die Entwicklung und den erfolgreichen Test einer neuen Lärm-Reduktionstechnik, die in den Antrieb der Boing 747-8 Flugzeuge eingebaut werden soll. Eine Reduktion um 10 dB wird für realistisch gehalten.149 Auch in den Bereichen Schalldämmung an Autobahnen und der Gebäudedämmung ist großer Bedarf erkennbar und der Einsatz von Nanomaterialien wird hier intensiv untersucht.

1.6 Produktion und Konstruktion


Mit dem für die Zukunft prognostizierten Anstieg der Weltbevölkerung wird sich der weltweite Konsum und damit die Energie- und Rohstoffnutzung erhöhen. Beispielsweise werden pro Jahr weltweit etwa 15 Mrd. Kilogramm organischer und halogenierter Lösemittel produziert

149 http://www.boeing.com/news/releases/2006/q3/060920a_nr.html

Exakte Einschätzung des Marktpotenzials

schwierig

Bereiche 105

[DeSimone 2002]. Für Unternehmen stellt sich daher zunehmend die Herausforderung, die steigende Nachfrage mit einem geringeren Material- und Energieaufwand als bisher zu befriedigen bzw. größere Gewinne mit geringerem Ressourceneinsatz zu erzielen.

Die Verankerung des Nachhaltigkeitsgedankens in die Produktion lässt sich gut im Laufe der Zeit betrachten. Stand in den 1970/1980er Jahren noch die Verringerung des Schadstoffausstoßes im Vordergrund, erlangten allmählich, mit der zunehmenden Bedeutung der Abfallproblematik, Vermeidungsstrategien an Bedeutung, die bei der Produktion selbst ansetzten. Das Recycling von Wertstoffen gewann an Einfluss und wurde ein erster Schritt hin zu einer Kreislaufwirtschaft,wie sie 1994 im Kreislaufwirtschaftsgesetz verabschiedet wurde. Eine extreme Interpretation der Kreislaufwirtschaft ist der Gedanke der ‚zero-emission‘: Unterschiedliche Industrieproduktionseinheiten sollen so hintereinander geschaltet werden, dass die Abfallprodukte der einen Einheit den Rohstoff für die nächste liefert. Langfristig soll damit die Entstehung von Abfall auf Null reduziert.150 Neue Konzepte wie der Lebenszyklusansatz und der produktionsintegrierte Umweltschutzbeschränkten sich schließlich nicht nur auf die Herstellung eines Produkts, sondern bezogen die gesamte Lebensphase einschließlich Nutzung, Wiederverwertung und Entsorgung mit ein. Neue Standards für das betriebliche Umweltmanagement wurden entwickelt, z. B. die EU-Öko-Audit-Verordnung oder die Richtlinie ISO 14001. Als Teil dieser Aktivitäten verpflichteten sich auch immer mehr Unternehmen zu einer regelmäßigen Umweltberichterstattung.

Große Ökoeffizienz-Potenziale existieren vor alle in energie- und materialintensiven Branchen wie der chemischen Industrie, Textil- und Lederindustrie, Metallerzeugung und –verarbeitung, Elektronik und Elektrotechnik, Landwirtschaft und Ernährung sowie Forstwirtschaft und Holzverarbeitung. Die ungenutzten Ökoeffizienz-Potenziale des Transportmittels Automobil beschreiben die Autoren des Buchs „Öko-Kapitalismus“ wie folgt: „Nach einem Jahrhundert Ingenieurtechnik ist das heutige Automobil beschämend ineffizient: Von der verbrauchten Treibstoffenergie gehen mindestens 80 % verloren, hauptsächlich als Motorwärme und Abgase, und maximal 20% werden zum Drehen der Räder genutzt. Diese 20 % bewegen zum größten Teil das Auto, nur ein zwanzigstel davon transportiert den Fahrer – proportional zum jeweiligen Gewicht. Ein Zwanzigstel von 20 % sind 1 % - nicht gerade ein löbliches Ergebnis für amerikanische Autos, die pro Jahr soviel Energie verbrennen wie sie wiegen.“ Nach Einschätzung der Autoren könnten leichtere Materialien und innovative Antriebskonzepte diese Effizienz deutlich steigern.

150 http://www.zeri.org

Verminderter Ressourceneinsatz und höhere Effizienz sind große Heraus-forderungen in der Produktion

Kreislaufwirtschaftdient der Minimierung von Abfällen und einem verminderten Ressourceneinsatz

Das Automobil ist sehr ineffizient, 80 % der Energie geht verloren



Abbildung 38 zeigt welche Möglichkeiten ein integrierter Ansatz (Eco-Efficiency) für eine effizientere und umweltgerechtere Herstellung und Nutzung von Produkten bietet.

Abbildung 38: Das Konzept der Eco-Efficiency151

Prozesse neu gestalten: Ziel ist es, den Einsatz von Ressourcen zu verringern und so Umweltverschmutzung und Risiken zu reduzieren. Auf diese Weise wird nicht nur die Umwelt entlastet, sondern auch Kostenvorteile erzielt. Die Neugestaltung von Prozessen muss sich nicht auf das eigene Unternehmen beschränken. Es können auch Lieferanten und Händler sowie Verbraucher und Entsorger miteinbezogen werden. So haben der Gardinenhersteller ADO International, das Textilzentrum Nord-West und der Anlagenhersteller Uhde Hochdrucktechnik gemeinsam eine neue Technik zum Färben ganzer Textilbahnen entwickelt. Das bisher übliche Färbemedium Wasser wird durch überkritisches CO2 ersetzt. Positive Effekte dieser neuen Technik sind eine verbesserte Produktqualität, eine vollständige Reduktion des Abwasseraufkommens und erhebliche Energieeinsparungen, da die Trocknung der gefärbten Stoffe komplett entfällt [Ploetz 2003].

Bei- und Abfallprodukte neu bewerten: Oft erzeugen Prozesse in einem Unternehmen „Abfallprodukte“, die für andere Unternehmen wertvolle Ausgangsstoffe darstellen. In der chemischen Industrie sind solche Beiprodukte für viele Unternehmen zu einer willkommenen Einnahmequelle des Produktionsprozesses avanciert. Ziel sind Prozesse ohne Abfallprodukte.

151 WBCSD, “Eco-Efficiency: Creating more value with less impact”, S. 18, 2000

Neugestaltung von Prozessen: z. B. Textilfärben mit

überkritischem CO2

als Trägermedium

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Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat 2000 das Förderprogramm ‚Nachhaltige BioProduktion‘ aufgelegt, um die Umsetzung biotechnologischen Wissens in neue umwelt- und ressourcenschonende Produktionsverfahren, Produkte und Dienstleistungen zu fördern. Mit Hilfe innovativer biotechnologischer Ansätze wie der Modellierung von Stoffwechselwegen, evolutivem Enzymdesign, Stoffwechselflussanalysen und modernen Ansätzen der Bioverfahrenstechnik sollen biologische Prozesse unter wirtschaftlichen Bedingungen technisch nutzbar gemacht werden. Das Programm spricht neben der Forschung insbesondere die Industriezweige Chemie und Pharma, Lebensmittel und Getränke, Papier und Zellstoff sowie Textil und Leder an.152 Das Projekt läuft im Jahr 2007 aus und wird anschließend durch das Nachfolgeprogramm und Schwerpunktthema „BioIndustrie 2021“ ersetzt, das zugleich Teil der Hightech-Strategie der Bundesregierung ist.

Produkte neu gestalten: Design hat nicht nur einen entscheidenden Einfluss auf Funktionalität und den Preis eines Produkts, es bestimmt auch die Umweltverträglichkeit der Produktion, Wartung und Entsorgung. Produkte mit ökologischem Design sind häufig billiger zu produzieren und nutzen. Sie sind kleiner und einfacher. Sie bestehen aus weniger Materialien und sind leichter zu recyceln. Oft ermöglichen auch neue Materialien und Verfahren neue Designs

Märkte neu denken: Viele Bedürfnisse von Kunden werden heute auf material- und energieintensive Weise befriedigt. In vielen Fällen können Dienstleistungen die Nutzung von Produkten verbessern und damit die Material- und Energieintensität reduzieren. So bieten Dienstleistungs-unternehmen Angebote wie Energie-Contracting, Facility Management oder Car-Sharing an, bei denen nicht mehr ein Produkt (Heizanlage, Auto), sondern eine Dienstleistung (Verkauf von Raumwärme oder Fahrtzeiten) im Mittelpunkt des Geschäftsinteresses stehen. Sowohl im B2C (business-to-consumer) als auch im B2B (business-to-business)-Bereich gewinnen solche Konzepte an Bedeutung. Das Nutzer- und Verbraucherverhalten wird verstärkt in die Produkt- und Dienst-leistungsentwicklung einbezogen.


Nanotechnologien spielen im Bereich Produktion und Konstruktion eine wichtige Rolle. Die Anwendungen reichen von Beschichtungen unterschiedlicher Art über das Design neuer Produkte mit nanoskaligen Materialien bis hin zu Standzeitverlängerungen von Maschinen dank Nanotechnologie. Heutige Umsetzungen finden sich insbesondere im Bereich der Beschichtungen, wie z. B. selbstreinigende oder schmutz-

152 http://www.fz-juelich.de/ptj/contentory/index.lw?index=462

Abfallprodukte neu bewerten: z. B. Innovativebiotechnologische Strategien

Märkte neu denken: z. B. Verbesserte Nutzung von Produkten

Nanotechnologien bieten ein breites Anwendungsspektrumvon Beschichtungen bis zur Lebensdauer-verlängerung


abweisende Oberflächen oder nanoskopische Schutzschichten für eine längere Lebensdauer. Auch innovative Materialien, die Produkten bestimmte Eigenschaften verleihen, sind in kommerziellen Anwendungen zu finden.

Die Neugestaltung von Prozessen mit Nanotechnologien birgt vielfache ökologische Potenziale. Hierzu gehören die Bearbeitung von Materialien, Klebe- und Trenn-Verfahren, die Verfahrenstechnik, Methoden zur Stofftrennung und innovative nanotechnologische Manufakturpozesse. Materialien können sowohl mit einem bottom-up, als auch einer top-down Methode bearbeitet bzw. hergestellt werden. Nano-Manufaktur Prozesse beinhalten eine Vielzahl an Verfahren um nanoskalige Strukturen in allen möglichen Dimensionen herzustellen. Die nanoskaligen Materialien können beispielsweise in größere Systeme (Mikro-, Meso- und Makro-Systeme) integriert werden - einige Verfahren sind z. B. der Druck (contact printing, imprinting), lithographische Methoden oder das templatgesteuerte Wachstum von Strukturen [Malshe 2004].

Weitere Beispiele sind nanoporöse Membranen zur Stofftrennung in der Prozesswasseraufbereitung, die höhere Reinigungsleistungen haben, als grobporigere Membranen und der Einsatz von Nanokatalysatoren in der „green chemistry“. Katalysatoren mildern die Reaktionsbedingungen, es wird weniger Energie benötigt, die Menge an Nebenprodukten kann eingeschränkt werden und manche Prozesse werden überhaupt erst durch den Einsatz von Katalysatoren in realistischem Umfang ermöglicht. Nanokatalysatoren zeichnen sich durch eine besonders große Oberfläche und eine damit verbundene sehr hohe Reaktivität aus.

Neuartige Klebetechniken, basierend auf nanoskopischen Strukturen, ermöglichen eine feste Verbindung zweier Werkteile ohne eine - bei Industrieklebern übliche - Wärmebehandlung zur Aushärtung des Klebstoffs. Vielmehr kann eine Erwärmung der nanoskopischen Strukturen in der Klebeschicht mit Mikrowellenstrahlung induziert werden. Das führt zu deutlichen Energieeinsparungen, da nicht das gesamte Werkstück in einem Ofen oder im Heißluftstrom zur Aushärtung erhitzt werden muss. Auch können wärmesensitive Materialien mit diesem Verfahren verklebt werden. Eine vollständige und vor allem zerstörungsfreie Trennung der Bauteile nach ihrer Nutzung eröffnet ein breites Spektrum an Wieder- und Weiterverwendungsmöglichkeiten.

Die Neugestaltung von Produkten unter Berücksichtigung nanotechnologischer Innovationen und ökologischem Nutzen eröffnet ein sehr weites Feld an Möglichkeiten. Von Relevanz sind vor allem Beschichtungen, der Ersatz oder die Neugestaltung herkömmlicher Produkte, die Verminderung des Ressourceneinsatzes sowie neue Materialien. Die Minimierung des Materialverbrauchs und die effizientere Nutzung der Ressourcen sind in allen Teilbereichen als Leitgedanke vertreten.

Nano-Manufaktur: Bearbeitung von

Materialien, neue Klebe- und

Fügetechniken

Energieeffizientes Kleben mit

Nanopartikeln

Bereiche 109

Abbildung 39: Neugestaltung von Produkten.

Beschichtungen können zu einer höheren Lebensdauer von Produkten führen, Materialien resistenter gegen äußere Einflüsse machen, Einsparungen an Betriebsmitteln mit sich bringen oder auf äußere Einflüsse in einer bestimmten Art und Weise reagieren. Auch eine katalytische Komponente ist denkbar und die Menge an Abfall, Abwasser und Abluft kann reduziert werden.

Selbstreinigende Beschichtungen beinhalten beispielsweise nanoskalige Photokatalysatoren wie Titandioxid oder Zinkoxid, die Schmutzpartikel unter Einfluss von UV-Strahlung zu oxidieren vermögen.

Photokatalytische Oberflächen sind auch in der Textilbranche von Interesse. Anzüge oder Sofabezüge, die sich selbst reinigen, fleckenabweisend und geruchsabsorbierend sind, haben große Potenziale.

Biozide Beschichtungen bestehen z. B. aus Silbernanopartikeln und können auf Produkte aufgetragen werden, die in besonders hygienesensitiven Umgebungen zum Einsatz kommen. Beispiele sind Krankenhäuser, aber auch medizintechnische Produkte.

Mechanische Schutzschichten schützen Polymer- und Metalloberflächen vor dem Zerkratzen - in der Anwendungsphase befinden sich hier organisch modifizierte Keramiken in derAutomobilindustrie (Ormocer-Matrix, Mercedes-Benz) [Peter 2005].

Eine elektrische Funktionalisierung der Ormocer-Matrix ist durch den Einsatz von Kohlenstoffnanoröhren möglich. Die Oberfläche kann so elektrisch werden, was besonders in der Automobilindustrie als Antistatik-Beschichtung interessant ist.

NanoskaligeBesichtungen können zur Einsparung von Betriebsmittelnführen

MechanischeSchutzschichten schützen vor Verkratzen


Chemische Schutzschichten haben sich als Diffusionsbarrieren in Folien, Plastiktüten oder anderen Verpackungen bewährt. Eingebettete Nanopartikel aus TiO2 und SiO2 sollen die Gasdiffusion durch das Verpackungsmaterial minimieren und das eingepackte Produkt länger haltbar machen. TiO2-Coatingswerden auch direkt auf das Lebensmittel aufgebracht. So soll Schokolade vor äußeren Einflüssen durch einen entsprechenden TiO2-Nanopartikel-Überzug geschützt und die typischerweise bei Temperaturschwankungen auftretende weiße Maserungen vermieden werden. 153

Folien mit nanopartikulären Schichtsilikaten zum verminderten Durchdringen von Sauerstoff (der Lebensmittel mitunter schneller verderben lässt) sind bereits entwickelt [ETC 2004]. Die Folie besteht aus einem herkömmlichen Plastikmaterial (Durethan), in das regelmäßig Schichtsilikat-Partikel einer Größe von wenigen Nanometern eingebettet sind.154

Abbildung 40: Durethan-Folie mit eingebetteten nanoskaligem Schichtsilikat-Partikeln (Quelle: Bayer)

Hitze- und UV-blockierende oder andere auf die Umwelt reagierende Beschichtungen kommen vorrangig im Gebäudesektor zur Anwendung und tragen zu einer besseren und energieeffizienteren Dämmung und Klimatisierung der Innenräume bei.

Weitere Beschichtungsmöglichkeiten sind im Bereich Korrosionsschutz denkbar. Hierbei steht die Idee im Vordergrund die übliche Chromatierung von Aluminiumoberflächen durch eine nanoskalige Beschichtung mit organischen Molekülen zu ersetzen. Die Chromatierung war bislang zwingend erforderlich um eine Lackhaftung auf und

einen Korrosionsschutz der Aluminiumoberfläche zu

153 http://www.freitag.de/2005/48/05481801.php 154 http://research.bayer.de/ausgabe_15/15_polyamid.pdfx

ChemischeSchutzschichten

dienen als Diffusions-barriere in Folien

Nanopartikel im Korrosionsschutz

können giftige Chromverbindungen

ersetzen

Bereiche 111

gewährleisten. Unter Sauerstoffeinfluss bildet sich an einer Aluminiumoberfläche nämlich sofort eine dünne Aluminiumoxid Schicht. Nach einer Behandlung mit Chromsäure ist die Oxid-Schicht verkleinert und teilweise durch eine Aluminium-Chrom-Oxid-Schicht ersetz, die einen Schutz gegen Korrosion bietet. Dieses Verfahren ist wegen der hohen Giftigkeit der Chromverbindungen wenig umweltverträglich und wird als großes Problem angesehen. Die Chromatierung kann durch eine nanoskalige Beschichtung mit organischen Partikeln ersetzt werden, auf die dann in herkömmlicher Weise der Lack aufgetragen wird. Die Nanoschicht ist klar und etwa 1000-mal dünner als traditionelle Chromat-Schichten bei gleichzeitig mindestens ebenso gutem Korrosionsschutz [nanoSpotlight 2006]. Eine entsprechende Lebenszyklusanalyse wurde für diesen Fall bereits durchgeführt und zeigt die ökologischen Vorteile dieser neuen Beschichtungsmöglichkeit auf [Steinfeldt 2004].

Eines der bekanntesten Beispiele für Beschichtungen sind schmutzabweisende Oberflächen, die der Lotus-Pflanze nachempfunden sind. Die Oberfläche ist sehr rau und bietet nur eine minimale Kontaktfläche für Wasser und andere Flüssigkeiten. Wasser und Öl perlt von der Oberfläche ab und spült dabei Staubteilchen weg. Oberflächen mit Lotus-Effekt gelten als stark wasser- und schmutzabweisend und lassen sich leichter reinigen. In der Automobilindustrie werden Scheiben und Spiegel zu diesem Zweck mit flouralkylierten Silanen beschichtet.

Abbildung 41: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Lotus Blattes (Skala: 20 m). Wachskristalle bilden eine nanostrukturierte Oberfläche, die eine minimierte Kontaktfläche für Wasser oder Partikel bildet.

Beschichtungen spielen auch in der Tribologie und der Nanotribologie eine Rolle. Die Konstruktion reibungsloserer Bauteile oder die entsprechende Beschichtung von Werkstoffen ist im Fokus von Entwicklungen. Die Oberfläche soll dabei möglichst stark gehärtet werden, so dass sich auch der Verschleiß und die Materialintensität verringern. Ein geringerer Verbrauch

SchmutzabweisendeSchichten mindern den Reinigungs-aufwand


an Schmiermittel, die oft schädliche Stoffe, wie z. B. Chrom-Verbindungen enthalten, ist ein weiterer Vorteil. In einigen Bereichen sind Hartbeschichtungen mit Nanopartikeln bereits umgesetzt, beispielsweise mit Nanopartikeln aus Nitriden und Carbiden [ETAG 2004]. Weitere nanotribologische Beschich-tungen bestehen vor allem aus Aluminium-Oxiden wie Al2O3 als Hartstoff-Nanokomposit oder Kupfernanopartikel als Zusatz zu Schmiermitteln zur Verschleißreduktion.

Ersatz oder neues Design von Produkten: Ein weiterer Teilaspekt der Neugestaltung von Produkten ist der vollständige Austausch herkömmlicher Produkte vor dem Hintergrund eines verminderten Ressourceneinsatzes und eines neuen, umweltfreundlichen Designs. Beispielsweise könnten mit nanoskaligen Materialien verbesserte Lithium-Batterien die traditionell in Autos verwendeten Blei-Batterien ersetzen, so dass keine giftigen Blei-Verbindung mehr verarbeitet bzw. entsorgt werden muss. Auch der Einsatz von Kohlenstoffnanoröhren in neuartigen CNT-Displays oder OLEDs (vgl. Kapitel 1.4.3) führt zu Einsparungen, hauptsächlich an Energie wegen des geringeren Bedarfs im Vergleich zu LCD-Displays, aber auch von Schwermetallen, die in alten Kathodenstrahlröhren verwendet wurden. Neuartige Beleuchtungsquellen, wie LEDs oder künftig vielleicht Quantenpunkt-basierte Leuchten können z. B. direkt in entsprechende Elemente wie Kacheln integriert werden.

Neue Materialien: Insbesondere den Kohlenstoffnanoröhren als Kompositmaterial für Kunststoffe, Metalle und Keramiken wird großes Potenzial eingeräumt. Am weitesten sind die Entwicklungen bei den Kunststoffkompositen vorangeschritten. Es werden antistatische, elektrisch leitfähige Komposite, solche zur mechanischen Verstärkung oder solche zur Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit sowie zum Flammschutz untersucht. Derzeit wird hauptsächlich Carbon Black (Russ-Nanopartikel) als Kompositkomponente verwendet, um Kunststoffe leitfähig zu machen, wobei der Anteil an Kohlenstoff-partikeln bei etwa 10 % liegt. Im Vergleich dazu brauchen je nach Prozessbedingungen nur 0.01 % bis 0.004 % Kohlenstoffnanoröhren zugesetzt werden, damit Leitfähigkeit erreicht wird. CNTs zeichnen sich besonders durch geringe Mengen an Füllstoffen, sehr gute Oberflächeneigenschaften und einen geringen Abrieb aus. Daher finden CNT-Komposite seit den 1990er Jahren Verwendung in der Automobilindustrie in Benzinschläuchen und -filtern - etwa 60 % der Autos in den USA sind damit ausgerüstet. Neben den elektrisch leitfähigen Kompositen sind auch die mechanisch verstärkten Polymerkomposite von kommerziellem und ökologischem Interesse, denn eine erhöhte Lebensdauer hat einen reduzierten Materialverbrauch zur Folge. Zu den bekannteren Produkten gehören CNT-verstärkte Tennisschläger oder Fahrradrahmen. Carbon Black wird auch

Nanotribologische Schichten vermindern die Reibung zwischen

beweglichen Teilen

Komposite mit Nanopartikeln

können Kunststoffe funktionalisieren,

z. B. leitfähig machen

CNT und Carbon Black werden derzeit

überwiegendeingesetzt

Bereiche 113

Gummimischungen zugegeben und soll für eine bessere Abriebfestigkeit sorgen. Autoreifen mit Carbon Black sind in der Regel griffiger, d. h. sie haben eine bessere Haftung ohne dass der Rollwiderstand steigt. Eine geringerer Energieverbrauch und eine erhöhte Festigkeit sind weitere Vorteile.


Im Bereich Produktion/Konstruktion sind insbesondere schmutz-abweisende Schichten in der Kommerzialisierung schon recht weit fortgeschritten, was einerseits durch die breite Anwendbarkeit bedingt ist und andererseits durch die guten Erfolge, die mit derartigen Schichten erzielt werden konnten.

Die Firma AET Alternative Energie-Technik GmbH in Sulzbach stellt eine Beschichtung her, die auf dem Lotus-Effekt beruht und stark wasser- und schmutzabweisend ist. Sie findet als Antischmutzbeschichtung für Solarzellen Verwendung und soll einen längerfristigen Erhalt der Leistungsfähigkeit der Module ermöglichen. Besonders großflächige Solaranlagen verschmutzen stark und müssen aufwändig gereinigt werden, damit die volle Leistungsfähigkeit erhalten bleibt. Die Verwendung einer entsprechenden Beschichtung kann diesen Reinigungsaufwand reduzieren, die Lichtausbeute erhöhen und so zu einer effizienteren Energiegewinnung unter minimiertem Ressourceneinsatz führen.

Abbildung 42: Wasser- und schmutzabweisende Beschichtung einer Solarzelle 155

Verschmutzungen können noch an vielen anderen Orten zu einem Problem werden und eine regelmäßige Reinigung erforderlich machen. Ein Beispiel sind Klimaanlagen auf deren Wärmetauschern sich Staub und Dreck ablagern und die Kühlleistung um bis zu 50 % reduzieren. Eine nanoskalige Antihaft-Beschichtung (vgl. Abbildung 43) kann hier

155 http://www.photon.de/news/news_technik_01-05-23_aet_schmutzschutz.htm

AbweisendeBeschichtungen auf Solarzellen mindern den Reinigungs-aufwand und erhöhen die Effizienz

Antihaftschichten in Luftreinigungs-geräten zeigen sich herkömmlichen ge-genüber Filtern überlegen


zu einer signifikanten Verbesserung führen. Entsprechende Filter sind in sehr staubigen und heißen Produktionsanlagen getestet worden und haben sich als den herkömmlichen Filtern deutlich überlegen gezeigt [Konstruktion 2006]. Sie haben eine längere Lebensdauer, müssen seltener ausgetauscht werden und bedürfen eines geringeren Reinigungsaufwandes.

Abbildung 43: Kühlrippen eines Raumklimagerätes mit nanoskaliger Anti-Haft-Beschichtung (rechts) und ohne (links)156

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit für schmutzabweisende Schichten ergibt sich im Gebäudesektor beim Anstrich von Fassaden. Fassaden werden im Laufe der Zeit durch Staub, Russ oder luftgetragene Partikel verdreckt - eine gräuliche Schicht bildet sich. Anstatt die Fläche aufwändig zu reinigen oder sie neu anzustreichen, kann eine Farbe mit Lotus-Effekt für einen länger anhaltenden sauberen Anstrich sorgen. Entsprechende Produkte, die eine nanostrukturierte, sehr raue Oberfläche enthalten, sind auf dem Markt erhältlich. Schmutz, der an der Fassade haften bleibt, soll mit dem nächsten Regen einfach weggespült werden (vgl. Abbildung 44). Die Fassadenfarbe ist für zahlreiche Gebäude verwendet worden, darunter bei der Renovierung des Hotels Vierjahreszeiten in Hamburg oder bei der Sanierung einer historischen Villa in Eisleben.

156 http://presse.rittal.de/TopTherm_plus_RiNano170605.html

Fassaden-Farbe mit Lotus-Effekt

verringert den Reinigungsaufwand

Bereiche 115

Abbildung 44: Nanostrukturierte Oberfläche eines Fassadenanstrichs und Wassertropfen, die daran abperlen und dabei Schmutz abwaschen157

Neben den Beschichtungen sind Nanotechnologien besonders in der Neugestaltung von Prozessen bereits in einer Phase der Kommerzialisierung. Das Verkleben von Werkstücken ist ein elementarerer Prozess, auf den viele Industriezweige, wie z. B. die Automobilindustrie angewiesen sind. Bei herkömmlichen Industrie-Klebstoffen muss das Werkstück erhitzt werden und lässt sich nach Nutzung auch nicht zerstörungsfrei trennen. Ein Nano-basierter Kleber ist von der Firma Sustech158 in Darmstadt entwickelt worden. Er ermöglicht ein „schaltbares Kleben“, also das Kleben und Entkleben auf Kommando. Ferrit-Nanopartikel setzen nach Anregung mit Mikrowellenstrahlung Wärme direkt in der Klebeschicht frei. Dadurch wird ein gezieltes Verkleben möglich, das einerseits sehr materialschonend ist und andererseits geringere Aushärtzeiten benötigt. Vorteile der hier eingesetzten Nanotechnologien sind eine effizientere Energieübertragung, eine gleichmäßige Verteilung der Nanopartikel und ein integrierter Überhitzungsschutz, da die Nanopartikel Mirkowellenstrahlung nur bis zu einem gewissen Schwellenwert gut absorbieren, bei einer weiterhin erhöhten Einstrahlung aber kaum noch.

157 http://www.lotusan.de 158 http://www.sustech.de

Schaltbares Kleben mit Ferrit-Nanopartikeln


Abbildung 45: Schema eines Nano-basierten Klebers mit Ferrit-Partikeln (Quelle: Sustech)

Auf einem ähnlichen Prinzip basiert der kürzlich vorgestellte Kleber MagSilica® des Degussa-start-up Unternehmens Advanced Nano-materials. Hier werden magnetische Nanopartikel (Eisenoxid) als „Klebe-Partikel“ verwendet und eine Erhitzung selbiger durch Anlegen eines Magnetfeldes induziert.159

Neben Beschichtungen und neuen Prozessen sind noch weitere Ansatzpunkte für Nanotechnologien im Bereich Produktion/Konstruktion denkbar. Insbesondere neuartige Materialien, wie Nanokomposite, wird großes Potenzial eingeräumt: leichtere, festere oder effizienter herzustellende Produkte zu ermöglichen. Im Folgenden werden drei Beispiele in der Kurzdarstellung erläutertet.

Ein neuartiges Material, das aus einem Stärke-basierten Nano-Polymer besteht, wird als biologisch abbaubares Verpackungs-material vermarktet.160 Es hat das Aussehen von Plastik und fühlt sich auch so an, kann allerdings vollständig biologisch abgebaut werden. Derzeit wird eine Einkaufstüte als Alternative zu herkömmlichen Einkaufstüten entwickelt und weitere Anwen-dungen, wie Becher, Pflanzenkübel und pharmazeutische Ver-packungen werden anvisiert [Australien 2005].

Forscher am Massachusetts Institute of Technology haben herausgefunden, dass nanoskalige Strukturen in Beton mit dazu beitragen dem Material Stärke und Haltbarkeit zu verleihen. Die Wissenschaftler erhoffen sich daraus Erkenntnisse, wie ein ähnlich haltbarer Werkstoff konstruiert werden könnte, bei dessen Herstellung jedoch wesentlich wenige CO2 produziert würde.161

159 http://www.advancednanomaterials.com/webapps/adnano.nsf 160 http://www.plantic.com.au/ 161 http://web.mit.edu/newsoffice/2007/concrete.html

MagnetischeNanopartikel können

als Klebepartikel eingesetzt werden

Bereiche 117

Forscher der Technischen Universität Ilmenau haben auf der Hannover Messe 2007 einen neuartigen „Nanoklettverschluss“ vorgestellt. Das Material besteht aus nanoskaligen SiliziumnadelnBlack Silicon , die sich ineinander verhaken können. Bei geringen Fügekräften ist die Verbindung wieder lösbar; bei hohen Fügekräften ist sie hingegen dauerhaft stabil.162

Amerikanische Forscher haben einen „Nanoklebstoff“ entwickelt, der unterschiedliche Materialien miteinander verbinden kann. Die beiden zu verbindenen Werkstoffe werden durch eine Schicht aus Moleküketten zusammengefügt und auf über 400 ° Celcius erhitzt. Dadurch wird die adhäsive Bindung noch deutlich verstärkt [Ghandi 2007].

Abbildung 46 : Selbst organisierte molekulare Monolayer als „Nanoglue“ der zwei Oberflächen verbindet (Quelle: Rensselaer/G. Ramanath)

Forscher an der TU Clausthal untersuchen Beschichtungen aus Siliziumdioxid-Nickel-Nanopartikeln auf Aluminiumbauteilen als Korrosionsschutz. Traditionell eloxierte Leichbauwerkstoffe verlieren durch die Eloxierung ihre Schwingfestigkeit - dieses Problem wollen die Forscher lösen und gleichzeitig die Lebensdauer des Korrosionsschutzes verlängern.163

In Dresden startete im November 2006 der Innovationscluster „nano for production“ um nanotechnologische Verfahren in alle Bereiche der Produktion zu integrieren und damit eine Ressourcenschonung herbeizuführen. In diesem Cluster sollen Firmen und Forscher kooperieren und für eine schnelle Umsetzung wissenschaftlicher Erkenntnisse sorgen.164

162 http://idw-online.de/pages/de/news202632 163 http://idw-online.de/pages/de/news90725 164 http://idw-online.de/pages/de/news186934

NanoskaligeSiliziumnadeln können als Nanoklett-verschluß genutzt werden

Innovationscluster „nano for produc-tion“ soll nanotech-nologische Verfahren in allen Bereichen der Produktion integrieren



Die Nachhaltigkeitspotenziale im Bereich Produktion und Konstruktion sind immens - die Möglichkeiten für den Einsatz von Nanotechnologien extrem vielfältig und deshalb lässt sich das konkrete Potenzial nicht klar abschätzen. Ein Indikator für die industrieübergreifenden Anstrengungen in diesem Bereich ist die Marktentwicklung bei Systemen für das Produktlebenszyklusmanagement (PLM). PLM ist die integrierte Lösung aus Systemen zur Erzeugung, Visualisierung, Simulation, Bereitstellung und zum Management von Produktdaten, und zwar für den gesamten Produktlebenszyklus von der Idee über die Produktion bis zum Recycling. PLM-Lösungen beinhalten Schnittstellen zu anderen Unternehmensprozessen, um dort Informationen zugänglich zu machen.

Durchschnittliche Einsparungspotenziale durch den Einsatz von PLM-Lösungen liegen bei165:

30 % Verkürzung „time to market“

65 % Reduzierung von Änderungen

40 % Zeiteinsparung bei der Prozessplanung

15 % Erhöhung des Produktdurchsatzes

13 % Senkung der Produktionskosten

Aktuelle Zahlen der Beratungsfirma CIMdata, Inc. belegen, dass der Markt für PLM-Systeme im Jahr 2004 ein Wachstum von 8,7 % zeigte und das Volumen auf 18,1 Mrd. $-US angewachsen ist. Die Experten rechnen in den nächsten fünf Jahren mit einem weiteren Anstieg der Investitionen, so dass bei einer durchschnittlichen Wachstumsrate von 7,7 % im Jahr 2010 ein Volumen von 26,3 Mrd. $-US erwartet wird166.

Deutlich am höchsten ist der PLM-Einsatzgrad aktuell im Maschinen- und Anlagenbau sowie bei den Fahrzeugherstellern. Mit wachsender Unternehmensgröße nimmt der Einsatzgrad zu. Für die Zukunft ist die deutlich größte Marktdiffusion im Fahrzeugbau zu erwarten. Von den noch nicht mit PLM planenden Unternehmen wollen vor allem die metallverarbeitenden und chemischen Unternehmen in den nächsten Jahren verstärkt PLM realisieren.

165 Community.dialog, Ausgabe 1-2006, www.productlife.de, Universität Bochum 166 CIMdata, 05.04.06, Pressemitteilung „CIMdata Reports PLM Market Growth

Exceeds Forecasts”, http://www.cimdata.com/press/PR06-0405.htm

Möglichkeiten für den Einsatz von Nano-

technologien im Bereich Produktion/-Konstruktion extrem

vielfältig. Das konkrete Potenzial

ist nicht klar abschätzbar

Bereiche 119

Abbildung 47: Entwicklung des Marktwachstums für Produktlebenszyklusmanagement-Systeme. (CIMdata, Inc., 2005)

121

2 MÖGLICHE RISIKEN DER NANOTECHNOLOGIEN

Inwieweit verfügen nanoskalige Materialien über Eigenschaften, die möglicherweise einen gesundheitsgefährdenden oder umwelt-schädigenden Einfluss haben könnten? Wie werden nanoskalige Partikel freigesetzt und wie verbreiten sie sich in der Umwelt? Können sie sich anreichern oder in die Nahrungskette gelangen? Was sind dann mögliche Auswirkungen auf den Menschen?

Diese und viele andere Fragen werden immer häufiger gestellt, doch eindeutige und abschließende Antworten darauf sind bisher nicht möglich - gesicherte wissenschaftliche Erkenntnisse sind allenfalls für kleine Teilbereiche zu finden. Aus der Nanoskaligkeit der Teilchen ergeben sich besondere physikalische Eigenschaften, die zu innovativen und auch umweltentlastenden Produkten führen können. Gleichsam könnte die veränderte Reaktivität der nanoskaligen Teilchen auch Risiken für Mensch und Umwelt bergen. Parallel zur Untersuchung der Chancen von Nanotechnologien sollten und werden daher ebenso deren mögliche Risiken immer intensiver beforscht.

Im Rahmen eines Risk Assessments sind mehrere Bereiche zu berücksichtigen: zunächst die Identifizierung der Gefahren, eine Charakterisierung selbiger, die Analyse der Exposition sowie die Kalkulation der Risiken [Luther 2004]. Zur Einschätzung der Gefährdungspotenziale von Nanotechnologien müssen Faktoren, wie die Partikelfreisetzung, die Expositionsmöglichkeiten sowie toxikologische Aspekte detailliert untersucht werden. Im Rahmen dieser Kurzstudie soll jedoch keine vertiefte Diskussion der Thematik, sondern vorrangig ein Überblick gegeben werden - über humane Aufnahmewege von Nanopartikeln und deren mögliche Auswirkungen auf den Organismus. Fragen der Ökotoxizität werden am Ende des Kapitels kurz angesprochen.

Zunächst sollte vermerkt werden, dass eine eindeutige und standardisierte Klassifizierung oder eine einheitliche Nomenklaturvon nanoskaligen Materialien noch aussteht, so dass nicht mit einer einheitlichen Fachterminologie über nanoskalige Stoffe diskutiert werden kann. Auch Regularien von öffentlich-rechtlicher Seite sind großteils noch nicht erarbeitet. Beispielsweise hat die amerikanische Umweltbehörde (EPA) nanoskalige Silberpartikel erst kürzlich als Pestizide eingestuft; zuvor wurden sie für unbedenklich gehalten und in zahlreichen Produkten zugelassen. In engem Zusammenhang mit der fehlenden Klassifizierung und Nomenklatur steht die Entwicklung neuer Messmethoden um nanoskalige Partikel detektieren und verfolgen zu können. Bis heute fehlen viele analytische Geräte und Möglichkeiten, um Nanopartikel sicher zu detektieren, Konzentrationen zu bestimmen und Expositionswege zu untersuchen. Ohne entsprechende Instrumente ist die

Aus der Nano-skaligkeit der Teil-chen resultieren besonders physikali-sche Eigenschaften die Risiken für Mensch und Umwelt bergen können

Eine standardisierte Nomenklatur von nanoskaligenMaterialien steht noch aus


Bestimmung einer Exposition insbesondere am Arbeitsplatz nur schwer möglich.

Die Verbreitungswege von nanoskaligen Stoffen in der Umwelt sind daher auch wenig untersucht und bisherige Annahmen basieren oft eher auf Vermutungen als auf wissenschaftlichen Erkenntnissen. gibt einen Überblick über heute diskutierte mögliche Verbreitungswege von Nanopartikeln und Kohlenstoffnanoröhren. Nanopartikel können demzufolge an verschiedenen Stellen, vorwiegend in der Produktion, als Abfall oder bei Leckagen anfallen und über verschiedene Wege in der Umwelt transportiert werden. Verbreitungswege, die auch zum Menschen führen, könnten das Wasser, die Luft und die Nahrungskette sein.

Einigkeit unter den Experten scheint indes über die gefährdeten Aufnahmewege des Menschen zu herrschen. Allen voran wird von Epidemiologen die inhalative Resorption von luftgetragenen Nanopartikeln als wichtigster Expositionspfad genannt und als besonders gefährlich eingestuft. Partikel von einer Größe kleiner 2,5 m werden weder von Flimmerhärchen noch Schleimhäuten quantitativ zurückgehalten und dringen tief in den respiratorischen Trakt ein - bis zu den Alveolen (vgl. Abbildung 49). An den Alveolen findet der Gasaustausch zwischen Lunge und Blutkreislauf statt, die Barriere zum Blutkreislauf ist daher sehr dünn. Nanopartikel können erwiesenermaßen in den Blutkreislauf gelangen.

Verbreitungswege sind noch wenig

untersucht

Inhalative Resorption gilt als wichtigster

Expositionspfad beim Menschen

Mögliche Risiken der Nanotechnologien 123

Abbildung 48: Nach dem derzeitigen Kenntnisstand diskutierte mögliche Expositionswege von Nanopartikeln und Kohlenstoffnanoröhren. (Quelle: Royal Society and Royal Academy of Engineering) 167

Problematisch ist hierbei eine mögliche Entzündung der Lunge bei hohen Nanopartikel-Dosen, da die alveolaren Makrophagen die Partikel wegen ihrer Größe nur unzureichend erkennen und beseitigen können und es in Folge dessen zu einer Überreaktion mit starken Entzündungen und Veränderungen des Lungengewebes kommen kann (vgl. Abbildung 50). Entsprechende Beobachtungen einer Überlastung der Makrophagen-Abwehr konnten im Tierversuch bestätigt werden. Gereinigte und ungereinigten SWNTs (einwandige Kohlenstoffnanoröhren) aus verschiedenen Herstellungsverfahren wurden z. B. an Mäusen getestet und alle SWNT-Proben führten zu dosisabhängigen Schädigungen des Lungengewebes und zu Granulombildung unabhängig vom Grad der Verunreinigung z. B. mit Metallkatalysatorresten.168. Die Sterblichkeit-srate lag bei SWNT-Proben mit Nickelresten besonders hoch [Lam 2004]. Weitere, vom experimentellen Ablauf ähnlich gelagerte Untersuchungen an Ratten führten zu lang anhaltenden entzündlichen Reaktionen, verstärkter Zellproliferation im befallenen Gewebe und Granulombildung [Warheit 2004, Muller 2005]. Auch die inhalative Aufnahme von Nanopartikeln über die Nasenschleimhäute und Transport

167 http://www.nanotec.org.uk/finalReport.htm 168 Industriell gefertigte Nanoteilchen sind oftmals verunreinigt z. B. mit

Katalysatorresten.

SWCNT führten im Tierversuch zur Schädigung von Lungengewebe


bis zum Gehirn konnte in Ratten gezeigt werden und belegt gleichzeitig die hohe Mobilität der Nanoteilchen [Oberdörster 2004]. Hierbei sollte angemerkt werden, dass diese Studie keine Toxizität der Nanopartikel aufzeigte und keine industriell gefertigten Nanopartikel verwendet wurden [Ross 2006].

Abbildung 49: Wahrscheinlichkeit für Schwebstaub unterschiedlicher Größe in verschiedene Bereich der Atemwege vorzudringen (nach DIN ISO 7708). (Quelle: ITAS)

Viele Befürchtungen und ein Großteil des Verständnisses von der Wirkung nanoskaliger Partikel in der Lunge stammen von den langjährigen Erfahrungen mit Feinstaub und seit kürzerem mit ultrafeinen Partikeln, z. B. aus Verbrennungsprozessen. Ultrafeine Partikel haben die gleiche Größe wie Nanopartikel (< 100nm), sie werden jedoch nicht industriell gefertigt. So ergaben verschiedene Studien, dass eine längerfristige Exposition mit ultrafeinen Partikeln das Herz-Kreislauf-System schädigt und eine Klümpchen-Bildung im Blut bewirkt. Es gilt auch als gesichert, dass die Lungentoxizität von ultrafeinen Partikeln mit der Teilchengröße korreliert [Peter 2005]. Inwiefern jedoch eine Übertragung dieser Erkenntnisse oder auch nur Teile davon auf industriell gefertigte Nanopartikel möglich ist, bleibt zu untersuchen - es bestehen allerdings Verdachtsmomente, dass auch diese einen schädigenden Einfluss haben könnten.

Auswirkungen von Fein- und Ultra-

feinstaub wird auch für Nanopartikel

befürchtet

Es bestehen bisher Verdachtsmomente

eines möglichen schädigenden

Einflusses von Nanopartikeln


Abbildung 50: Makrophagen nehmen ultrafeine Partikel nur in begrenztem Maße auf. (Quelle: GSF)

Gerne wird auch auf die Analogie der Gesundheitsgefährdung durch Asbestfasern verwiesen, die heute je nach Länge und Dicke der Faser als stark krebsauslösend eingestuft werden. Asbest führt im Lungengewebe zu Entzündungen und Zerstörungen der Zellen, da die alveolare Makrophagen nicht in der Lage sind, die Asbestfasern ohne Komplikationen abzubauen [Peter 2005]. Auch eine Reihe weiterer faserartiger Stoffe, die schwer wasserlöslich sind und eine schlechte biologische Abbaubarkeit aufweisen, werden als potenziell gefährlich angesehen, obwohl bisherige Studien kein einheitliches Bild liefern.

In den Nanotechnologien werden daher aniostropischen, länglichen und faserartigen Nanopartikeln (z. B. Kohlenstoffnanoröhren), die inhalativ aufgenommen werden können, eine besondere Bedeutung hinsichtlich möglicher Toxizität beigemessen. Ein Konsortium aus führenden Wissenschaftlern sieht in der Abklärung der Lungentoxizität von anisotrop geformten, faserartigen Nanopartikeln (fibre shaped particles) ein vordringliches Ziel und räumt der kurzfristigen Untersuchung dieser Substanzen die höchste Priorität ein [Maynard 2006].

Die Resorption im Gastrointestinaltrakt ist ein weiterer von Experten diskutierter Aufnahmeweg von Stoffen bis zu einer Größe von 150 m, der gerade vor dem Hintergrund neuartiger Medikamente mit Nanopartikeln von Bedeutung ist. Bei einer inhalativen Aufnahme ist es prinzipiell auch immer möglich, dass Nanopartikel in den Magen-Darm-Trakt gelangen und dort resorbiert werden. Es gibt jedoch nur wenige Erkenntnisse über die Größe von resorbierbaren Partikeln, wie quantitativ eine Aufnahme erfolgt oder sonstigen Bedingungen, die zu einer gastrointestinalen Aufnahme führen.

Als dritte wichtige Möglichkeit wird die dermale Aufnahme von Nanopartikeln thematisiert. Die Haut bildet eine natürliche Barriere, die aus mehreren Schichten aufgebaut ist und einen Schutz gegen eindringende Fremdstoffe darstellt. Zwei verschiedene Aufnahme-

Inhalativ auf-genommenen aniso-tropisch geformten Nanopartikeln wird eine besondere Be-deutung hinsichtlich möglicher Toxizität beigemessen


mechanismen für Nanopartikel über die Haut sind denkbar: einerseits über die Zwischenräume der Hornhaut und andererseits über die Haarwurzeln. Ob Nanopartikel über einen der beiden Wege zu lebenden Epithelzellen gelangen können, ist strittig und entsprechende Untersuchungen kommen zu unterschiedlichen Aussagen [Peter 2005]. Auch die Frage inwieweit gesunde oder vorgeschädigte Haut gefährdet ist, wird noch kontrovers diskutiert. Die Untersuchung von Nano-partikeln auf der Haut wird allerdings als vorrangiges Ziel erachtet, da bereits verschiedene Kosmetikprodukte mit Nanopartikeln auf dem Markt sind, wie z. B. nanoskaliges TiO2 in Sonnencreme. Daher beschäftigen sich zahlreiche Untersuchungen mit der Zytotoxizität, der dermatologischen Gefährdung und dem hautreizendem Potenzial von Nanopartikeln. Für gesunde Haut gilt es als einigermaßen gesichert, dass nanoskaliges Titandioxid die Haut nicht in signifikantem Masse penetrieren kann. Weitere Untersuchungen wurden vor allem an CNTs als viel versprechendes neues Material vorgenommen. Shvedova et al. präparierten epidermale Keratinozyten und setzten sie ungereinigten SWNTs aus. Eine morphologische Veränderung der Zellstruktur und eine verminderte Überlebensrate infolge der Bildung von freien Radikalen und Peroxiden waren die Folge. Hauptverantwortlich hierfür sind jedoch offenbar nicht die Nanoröhren selbst, sondern in den Proben befindliche Metallkatalysatorreste. Einen Einfluss auf die Ergebnisse scheinen jedoch auch Größe und Struktur der Nanoröhren zu haben [Shvedova 2003]. Mit dem gleichen Hautzelltyp, jedoch mit MWNTs (mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren), arbeiteten Monteiro-Riviere et al. Sie konnten den Einfluss von Katalysatorresten durch die Verwendung aufgereinigter Nanoröhren minimieren. In den Untersuchungen wurde eine vermehrte Produktion entzündungsfördernder Interleukine und eine verminderte Überlebensrate festgestellt. Die detektierten Zellschädigungen sind zeit- und dosisabhängig. Die Studie kommt zu dem Ergebnis, dass auch CNTs selbst zytotoxisch wirken [Monteiro-Riviere 2005]. Allerdings handelt es sich bei den durchgeführten Experimenten um in- vitro Tests an Hautzellen, deren Übertragbarkeit auf in vivo Situationen nicht abschließend geklärt ist.

Es seit an dieser Stelle bereits darauf hingewiesen, dass bis heute keine allgemein gültigen und wissenschaftlich belegten Aussagen zur Toxizität oder möglichen Gefährdungen der Umwelt von Nanoteilchen belegt sind und bisherige Studien zu teils widersprüchlichen Aussagen kommen. Die Mehrzahl der Untersuchungen wurde an Tieren oder Zellkulturen vorgenommen, die grundsätzlich kein physiologisches Abbild des humanen Organismus darstellen und die Übertragbarkeit der gewonnenen Erkenntnisse in Frage stellen. Gerade die oft herangezogenen Ratten als Versuchtiere erwiesen sich als sehr sensitiv gegenüber CNT-Inhalation und eine Extrapolation auf den Menschen ist nicht ohne weiteres möglich [Fiorito 2006]. Es sollte weiterhin vermerkt werden, dass den Versuchstieren meist sehr hohen Dosen des zu untersuchenden Materials

Dermale Aufnahme von Nanopartikeln

kann über die Zwischenräume der Hornhaut oder die

Haarwurzeln erfolgen

Studien zur Toxizität oder möglichen Gefährdungen

kommen zu teils widersprüchlichen

Aussagen

Nanoskaliges TiO2 in Sonnencremes

penetriert gesunde Haut nicht in

signifikanter Weise


in drastischer Art und Weise, z. B. intratracheal in Form von Sprays direkt in die Luftröhre oder den Rachenraum, verabreicht wurden. Eine derart hohe Belastung für den Menschen unter solchen Umständen erscheint heute nur schwer vorstellbar - von Unfällen und Sonderfällen abgesehen.

Eine von Huczko et al. durchgeführte Untersuchung an 40 allergie-disponierten Testpersonen, die mit einzelnen Hautbereichen einer wässrigen Suspension nicht aufgereinigter CNTs für 96 Stunden ausgesetzt wurden, ergab keine Reizungserscheinungen und keine negative Abweichung bezüglich mit CNT-freien Russpartikelproben durchgeführten Kontrollmessungen [Huczko 2001a]. Der Studie zufolge sind hinsichtlich Hautkontakte mit CNT keine besonderen Sicherheitsvorkehrungen erforderlich.

Systemische, humantoxikologische Effekte sind ebenfalls weitgehend ungeklärt. Die Toxizität von Nanopartikel ist von zahlreichen, teils miteinander in Wechselbeziehung stehenden Faktoren abhängig. Oberflächenbeschichtung, Verunreinigungen (z. B. mit Metall-katalysatorresten oder Graphit), Dispersionseigenschaften und die Tendenz zur Agglomeration sind einige der mitbestimmenden Aspekte.

Nanoskaliges Material könnte, nachdem es in den Organismus eingedrungen ist, z. B. rote Blutkörperchen beeinflussen und zu einer Verklumpung führen oder kardiovaskulare Beeinträchtigungen mit sich bringen. Ein theoretisches Modell der Wechselwirkung von C60 mit DNA zeigt die Möglichkeit der Bindung des Fullerens an die DNA und Deformation. Auch die Induktion von oxidativem Stress ist denkbar [Maynard 2006]. Ein relativ unkritisches Bild ergibt sich z. B. aus einer Untersuchung der University of Illinois hinsichtlich der metabolischen Verarbeitung von CNTs. Mittels Radioaktivitäts-„Tracing“ per Gamma-Szintigraphie wurde der Weg wasserlöslicher, mit einem radioaktiven Label funktionalisierter SWNTs durch einen Säuger-Organismus verfolgt. Nach intravenöser Verabreichung stellte man keine Einlagerung in Organen des retikuloendothelialen Systems wie Leber oder Milz fest. Überdies wurden die Nanoröhren innerhalb weniger Stunden über die Nieren aus dem Blutkreislauf ausgeschieden. Elektronenmikroskopische Messungen an Urinproben ergaben zudem die Ausscheidung „intakter“, nicht zersetzter Nanoröhren [Singh 2006]. Forscher der University of California, San Diego konnten für mit DMSA169 beschichtete nanoskalige Eisenoxid-Partikel einen schädigenden Einfluss auf Nervenzellen zeigen.170 Nanoskalige Eisenoxid-Partikel werden z. B. mit DMSA be-

169 DMSA: Dimercaptobernsteinsäure. Eine ogranische Säure, die mit den meisten Schwermetallen wasserlösliche Komplexe bildet. DMSA kann die Blut-Hirn- Schranke passieren und direkt ins Zentrale Nervensystem gelangen.

170 http://www.azonano.com/news.asp?newsID=3909

Systemische Effekte weitgehend ungeklärt


schichtet, um sie vor Agglomeration zu schützen und in Wasser zu suspendieren.

Vielfache Einflüsse zeigten SWNTs auf menschliche embryonale Nierenzellen (HEK293). Insbesondere wurden reduzierte Zell-Proliferation und Adhäsionskraft bei in vitro Experimenten festgestellt. Daneben ließen sich unter anderem auch untypische Zellaggregationen und Apoptose (Zelltod) beobachten und die Signaltransduktion verringerte sich signifikant [Cui 2005].

Trotz teilweise unterschiedlicher Untersuchungsergebnisse verschiedener Projekte lässt sich eine zytotoxische Wirkung beispielsweise von Kohlenstoff-Nanoröhren vermuten. Der Grad der toxischen Wirkung hängt zum einen vom untersuchten Zelltyp ab; wissenschaftlich besonders interessant sind hier Lungenzellen als potenziell hauptbetroffenes Gewebe und Makrophagen. Zum anderen ist die Aufbereitung des applizierten CNT-Materials für die Toxizität von entscheidender Bedeutung. So beruht die festgestellte toxische Wirkung in einer Reihe von Untersuchungen vermutlich eher auf der Anwesenheit von Metallkatalysatorresten als an den CNTs selbst. Ähnliches gilt für den Grad der Agglomeration. Große, asbestähnliche Faserverbünde wirken toxischer als fein verteilte CNTs. Eine Rolle spielt auch die Oberflächenfunktionalisierung. So wirken funktionalisierte CNTs im Allgemeinen weniger toxisch als unmodifizierte. Zusammen mit weiteren Ausformungsvarianten wie beispielsweise SWNT oder MWNT, offene oder geschlossene CNTs etc. entsteht ein außerordentlich großer Parameterraum mit entscheidenden experimentellen Einflüssen. In der Vielzahl der sich hieraus ergebenden Möglichkeiten liegt somit vermutlich auch der Grund der teilweise widersprüchlichen oder nicht reproduzierbaren Untersuchungsergebnisse zu sehen (vgl. [Huczko 2001] und [Huczko 2005]).

Die ökotoxikologischen Aspekte der Nanotechnologien sind noch weit weniger untersucht, als die Humantoxizität. So gut wie nichts ist bekannt über Verbreitungswege, Anreicherung, Toxizität oder dem Abbau von Nanopartikeln in den Ökosystemen. Aus den besonderen Eigenschaften künstlicher Nanopartikel ergeben sich jedoch Verdachtsmomente für einen schädigenden Einfluss auf die Umwelt. Verschiedene Forschergruppen besonders an der Rice University, USA, versuchen die Auswirkungen von Nanopartikeln im Boden, in aquatischen Ökosystemen und der Bioakkumulation zu ergründen [Tomson 2003]. Beispielsweise sind synthetische Nanopartikel gegen Agglomeration oftmals beschichtet und verklumpen daher weniger stark als natürlicherweise vorkommende Partikel ähnlicher Größenordnung. Für verschiedene Nanopartikel wird auch eine besonders hohe Mobilität in Boden und Wasser vermutet, so dass an solchen Partikeln immobilisierte Schadstoffe weit transportiert werden könnten [Paschen 2003]. Anderseits könnte die Bindung von Schadstoffen ihrerseits die

Eine zytotoxische Wirkweise von CNT

wird vermutet

ÖkotoxikologischeAspekte noch weniger

untersucht als Humantoxizität


Reaktivität der Nanopartikel herabsetzen. Insgesamt sind die wissenschaftlichen Erkenntnisse jedoch noch zu gering, um verlässliche Aussagen hinsichtlich Umwelttoxizität, Bioakkumulation, Bio-verfügbarkeit oder auch Transportwegen in der Umwelt treffen zu können.

Andere Untersuchungen geben hingegen Hinweise auf eine systemische Wirkung von Nanopartikeln. Eine Untersuchung von Oberdörster et al zeigte, dass Fische, die 48 Stunden lang 0,5 ppm wasserlöslicher Buckyballs (C60) ausgesetzt waren, eine signifikante Erhöhung von Lipidperoxidation im Gehirn aufwiesen und auch eine veränderte Genexpression in der Leber zeigten [Oberdörster 2004].

Neben den fehlenden wissenschaftlichen Sicherheiten sind auch regulative Defizite zu erkennen, die zu einer Gleichsetzung des Gefährdungspotenzials von Partikel im Mikro- und im Nanometermaßstab führen. Ein bekanntes Beispiel ist die Zulassung von nanoskaligem Titandioxid für Sonnenmilch, für welches von der amerikanischen Zulassungsbehörde FDA keine Neuuntersuchung gefordert wurde, da es sich hierbei lediglich um kleinere Partikel bereits zugelassener Ausgangsmaterialien handele. Ähnlich verfährt die Europäische Union. Ob eine derartige Gleichsetzung sinnvoll und zu rechtfertigen ist, bleibt abzuwarten.

Um die möglichen Risiken der Nanotechnologien besser einschätzen zu können, befassen sich zahlreiche Projekte und Initiativen mit dieser Problematik. In Deutschland fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Projektes NanoCare Forschungsprojekte zur Erzeugung neuer Messmethoden und Untersuchungen von Auswirkungen von Nanopartikeln auf Mensch und Umwelt. Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) zusammen mit dem Umweltbundesamt (UBA) ist ebenfalls aktiv in diesem Bereich und hat ein Positionspapier herausgegeben: „Nanotechnik: Chancen und Risiken für Mensch und Umwelt“ (August 2006). Ein Dialog mit Akteuren und Verbrauchern zu Chancen und Risiken von Nanomaterialien wird geführt und verschiedene Studien sind in Arbeit. Das Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) mit dem Bundesinstitut für Risiko-bewertung führt Befragungen und Studien durch (vgl. Anhang - Fördersiutation). Von Seiten der Verbraucher wird neben umfassenden wissenschaftlichen Untersuchungen vor allem eine Kennzeichnungs-pflicht besonders für Lebensmittel sowie eine breitenwirksamere Aufklärung und ein Dialog gewünscht. Auch Institute und sonstige

Staatliche Regularien fehlen bisher weitgehend

Projekte und Initia-tiven in Deutschland untersuchen u. a. mit Unterstützung des BMBF und des BMU die Risiken der Nanotechnologien


Verbände sind an der Thematik interessiert und veröffentlichen entsprechende Positionspapiere, wie beispielsweise das Öko-Instiut.171

Neben staatlichen Einrichtungen beschäftigen sich zahlreiche Arbeitskreise mit den Chancen und Risiken von Nanotechnologien, wie z. B. der DECHEMA/VDI-Arbeitskreis: Responsible production and use of nanomaterials - Umweltaspekte von Nanopartikeln. Die Arbeiten dieser Projektgruppe haben u. a. zur Erstellung einer Roadmap und zur Initiation verschiedener EU- und BMBF-geförderter Projekte geführt. Dazu gehören z. B. die EU Projekte Nanosafe 1 und Nanosafe 2, als auch die nationalen Projekt Nanoderm und NanoCare. Untersuchungen aus dem Nanoderm-Projekt haben gezeigt, das nanoskaliges Titandioxid gesunde Haut nicht in signifikanter Weise penetriert.

Verschiedene Fragestellungen sind hierbei noch zu beantworten - weiterer Forschungs- und Handlungsbedarf wird u. a. in den folgenden Bereichen gesehen:

Untersuchung von Exposition und Metrologie. Dazu gehören die Entwicklung von Messmethoden und die Einführung internationaler analytischer Standards, reproduzierbare Bedingungen und Herstellung von Nanopartikeln für die Analytik, Bestimmung von Exposition (Arbeitsplatz und Umwelt) und Untersuchungen zum Verhalten und Verbleib der Partikel in der Umwelt - auch umfassende Lebenszyklusanalysen.

Toxikologische und ökotoxikologische Bewertung von Nanopartikeln. Hierzu gehören Toxizitätsstudien an in vivo und in vitro Systemen, Untersuchungen zu Resorption und systemischer Verfügbarkeit von Nanopartikeln in humanen und tierischen Organismen und in Pflanzen.

Klassifikation und Standardisierung. Die Einteilung der Nanopartikel nach sinnvollen Kriterien ist von großer praktischer Bedeutung, ebenso wie die Einführung einer einheitlichen Nomenklatur.

Regulative Vorgaben. Dies steht in engem Zusammenhang mit der Klassifizierung und weiteren Untersuchung von Nanopartikeln. Verbraucher fordern beispielsweise eine Deklarationspflicht aller Nanoteilchen auf Lebensmitteln.

171 Chancen der Nanotechnologien nutzen! Risiken rechtzeitig erkennen und vermeiden! Positionspapier des Öko-Institutes e.V. Juni 2007.

DECHEMA/VDI-Arbeitskreis „Res-

ponsible production and use of nano-

materials“ beschäf-tigt sich auch mit

den Risiken der Nanotechnologien

131

3 BEWERTUNG UND FAZIT

Die technologischen Potenziale von Nanotechnologien im Umweltbereich sind - wie in dieser Studie dargelegt - sehr vielfältig und könnten zu völlig neuen Produkten und Verfahren führen, die ökoeffizienter, ressourcenschonender und/oder energieeffizienter sind. Es ergeben sich Möglichkeiten für Einsparungen entlang dem gesamten Lebenszykls eines Systems mit der Möglichkeit das Gesamtvolumen an Material pro produzierter Einheit zu verringern, z. B. in der Elektronik, oder die Energieeffizienz während der Gebrauchsphase zu erhöhen. Umfassende Lebenszyklusanalysen, die ökologisch relevante Indikatoren eines Produktes oder Verfahrens von seiner Erzeugung bis zur Entsorgung erfassen und mit herkömmlichen Produkten vergleichen, könnten auch quantitativ Aufschluss über Ökoeffizienzpotenziale der Nanotechnologien geben. Bisher sind nur sehr wenige derartige Untersuchungen erfolgt - hier herrscht noch Forschungsbedarf.

Im internationalen Vergleich ist die Nanotechnologie-Forschung in Deutschland sehr gut aufgestellt, obwohl gerade im Umweltbereich in den USA eine stärkere Clusterung der Projektförderung erkennbar ist. Die Analyse der deutschen Forschungsförderung weist eine starke Fragmentierung auf, d.h. die Projekte sind in unterschiedlichen Förderprogrammen und Förderschwerpunkten adressiert und weisen wenig Querverbindungen auf. Hier wäre eine stärkere Vernetzung der Akteure wünschenswert, um sowohl Nanotechnologien stärker in der Umweltforschung zu integrieren, bzw. umweltrelevante Fragestellungen der Nanotechnologie-Forschergemeinde näher zu bringen und den Nachhaltigkeitsgedanken stärker zu etablieren. In manchen Bereichen, wie z. B. der Nanofiltration, ist diese Entwicklung schon weiter fortgeschritten, als in anderen Bereichen. Nanoporöse Membranen werden sowohl in Umweltförderschwerpunkten als auch in Nanotechnologieschwerpunkten untersucht und vorangetrieben. Eine stärkere Bündelung der Aktivitäten könnte hier zu einer Intensivierung der Forschung und besseren Umsetzung der Ergebnisse in der umwelttechnischen Branche beitragen.

Bisherige Forschungs- und Förderschwerpunkte (vgl. Anhang) beinhalten insbesondere die Bereiche Wasser und Energie. Hier sind die Themen Membranen, Nanofiltration und Nanokatalysatoren, bzw. Sensoren, Nanokatalysatoren und Lichtquellen vertreten. Als weiterer Förder- und Forschungsschwerpunkt kristallisiert sich zunehmend die Erforschung der möglichen Risiken von Nanomaterialien bzw. -partikeln heraus, die sowohl auf nationaler als auch auf europäischer und internationaler Ebene eine immer höhere Priorität einnimmt.

Eine Abschätzung der wirtschaftlichen Potenziale von Nanotechnologien und des möglichen Mehrwertes für die Gesellschaft in den in der Studie identifizierten Bereichen (Wasser, Luft, Boden,

Nanotechnologien bieten vielfältige technologische Potenziale für ökoeffizientere Produkte

Die internationale Position Deutschlands im Bereich Nano-technologien ist sehr gut, eine Verbindung zu umweltrelevantern Fragestellungensollte ausgebaut werden


Energie/Klima, Lärm und Produktion/Konstruktion) ist schwer vorzunehmen. Schon die Einschätzungen des „Nanotechnologie-Weltmarktes“, ohne die Berücksichtigung umwelttechnischer Anwendungspotenziale, ist schwierig und in verschiedenen Studien mit sehr unterschiedlichen Ergebnissen hinterlegt worden (vgl. Luther 2004a]). Diese Studie belegt, dass nanotechnologisches Know-how bereits heute die Wettbewerbsfähigkeit einer Vielzahl von Produkten bestimmt, insbesondere in den Massenmärkten der Elektronik, der Chemie und der Optischen Industrie. Mittel- bis langfristig wird die Nanotechnologie auch in den Bereichen Automobilbau sowie Life Sciences erheblichen kommerziellen Einfluss entfalten.

Die nachfolgenden Marktzahlen stellen aufgrund des Mangels einer eindeutigen Definition, der Heterogenität des Technologiefeldes sowie der Vielschichtigkeit der adressierten Märkte eher Schätzgrößen dar. Doch unabhängig von einer exakten Quantifizierung des Marktpotenzials, ist die enorme wirtschaftliche Bedeutung der Nanotechnologie als Schlüssel- und Querschnittstechnologie – auch für umweltrelevante Anwendungen – unbestritten [Cientifica 2007a].

Das Weltmarktvolumen von Produkten, in denen nanotechnologische Herstellungsverfahren oder Komponenten einen wesentlichen Beitrag zur Wettbewerbsfähigkeit liefern, liegt derzeit in der Größenordnung von über 100 Mrd. € mit einer stark steigenden Tendenz [Luther 2006a]. Nach einer anderen Quelle wiederum werden für das Jahr 2010 für nanotechnologischer Produkte einen Marktwert von 1.000 Mrd. US $ prognostiziert.172

Experteneinschätzungen hinsichtlich des nanotechnologischen Potenzials für umwelttechnisch relevante Entwicklungen liegen bisher nur vereinzelt vor und basieren auf Vermutungen und Schätzungen. Die eher konservative Marktstudie des BCC Research beziffert den Umsatz nanotechnologischer Anwendungen im Umweltbereich im Jahr 2005 mit 374,9 Millionen US-$ und prognostiziert ein Wachstum von 75,2 % auf mehr als 6 Milliarden US-$ für das Jahr 2010.173 Hierbei werden nanotechnologischen Verfahren zur Wasser- und Bodensanierung sowie zur Reinigung von Luft die höchsten Potenziale eingeräumt mit Wachstumsraten von über 100 % auf einen Umsatz von 2,3 Milliarden US-$ im Jahr 2010. Es wird davon ausgegangen, dass Nanotechnologien bei der Sanierung von Wasser, Boden und Luft das Potential haben, herkömmliche Verfahren zu verdrängen.

172 Research and Consultancy Outsourcing Services 2005: The World Nanotechnology Market 2005, www.researchandmarkets.com

173 BCC Research 2006: Nanotechnology in Environmental Application, , http://www.bccresearch.com/pressroom/RNAN039A.htm

Weltmarkt für nanotechnologische

Produkte derzeit bei etwa 100 Mrd. Euro

Wirtschaftliche Potenziale der

Nanotechologien auch „ohne“ Umwelt-aspekte schwer

abschätzbar

Nanotechnologien für die Reinigung von

Wasser, Boden und Luft haben sehr großes Potenzial

Bewertung und Fazit 133

Cientifica sieht die größten Potenziale von Nanotechnologien im Energiesektor im Bereich der Einsparung von Energie durch die Verwendung neuer Materialien. Dieser heute 1,6 Milliarden US-$ Markt soll Berechnungen zufolge bis auf 51 Milliarden US-$ im Jahr 2014 anwachsen. Technologien zur Einsparung von Energie werden nach Einschätzung von Cientifica bis zum Jahr 2014 etwa 75 % des Nanotechnologiemarktes ausmachen mit Wachstumsraten von bis zu 64 %.174 Zu einem ähnlichen Ergebnis kommt eine neue Studie, die im Auftrag des britischen Departments for the Environment, Food and Rural Affairs angefertigt wurde. Insbesondere in den Bereichen Brenn-stoffadditive, Solarzellen, Wasserstofftechnologien, Batterien und Superkondensatoren sowie im Bereich der Dämmung werden diesem Bericht zufolge den Nanotechnologien teilweise auch kurzfristig sehr große Potenziale eingeräumt [Oakdene 2007].

Lux Research sieht die größen Potenziale von Nanotechnologien in den fünf Segementen Energie, Luft, Wasser, Abfall und Nachhaltigkeit. Der Schwerpunkt liegt dem Bericht zufolge eindeutig im Energiesektor.175

Alleine im Jahr 2006 wurden über 1,1 Mrd. US-$ von Regierungen weltweit in saubere nano-basierte Technologien investiert, 16 % mehr als im Vorjahr. Hierbei nehmen insbesondere China und Japan eine herausragende Rolle ein. Weitere 292 Mio. US-$ flossen an Risikokapital in entsprechende Firmen im Jahr 2006, das entspricht einem Wachstum von 91 %. Von den etwa 1500 start-up Unternehmen, die im Jahr 2006 in diesem Sektor tätig waren, haben sich etwa 80 % auf den Energiesektor spezialisiert.

Deutschland ist hinsichtlich des Transfers nanotechnologischer Potenziale in den Umweltsektor gut positioniert, da einerseits der umwelttechnische Sektor (z. B. Abwassertechnik oder Solartechnik) in Deutschland international wettbewerbsfähig und stark exportorientiert ist und andererseits die Nanotechnologie-Forschung in Deutschland mit zur Weltspitze zählt. Hier gilt es frühzeitig die Umsetzung wissenschaftlicher Erkenntnissen in Produkte und Verfahren zu vollziehen, den Branchen-Dialog und interdisziplinäre Vernetzung voranzutreiben, um potenziellen Anwendern die sich daraus ergebenden ökonomischen und technologischen Chancen nahe zu bringen. Mit der Bündelung der industriellen und wissenschaftlichen Stärken in den Feldern Umwelttechnik und Nanotechnologie kann sich Deutschland hier im internationalen Vergleich einen Vorsprung verschaffen, um gerade für den mittelständischen Bereich neue Märkte zu eröffnen und auszubauen.

174 Cientifica 2007: Nanotechnologies for the Energy Market 175 Lux Research Inc. 2007: Nanotech’s Impact on Energy and Environmental Technologies

Die größten Potenziale werden im Energiesektor gesehen

Im Energiesektor werden u. a. Treib-stoffadditive, Solar-zellen, Batterien und Superkondensatoren von Nanotechnologien profitieren

Deutschland ist gut aufgestellt

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4 ANHANG

Patent- und Literatursituation

Eine Analyse der Patent- und Literatursituation kann wirtschaftliche Potenziale und die Position Deutschlands im internationalen Vergleich aufzeigen. Deutschland liegt bei den Nanotechnologie Patent-anmeldungen an dritter Stelle hinter den USA und Japan; bei nanowissenschaftlichen Publikationen ist Deutschland mittlerweile auf den vierten Platz hinter den USA, Japan und China zurückgefallen [BMBF 2006]. Das weltweite Patent- und Literaturaufkommen im Bereich „Nanotechnologien“ ist exponentiell wachsend; zum Zeitpunkt der Recherche sind rund 42.000 Nano-Patente angemeldet und die Zahl an Nano-Publikationen liegt bei etwa 214.300 (vgl. Abbildung 51 und Abbildung 52).176

Abbildung 51: Anzahl an Nanotechnologie-Patenten in den Jahren 1992 bis 2004.

176 Für eine Beschreibung der in dieser Studie eingesetzten Methodik zur Patentanalyse sowie weiteren Erläuterungen vgl. Kapitel „Anmerkungen zur Patent- und Literaturanalyse“ im Anhang.

Deutschland liegt bei den Nanotechnologie-Patenantmeldungenan dritter Stelle


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Jahre

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Abbildung 52: Anzahl an Nanotechnologie-Veröffentlichungen in den Jahren 1990 bis 2006

Für das Patentaufkommen und die Publikationsaktivitäten beginnt das exponentielle Wachstum in den 1990er Jahren von fast null und wächst bis heute stark. Pro Jahr werden über 5000 neue Artikel zum Thema Nanotechnologien veröffentlicht und etwa 1000 Patente angemeldet.

Der Anteil an diesen „Nano“-Patenten oder „Nano“-Veröffentlichungen mit umweltrelevanten Fragestellungen oder ökoeffizienteren Inhalten lässt sich quantitativ nur schwer abschätzen und es sind so gut wie keine Zahlen erhältlich.

Lux Research kommt für nano-basierte cleantech Produkte in einer Studie zu positiven Wachstumsergebnissen im Patent- und Literaturbereich.175 Dem Bericht zufolge wurden im Jahr 2006 knapp 1000 US-Patente im Bereich von nano-basierten cleanteach Anwendungen angemeldet und über 7000 wissenschaftliche Artikel publiziert. Etwa 75 % der Patente beschäftigen sich mit Technologien für den Energiesektor. Die Anzahl an Patenten und an publizierten Artikeln ist linear steigend.

Das Hauptproblem bei einer Patent- und Literaturanalyse ist die Erstellung einer spezifischen und repräsentativen Schlagwortliste für den Umweltbereich oder dessen Abbildung durch IPC-Klassen177 im Fall der Patentanalyse. Die thematische Breite der in dieser Studie bearbeiteten Umweltthematiken kann weder durch eine Schlagwortliste noch durch eine Menge an IPC-Klassen sauber abgebildet werden. Die Problematik einer sinnvollen Schlagwortliste gilt für die Literaturanalyse in noch stärkerem Maße, da für diese keine Klassifizierung analog den IPC-Klassen existiert. Allerdings können Teilbereiche der sechs

177 IPC=International Patent Classification

ExponentiellesWachstum des

Patentaufkommens im Bereich

Nanotechnologie

Umweltthematik kaum durch eine

sinnvolleSchlagwortliste

abbildbar

Anhang 137

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Umweltgebiete hinsichtlich ihrer Patentierungen und Veröffentlichungen beliebig genau untersucht werden. Als wirtschaftlich wichtigen und relativ gut untersuchten Teilbereich wird in dieser Studie die Abwasserbehandlung, Wasserentsalzung und Grundwassersanierung mittels Nanotechnologien gewählt. Dieses Feld ist mit Schlagworten und einer einzigen IPC-Klasse gut beschreibbar und erlaubt eine eingehende Analyse der Patent- und Literatursituation.

In den Jahren 1986 bis 2004 sind im Bereich Abwasserbehandlung, Wasserentsalzung und Grundwassersanierung mit Nanotechnologien etwa 173 Patente angemeldet worden und das Wachstum in diesem Zeitraum verläuft näherungsweise exponentiell (vgl. Abbildung 53). Die relativ kleinen Anmeldezahlen zeigen, dass der Einsatz von Nanotechnologien zur Wasserreinigung derzeit noch gering ist.

Abbildung 53: Anzahl an Nanotechnologie-Patenten für die Abwasserbehandlung, Wasserentsalzung und Grundwassersanierung (Datenbank: WPINDEX)

Die Länder mit den stärksten Patentieraktivitäten sind die USA, China und an dritter Stelle Deutschland, gefolgt von Südkorea, Frankreich und Japan (vgl. Abbildung 54). Bei der Interpretation der Patentdaten ist zu berücksichtigen, dass Quantität und Umfang der Patentschriften regional stark variieren. Die Länderverteilung der Patentanmeldungen ist dennoch insgesamt relativ ausgewogen und kein Land hat eine stark dominierende Rolle, sondern es gibt viele Länder mit wenigen Patenten.

Die Patente verteilen sich auf zahlreiche Groß- und mittelständische Unternehmen sowie wissenschaftliche Einrichtungen. Der Großteil der eingetragenen Anmelder besitzt nur ein Patent; Schwerpunkte sind die Nanofiltration, allgemein die Entwicklung nanoporöser Membranen, nanoskalige Katalysatoren und nanoskalige Partikel, insbesondere Eisenverbindungen sowie weitere metallische Partikel.

Im Teilbereich Abwasserreinigung,Wasserentsalzungund Grundwasser-sanierung mit Nanotechnolgoien sind 173 Patente angemeldet

Länderverteilungdieser Patentanmel-dungen ausgewogen. Deutschland steht an dritter Stelle

Die Patente verteilen sich auf viele Unternehmen und Institute. Die meisten Anmelder besitzen nur ein Patent


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Anz

ahl

Abbildung 54: Länderverteilung der Nanotechnologie-Patente in der Abwasserbehandlung, Wasserentsalzung oder Grundwasssersanierung nach dem Land der Erstanmeldung (Datenbank: WPINDEX)

Zu den Patentinhabern mit mehreren Patenten in diesem Bereich gehören z. B. die Henkel KGaA, die Bayer AG, Zenon Environmental (Kanada), Degremont (USA), Sandoz AG sowie die Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. Auch weitere deutsche Großunternehmen, wie Creavis (Degussa), BASF, Cognis oder Clariant, sowie deutsche KMU, wie z. B. die Rochem UF-Systeme Gesellschaft für Abwasserreinigung mbH oder die Hager und Elsässer GmbH, sind mit wenigen Patenten vertreten.

Abbildung 55: Anzahl an Nanotechnologie-Publikationen in der Abwasserbehandlung, der Wasserentsalzung und Grundwassersanierung in den Jahren 1990 bis 2006 (Datenbank: SCISEARCH)

139

Für die Literatursituation ergibt sich ein ähnliches Bild wie bei den Patenten: Die Zahl an Publikationen zu diesem Thema nimmt von 1990 bis 2006 exponentiell zu (vgl. Abbildung 55) und die Gesamtmenge an Publikationen in diesem Bereich liegt bei rund 1000 Dokumenten. Damit ist dieses Forschungsfeld bisher eher klein.

Das Land mit den meisten Veröffentlichungen sind die USA, gefolgt von China und an dritter Stelle Deutschland sowie Südkorea, Frankreich und Australien (vgl. Abbildung 56). Die Länderverteilung der Autoren ist ähnlich wie bei den Patenten fragmentiert, die meisten Länder haben sehr wenige Publikationen und eine klare Dominanz nur eines Landes ist nicht erkennbar. Zu den Einrichtungen mit den meisten Publikationen gehört neben verschiedenen amerikanischen und chinesischen Instituten auch die Rheinisch-Westfällische Technische Hochschule Aachen. Im Mittelfeld befinden sich die Universität Köln, die Universität des Saarlandes in Saarbrücken und die Technische Universität Berlin.

Abbildung 56: Länderverteilung der Nanotechnologie-Publikationen in der Abwasserbehandlung, Wasserentsalzung und Grundwassersanierung (Datenbank: SCISEARCH)

Deutschland hat im Teilbereich Nanotechnologien für die Abwasserbehandlung, Wasserentsalzung und Grundwassersanierung sowohl hinsichtlich der Patentaktivitäten als auch bei den Publikationen eine sehr gute internationale Ausgangslage. Zwar ist dieses Technologiefeld noch sehr klein und die Ergebnisse dieser Analyse lassen sich auch nicht direkt auf andere Umweltbereiche dieser Studie extrapolieren, jedoch könnten die positiven Ergebnisse zumindest ein Indikator dafür sein, dass es durchaus Synergien zwischen der guten Position Deutschlands im Umweltsektor und in den Nanotechnologien gibt. Diese Position Deutschlands gilt es zu sichern und weiter auszubauen.

Anzahl an Publikationen zum Thema Nanotechno-logien und Wasser wächst exponentiell

Länderverteilung der Publikationen stark fragmentiert.Deutschland ist an dirtter Stelle

Deutschland hat im Bereich Nanotech-nologien für die Abwasserbehandluingund Wasserentsal-zung eine sehr gute internationale Position

Anhang


Anmerkungen zur Patent- und Literaturanalyse

Für die Patent- und Literaturanalyse wurden die Dienste des kommerziellen Anbieters STN International mit den Datenbanken WPINDEX und SCISEARCH verwendet. Zur Abgrenzung von Patenten, die den Nanotechnologien zughörig sein könnten, wurden eine Schlagwortliste sowie eine Liste üblicherweise verwendeter Stoppworte eingesetzt.178 Die Beschreibung der Umwelttechnologien wurde auf den Teilbereich Wasser beschränkt und für die Patentanalyse die IPC-Klasse C02 (treatment of water, waste water, sewage, or sludge) mit der Nano-Schlagwortliste kombiniert. Für die Literaturanalyse wurde eine spezifische Schlagwortliste erstellt179, an Stichproben in STN International hinsichtlich Spezifität validiert und mit der Nano-Schlagwortliste kombiniert. Gesucht wurde in den Feldern Titel, Abstract und Keyword insofern vorhanden.

Bei oben beschriebener Vorgehensweise ist zu bedenken, dass sowohl die Nano-Schlagwortliste, als auch die Schlagwortliste für die Verfahren zur Reinigung von Wasser mit Fehlern behaftet sind. Wie hoch die Spezifität und die Sensitivität tatsächlich sind, ist hier nicht ermittelt worden, es ist jedoch davon auszugehen, dass alleine die freie Schlagwortsuche mit dem Pattern „nano“ eine deutlich zu hohe Trefferquote ergibt, d. h. in der Treffermenge auch Patente enthalten sind, die keinen Bezug zu Nanotechnologien haben. Anhaltspunkt hierfür ist ein qualitativer Vergleich mit der Anzahl an gefundenen Nanotechnologie-Patenten beim Europäischen Patentamt (EPO), die mit einer Y-Klasse180 annotiert und nach Patentfamilien sortiert worden sind. In der Y-Klasse Y01N sind zum Zeitpunkt der Recherche etwa 30.000 Patente insgesamt zu finden (persönliche Kommunikation mit dem EPO), das ist deutlich weniger als die mit oben beschriebener Schlagwortsuche identifizierten 42.000 Patente. Bei einer Kombination der IPC-Klasse C02 mit der Y-Klasse Y01N werden etwa 60 Patente gefunden. Das sind ebenfalls deutlich weniger als mit der in dieser Studie durchgeführten Schlagwortsuche gefunden werden. Demnach wäre es am sinnvollsten, die von Experten annotierten Y-Klassen zu verwenden, was jedoch in den verwendeten Datenbanken bisher noch nicht möglich ist.

178 nano? NOT (nanosec? or nano(w)sec? or nano2 or nano3 or nanogram? Or nano(w)gram? or nanolite? or nano(w)lite? or nanolitr? or nano(w)litr? or nanomol? or nano(w)mol? or nanos or nanosat? or nano(w)sat?)

179 wastewater or waste(w)water or surface(w)water or sewage or desalination or water(w)(filtration or purification) or groundwater(w)remediation or sanitation

180 Das Europäische Patentamt hat eine eigene Annotation für neue Technologien („emerging technologies“), die so genannten Y-Klassen, eingeführt. D. h. Patente werden neben ihrer traditionellen Klassifizierung von Experten mit einer Y-Klasse annotiert, um eine Zuordnung des Patents zu diesen Technologien zu ermöglichen. Nanotechnologien sind die ersten Technologien, die eine solche Y-Klasse erhalten haben, die Klasse Y01N mit sieben Unterklassen [Scheu 2006].

Patent- und Literatur-Suche mit

STN-International

SchlagwortlistenzumThema Nano-technologien und

Wasserreinigung sind mit Fehlern behaftet

141

Die Beschränkung auf einen Umweltteilbereich resultierte vor allem daraus, dass es sich als unmöglich erwies, die unterschiedlichen Umwelt-Themen entweder mit einer Schlagwortliste oder mit IPC-Klassen zu beschreiben. Für eine Literaturrecherche gilt dies ebenso, da auch hierfür eine diskriminierende Liste von Schlagworten in noch stärkerem Maße erforderlich ist. Ein Überblick der Nanotechnologien für den Umweltschutz kann daher wahrscheinlich nur auf der Ebene der Patentschriften bzw. Publikationen selbst unter großem zeitlichem Aufwand realisiert werden, was im Rahmen der vorliegenden Studie nicht leistbar war.

Folgende Strategien wurden zur Eingrenzung der Thematik mit Schlagworten und IPC-Klassen verfolgt und stichprobenartig validiert:

Eingrenzung der Umweltthemen nach den im Annex III-A der OECD-Richtlinie zu Patentanalysen definierten Bereichen („Areas“). Der Annex III-A erläutert, wie die IPC-Klassifizierung basierend auf verschiedenen technologischen Definitionen aufgebaut werden kann.181 Suche nach den IPC-Klassen auf den Seiten des deutschen Patentamtes.182

Mit dieser Suchstrategie können einzelne Felder anhand von mehreren IPC-Klassen gut, andere jedoch nur sehr schlecht abgebildet werden. Außerdem werden nicht alle relevanten Aspekte erfasst, z. B. fehlen Bodenbearbeitung, Landwirtschaft, Trinkwassergewinnung und -aufbereitung, alle Themen der Energieeffizienz, Mess- und Regeltechnik, Gebäudetechnik, Baumaterialien. Auch in anderen „Areas“ (agriculture, food; materials, metallurgy: analysis, measurements, control) können umweltrelevante Technologien versteckt sein. (Verwendung von „Area“ 20 - Environment, Pollution, mit den IPC-Klassen A62D, B01D -046 bis -053, B09, C02, F01N, F23G und F23J).

Zusammenstellung von IPC-Klassen nach dem WIPO-Catchword Index183 (Suche unter http://www.wipo.int/classifications/fulltext/new_ipc/ipcen.html)

Die catchwords sind stark produktorientiert, und es gibt keinen sinnvollen Mechanismus, um z. B. allgemeine Verfahren von den besonders energie- und ressourcenschonenden zu trennen, so dass die Präzision relativ gering ist. In einigen Bereichen ist es schwierig, die „nachhaltigen“ Energieformen überhaupt herauszufinden

181 http://www.oecd.org/dataoecd/33/62/2095942.pdf 182 http://depatisnet.dpma.de/ipc/ 183 Schlagwortliste der World Intelectual Property Organization

Die europäische Y-Patentklasse wird von Experten annotiert und enthält nur Nanotechnologie-Patente

Eingrenzung der Umweltthemen nach Annex II der OECD-Richtlinien

Zusammenstellungvon IPC-Klassen nach dem WIPO-Catchword Index

Anhang


Ermittlung der IPC-Klassifikation über eine freie Schlag-wortsuche auf den Internetseiten des Europäischen Patent-amtes.184

Mit dieser Methode lassen sich in einigen Bereichen recht gute und spezifische Ergebnisse erzielen, wie z. B. in der Abwasser-behandlung, Wasserreinigung, Wasserentsalzung und Grund-wassersanierung; in manchen Bereichen (Beispiel: Energie, Landwirtschaft) ist es praktisch unmöglich, die „umwelt-freundlichen, energieeffizienten, bodenschonenden“ etc. aus der Masse aller Verfahren herauszufiltern. In anderen Fällen ist es unmöglich, einen bestimmten, im Umweltsektor gut abgrenzbaren Verfahrensbereich (z. B. Bioenergie) in der IPC-Klassifikation wieder zu finden. Noch stärker gilt dies für die integrierten Technologien. Damit entstehen zwei grundsätzliche Unschärfen:

Es werden Technologien zu breit abgebildet, d. h. es werden beispielsweise nicht nur die nachhaltigen Formen der Stromerzeugung oder speziell auf Erosion von Böden ausgerichtete Methoden, sondern alle Stromgewinnungsverfahren oder alle Verfahren zur Erosionsbekämpfung erfasst. Hierunter können auch solche sein, die z. B. zur Stabilisierung von Schifffahrtsrinnen in Gewässern eingesetzt werden. Einige relevante Technologien werden gar nicht erfasst. Beispiel: Bioenergie.

Deutsche Firmen (Nanotechnologie und Umwelt)

Derzeit sind ca. 600 Unternehmen mit der Entwicklung, Anwendung und dem Vertrieb nanotechnologischer Produkte befasst, darunter ca. 120 Großunternehmen und 480 KMU. Etwa 60 Finanzdienstleister widmen sich Investitionsthemen mit Bezug zur Nanotechnologie [BMBF 2006]. Wie groß der Anteil an Unternehmen ist, die sich mit umweltrelevanten Fragestellungen beschäftigen, ist schwer zu ermitteln; Tabelle 5 stellt eine Auswahl von Firmen vor, die Nanotechnologien für ökoeffizienteren Produkten und Anwendungen untersuchen.

184 http://v3.espacenet.com/eclasrch?CY=ep&LG=en

Ermittlung von IPC-Klassen über eine

freie Schlag-wortsuche

Anzahl der Firmen, die sich mit

Nanotechnologien für umweltrelevante Fragestellungen

beschäftigen, ist schwer zu ermitteln

143

Tabelle 5: Auswahl deutscher Firmen im Bereich Nanotechnologie und Bezug zu umweltrelevanten Fragestellungen (gemäß der Zusammenstellung in der Nano-Map185

und eigenen Recherchen)

Firma Nanotechnologische Anwendung (Produkte/Forschung)

Internetadresse

Advanced Energy Industries GmbH

Herstellung von Halbleitern, Displays u. a.

http://www.advanced-energy.de

AET Alternative-Energie-Technik GmbH

Lotuseffekt für saubere Solarzellen http://www.aet.de

Aixtron GmbH Verbindungshalbleiter, organische Halbleiter, OLED

http://www.aixtron.com

Aquanova AG Nano-Emulsionen, wasserfreie Solubilisate

http://www.aquanova.de

BASF Lotuseffekt, Beschichtungen, Lacke, Katalysatoren

http://www.basf.com

Bayer Material Science AG

u. a. Beschichtungen, Dämmstoffe, Kunststoffe mit Nanopartikeln

http://www.bayermaterialscience.com

Bio-Gate AG Beschichtungen mit nanoskaligem Silber, z. B. für medizintechnische Produkte

http://www.bio-gate.de

Bionas GmbH nanoskalige Sensoren http://www.bionas.de

Bosch Sensoren, MEMS in der Automobiltechnik

http://www.bosch.com

Bullith Batteries Lithium-Polymer-Akkumulatoren http://www.bullith.de

BYK Chemie Lotuseffekt http://www.byk-chemie.com

Cabot Aerogel (Nanogel®) http://www.cabot-corp.com

Caparol GmbH Anti-Schmutz-Anstriche http://www.caparol.de

CIS-Solartechnik

GmbH

CIS Solarzellen http://www.cis-solartechnik.de

CentroSolar

GmbH

Smart glazing, nanoskalige Glasbeschichtungen

http://www.centrosolar.com

Degussa/Creavis Nano-Beschichtungen, Membrane, Partikel

http://www.degussa.de http://www.creavis.de

Deutsche Steingut AG

Fliesen mit nanoskaligen Photokatalysator

http://www.deutsche-steinzeug.de

Dyckerhoff Lotuseffekt für Fassadenanstriche http://www.ispo-online.de

Erlus Baustoffe AG

Lotuseffekt für Dachziegel http://www.erlus.de

Farben und Lacke André

Lotuseffekt für Farben und Lacke http://www.andre-lacke.com

FrangartWwssertechnik GmbH & Co. KG

Wassererzeugung mit geeigneter Filtertechnologie

http://www.frangart.de

185 http://nano-map.de

Anhang


Firma Nanotechnologische Anwendung (Produkte/Forschung)

Internetadresse

FutureCarbonGmbH

Kohlenstoff-Nanopartikel für Li-Ionen Akkumulatoren

http://www.future-carbon.de

FutureCamp GmbH

u.a. Wasserstoffspeichersysteme mit neuen Materialien

http://www.future-camp.de

GfE Metalle und Materialien GmbH

nanokristalline Leichtmetallhydrid-Partikel

http://www.gfe-online.de

Grimm Aerosol Technik GmbH & Co. KG

Messgeräte für Nano-Aerosole http://www.grimm-aerosol.de

GrünbeckWasseraufbereitung GmbH

Membranen für die Nanofiltration http://www.gruenbeck.de

H.C. Starck GmbH Nanostrukturierte Aluminiumoxide, -titanate und Silziumnitride

http://www.hcstarck.com

Insta Elektro GmbH

Sehr flache LED-Leuchten http://www.insta.de

Inocermic korrosionsbeständige Oberflächen http://www.inocermic.de

Inopor GmbH Keramische Membranen für die Nanofiltration

http://www.inopor.de

ItN Nanovation Nanopulver, -beschichtungen, -verbundstoffe, nanoporöse Keramikmembranen

http://www.itn-nanovation.com

LC-Design OLED-Displays http://www.lc-design.de

Microfluidik Chip Shop GmbH

Lab-on-a-Chip Systeme http://www.microfluidic-chipshop.com/index.php

Merck Farbpigmente http://www.merck.de

Micropelt GmbH Nanoskalige Thermoelektrika http://www.micropelt.com

Molecular Machines & Industries GmbH

Analytik für die Pathogen Detektion im Umweltbereich

http://www.molecular-machines.com

Nanogate

Technologies

Nanopartikel, -beschichtungen, -keramiken

http://www.nanogate.de

Nanoplan GmbH nanoskalige Bodenverbesserer http://www.nanoplan.eu

NanoScape AG nanoporöse Materialien, Zeolithe http://www.nanoscape.de

Nano-X Nano-Beschichtungen, -imprägnierungen

http://www.nano-x.de

NEOSINO - Nanotechnologies AG

SiO2 Nanopartikel für verschiedene Anwendungen

http://www.neosino.com

NTC Nano Tech Coatings GmbH

u. a. korrosionsbeständige Beschichtungen

http://www.ntcgmbh.de

Philips u. a. Lichtquellen, großflächige Beleuchtung mit Nano-Werkstoffen

http://www.philips.de

Rochem UF-Systeme

NF-Membranen u. a. für die Abwasserbehandlung

http://www.rochem.de

RWE Schott Solar GmbH

Dünnschicht Solarzellen http://www.rweschottsolar.com

145

Firma Nanotechnologische Anwendung(Produkte/Forschung)

Internetadresse

SCF Smart Fuel Cell AG

Nano-Materialien für Brennstoffstellen http://www.smartfuelcell.de

Schott interferenzoptische Nanobeschichtungen, optische Filter für Glasfasernetze

http://www.schott.com

Solarion Dünnschicht Solarzellen mit Nanopartikeln

http://www.solarion.de

Sto AG Selbstreinigende Wandanstriche http://www.sto.de

Sus Tech Nanopartikel, -schichten, Ferrofluide (s. Kurzprofil)

http://www.sustech.de

VARTAMicrobattery GmbH

Batterien mit nanoskaligen Materialien http://www.varta-microbattery.com

Würth Solar CIS-Solarzellen http://www.wuerth-solar.de

ZIROX-Sensoren& elektronik GmbH

Sensoren http://www.zirox.de

Deutsche Firmen (Umweltbereich)

Tabelle 6: Kleine Auswahl an Firmen im Umweltbereich; Großindustrie bleibt unberücksichtigt. Die Unternehmerlandschaft ist geprägt von kleinen und mittelständischen Unternehmen (Quellen: Firmendatenbank der Länder Bayern186 und NRW187, bundesweites Branchenverzeichnis188).

Firma Umweltrelevante Anwendung (Produkte/Forschung)

Internetadresse

Wasser

Atech innovation GmbH

Keramikmembranen (Mikro- und Ultrafiltration)

http://www.atech-innovations.com

AtecAutomatisierungstechnik GmbH

Anlagenbau für die Abwasserbehandlung

http://www.atec-nu.de

auwa-chemie GmbH & Co. KG

Wasseraufbereitungsmittel http://www.auwa.de

Contec GmbH Industrieausrüstung

Filtertechnik, Ölabscheider http://www.contec-umwelt.de

EarthTech UmwelttechnikGmbH

Abwasserbehandlung, Membrantechnik, Kühlwasseraufbereitung

http://www.earthtech.de

EnviroChemie Abwasseranlagen, Komplettlösungen http://www.envirochemie.de

Eurowater Wasseraufbereitung http://www.eurowater.com

186 http://www.bayern-international.de/src/aussenwirtschaft_key_tech.php?path=/show 187 http://www.firmendatenbank-nrw.de 188 http://www.wlw.de

Anhang



Internetadresse

Frebe GmbH Wassertechnischer Anlagenbau http://www.frebe.de

NECON-GmbH Wasseraufbereitungssysteme, insb. Für Schwimmbäder

http://www.necon.de

RSE Entsorgung AG

Industrieabwasserreinigung http://www.rseag.de

TIA GmbH Membranfiltration, Bioreaktoren, Umkehrosmose

http://www.tia-abwasser.de

Luft

AGO AG Energie und Anlagen

Lufttechnische Anlagen http://www.ago.ag

AL-KO Therm GmbH

Raumlufttechnische Anlagen http://www.al-ko.com

RaumLuftKonzeptSchroeder & Schroeder GbR

Luftreinigungsanlagen, Filterung von Luftschadstoffen

http://www.raumluftkonzept.de

Boden

ASCA Altlasten-Sanierungs-CenterGmbH & Co. KG

Sanierung, Aufbereitung, Verwertung http://www.asca-aachen.com

BLZ Geotechnik GmbH

Altlastenerkundung, Rekultivierung http://www.blz-geotechnik.de

GUT Gesellschaft fürUmwelttechnologie mbH

Reinigung von Wasser, Böden und Luft, Altlastensanierung

http://www.gutmbh.de

HoogenBodensaniuerung GmbH

Bodenverbesserung, Erdbau, Bodenstabilisierung

Nicht verfügbar

Ökoplan GmbH Altlasten, Bodensanierung, Wasseraufbereitung

Nicht verfügbar

Energie/Klima

Citrin Solar GmbH Solarthermie, Solare Meerwasserentsalzung

http://www.citrinsolar.de

Colexon Solarstromanlagen http://www.colexon.de

Deutsche Rockwool MineralwolleGmbH & Co. OHG

Wärmedämmung, Hersteller von Dämmstoffen

http://www.rockwool.de

Energie und Kraftanlagen München GmbH

Energie-, Umwelt-, Kraftwerks- und Versorgungstechnik

http://www.ka-muenchen.de

Ifes GmbH Energiekonzepte, Photovoltaik http://www.ifes-frechen.de

SET Solar Energie Technik GmbH

Groß-, Modul- und Standardkollektoren http://www.setsolar.de

SunEnergy GmbH Solaranlagen http://www.sunenergy-gmbh.de

Lärm

AkkustikPLanungsbüro-NordGmbH

Lärmschutzwände, Schallschutz, Schalldämpfer

http://www.abn-schallschutz.de

147


Internetadresse

BeckLärmschutzsysteme

Lärmschutzsysteme http://www.beck-laermschutz.com

R. Kohlhauer GmbH

Entwicklung von Lärmschutz http://www.kohlhauer.co

Schneiderfilz Schneider GmbH & Co

Schäume, Gummis und Filze zur Schalldämmung

http://www.schneiderfilz.de

Konstruktion / Produktion

AdelhelmKunststoffbeschichtungen GmbH

Korrosionsschutz, Anti-Haft-Beschichtungen, Gleitbeschichtungen

http://www.adelhelm.de

Akzente Oberflächen- und Vertriebs GmbH

Spezialisiert auf transparente, kratzfeste und Anti-Fog Beschichtungen,

http://www.akzente-hc.de

bertrandt Entwicklungsleitungen für die Automobil und Luftfahrtindustrie

http://www.bertrandt.com

Prym Inovan GmbH & Co. KG

Oberflächentechnik, Konstruktion http://www.inovan.de

RhenothermKunststoffbeschichtungs GmbH

Gleitlackbeschichtungen, Oberflächenveredelung

http://www.rhenotherm.de

STARNBERGERBeschichtungen GmbH

Innovative Oberflächenbeschichtungen, insb. Korrosionsschutzschichten

http://www.starnberger.de

STOLFIG GmbH Metallverarbeitung http://www.stolfig.com

Transfer-ELECTRIC Solar- und Leitlack GmbH

Insb. Beschichtung von Sonnenkollektoren

http://www.transfer-electric.de

Wissenschaftliche Akteure in Deutschland

Tabelle 7: Auswahl wissenschaftlicher Akteure in Deutschland mit Nano- und Umweltbezug. Aufgeführt sind Forschungsinstitute und Universitäten. (Quelle: NanoMap und eigene Recherchen).

Wissenschaftliche Einrichtung Forschungsschwerpunkte

Forschungsinstitute

Fraunhofer Institut für Grenzflächen und Bioverfahrenstechnik (IGB), Stuttgart

Ultradünne Schichten, Nanobiotechnologie, CNT, Nanopartikeln, Membranen, TRACER

Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL), Institut für Technologie und Biosystemtechnik, Braunschweig

Nanobiotechnologie, Verkapselung von Pflanzenbehandlungsmitteln, Oberflächenbeschichtungen, innovative Materialien

Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) Risiken der Nanotechnologien für Mensch und Umwelt

Anhang


Wissenschaftliche Einrichtung Forschungsschwerpunkte

Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin

Risiken der Nanotechnologien

Fraunhofer Allianz Photokatalyse (8 Fraunhofer Institute)

Materialentwicklung, Nanopartikel, Analytik und Messtechnik

Fraunhofer Verbund Nanotechnologie (58 Institute)

Nanopartikel, Dünnfilme, Nanobiotechnologie, Nanoelektronik, Nanotechnologie für Gläser, umweltfreundliche elektrische Energieversorgung

Fraunhofer Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie (IME), Institutsbereich Molekularbiologie, Aachen

Analytik synthetischer (Nano-)Partikel, Auswirkungen auf die Umwelt, Ökotoxikologie und Ökologie

Fraunhofer Institut für Biomedizinische Technik (IBMT), St. Ingbert

Mikrosystemtechnik, Implantat Technologien, Sensorik, medizinische Diagnostik

Fraunhofer-Institut Arbeitswissenschaft und Organisation (IAO), Stuttgart

Technologietransfer der Nanotechnologien im Umweltbereich, Anwendungspotenziale, Marktsituation, Studien

Fraunhofer-Institut für Solare Energie Systems (ISE), Freiburg

Farbstoff- und organische Solarzellen, Energiespeicherung, chemische Energiewandlung

GKSS, Institut für Material Forschung, Geestach

Nanostrukturierte Materialien insb. für Leichtbauanwendungen im Automobilbereich

Forschungszentrum Karlsruhe, Institut für Toxikologie

Toxikologische und Ökotoxikologische Untersuchungen und Bewertung von nanoskaligen Materialien

Hahn-Meitner-Institut Berlin GmbH (HMI), Berlin

Solarenergieforschung, Solarzellen

Institut für Textil- und Verfahrenstechnik ITV Denkendorf, Denkendorf

Textile Technologien, Oberflächentechnik, Umwelttechnik

Thüringisches Institut für Textil and Kunststoff Forschung Research, Rudolstadt

Polymersolarzellen, Polymerelektronik, Flammschutz mitteln Nanosilikaten, CNT, Nanographit, Polymernanokomosite

Max Planck Institut für Kohleforschung, Mülheim an der Ruhr

Nanokatalysatoren, nanostrukturierte Kolloide, nanoskalige Metalle und Metalloxide

Universitäten

Universität des Saarlands, Institut für Pulver Technologien

Gläser und Keramiken, Nanokomposite, Nanopulverbeschichtungen, NanoCare

Fachhochschule Wiesbaden, Studienbereich Physikalische Technik, Rüsselsheim

Thermoelektrika mit Multi-Quantum-Well-Schichten, Wasserstoffspeicher

Universität Hannover, Technische Chemie, Hannover

Nanokristalline Beschichtungen, selbstreinigende Oberflächen, Photokatalyse mit Nanokatalysatoren

Universität Oldenburg, Institut für Physik, Abteilung Energie- und Halbleiterforschung, Oldenburg

Nanoskalige Halbleiterstrukturen, Angewandte Physik im Bereich der Erneuerbaren Energien

Universität Ulm, WMtech - Kompetenzzentrum der Mikrotechnik,

Technologietransfer zwischen Industrie und Wissenschaft

149

Wissenschaftliche Einrichtung Forschungsschwerpunkte Ulm

Universität Leipzig, Institut für Mineralogie, Kristallographie und Materialwissenschaft, Leipzig

Syntheseverfahren von Nanomaterialien, Mikro- und Nanomaterialien, Metallsulfide und -oxide, Nanodrähte, -tuben und -filme

Universität Oldenburg, Organische Chemie I, Oldenburg

Nanotechnologien in der chemischen Synthese für eine nachhaltige, ökoeffiziente Produktion

Walter Schottky Institut, Experimentphysik I, Garching

Selbstorganisierende Nanostrukturen, Quanten-Geräten, Bionanospintronik

Universität Dresden Initiative Nanotox

Universität Duisburg Essen, Zentrum für Halbleitertechnik und Optoelektronik

Photonische Kristalle, LED-basierte Displays

Forschungsförderung (Deutschland, EU, USA)

Deutschland

In Deutschland werden die Nanotechnologien großteils von öffentlicher Hand durch verschiedene Förderprogramme auf Bundes- oder Landesebene gefördert und die F&E-Ausgaben belegen mit 310 Mio. € im Jahr 2005 hinter den USA und Japan weltweit den dritten Platz. Zu den Stärken Deutschlands zählen die gut ausgebaute F&E-Infrastruktur und das hohe Niveau der Forschung in vielen Teilfeldern der Nanotechnologie. Auch ist die industrielle Basis für die Verwertung der Forschungsergebnisse vorhanden.

Das BMBF hat zudem sehr frühzeitig die Bildung von Kompetenzzentren in Deutschland initiiert, die eine Ver-netzungsförderung neben der Verbundförderung darstellte. Auch auf Landesebene stehen verschiedene Förderprogramme und -instrument zur Verfügung, so wird beispielsweise in Baden-Württemberg im Rahmen des Förderprogramms BWPLUS u. a. Projekte mit dem Schwerpunkt Energieeffizienz und -umwandlung oder umweltgerechte Produktions-technik der Mikrosystemtechnik und der Nanotechnologie gefördert (vgl. [BaWü 2004]).

BMBF:

Das BMBF fördert die Nanotechnologien seit den 1990er Jahren mit verschiedenen Programmen, wie z. B. im Rahmen der Programme „Materialforschung“, „Physikalische Technologien“ oder „Opto-elektronik“. Es gibt keinen speziellen Förderschwerpunkt „Nanotechnologie und Umwelt“, es finden sich jedoch Einzelprojekte in verschiedenen Förderprogrammen mit direkten oder indirekten Bezügen zur Umwelt bzw. zu den Nanotechnologien.

Sehr gute F&E Infrastruktur und hohes Forschungs-niveau in Deutschland im Bereich Nano-technnologien

Kein dedizierter Förderschwerpunkt zu Nanotechnolgoien und Umwelt vorhanden

Anhang


So beschäftigt sich beispielsweise das BMBF-Rahmenprogramm „WING - Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft“ in den Jahren 2004 bis 2006 u. a. mit ressourcen- und energieeffizienten Produktions-verfahren, Batterien und Wasserstoffspeichern mit Nanostrukturen sowie auch ökologischen Implikationen von Oberflächenbearbeitungen.

In vielen Projekten stehen die Themen Wasser und Energie im Vordergrund. Im Bereich Wasser sind vor allem Membran-filtrationsverfahren und die Weiterentwicklung oder Verbesserung nanoporöser Membranen von Interesse, gerade auch für die Industrie. Im Energiesektor sind vorrangig Katalysatoren Gegenstand geförderter Projekte. Strengere Emissions-Auflagen sind Innovationstreiber und erfordern eine ständige Anpassung von Autokatalysatoren oder Kraftwerksanlangen. Weiterhin ist die Analytik ein deutlich vertretener Schwerpunkt. Insbesondere Gassensoren oder Nano-Bio-Sensoren zur Pathogen- und Toxin-Detektion oder die Echtzeitüberwachung größerer Areale sind von Bedeutung.

Zunehmend finden sich auch Großprojekte, die mögliche negative Auswirkungen von nanoskaligen Partikeln auf Mensch und Umwelt zum Forschungsgegenstand haben. Ein Beispiel ist das Projekt NanoCare, von dem sich Erkenntnisse über Toxizität künstlicher Nanopartikel versprochen werden. Tabelle 8 gibt einen Überblick über aktuelle und bereits abgeschlossene Projekte.

Tabelle 8: BMBF-Projekte zu den beschriebenen Problemfeldern mit Nano-Bezug (Quelle: BMBF Förderdatenbank).

Zuwendungsempfän-ger/Auftragnehmer Thema Laufzeit Referat Förder-

summe/€ Technische Universität Dresden, Gesellschaft zur Förderung von Medizin-, Bio- und Umwelttechnologien e. V. (GMBU), NAMOS GmbH, AMykor GmbH

Verbundprojekt:NanoskaligeBiokompositmaterialien als Biokatalysatoren für die Behandlung von mit MTBE/ETBE belastetem Wasser - (NANOKAT)

2006-2009 724 1.553.078

Technische Universität Dresden, Universität Kassel, SYDRO Consult GbR, DOC-Labor, Krüger WABAG GmbH

Verbundprojekt:Integratives Management mehrfach genutzter Trinkwassertalsperren (IntegTa); Teilprojekt 7: Nanofiltration

2006-2009 724 1.533.075

u. a. Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Degussa AG, BASF Aktiengesellschaft, Bayer MaterialScience Aktiengesellschaft, SusTech GmbH & Co. KG, Solvay Infra Bad Hönningen GmbH,

Verbundprojekt:NanoCare; GesundheitsrelevanteAspekte synthetischer Nanopartikel: Schaffung einer allgemeinen Informations- und Wissensbasis als Grundlage für eine

2006-2009 511 5.079.787

Nanotechnologien werden seit den

1990er Jahren vom BMBF gefördert

Förderschwerpunkte: u. a. Katalysatoren,

Analytik, nanoporöse Membranen

151


summe/€ Universität Bielefeld, Universität des Saarlandes, Bergbau-Berufsgenossenschaft(BBG), Institut für Energie- und Umwelttechnik e. V. (IUTA), ItN Nanovation AG, IBE R&D Institute for Lung Health gGmbH

innovative Materialforschung

Fachhochschule Gießen-Friedberg, Justus-Liebig-Universität Gießen, UVitt GmbH, Weise Water Systems GmbH & Co. KG, EMW Filtertechnik

Verbundprojekt:Systematischer Vergleich von Verfahren zur Entfernung von Umweltchemikalien aus Abwasser; Teilvorhaben: Membranbelebung und Nanofiltration

2006-2009 724 562.094

Siemens Aktiengesellschaft, VertiLas GmbH, Technische Universität München, Bernt Messtechnik GmbH, J. Dittrich Elektronic GmbH & Co. KG

Verbundprojekt:Nanotechnologie für die optische Spektroskopie (NOSE); Teilvorhaben: Optische Gassensoren mit nanostrukturierten Absorptionszellen und nano-optischen Lichtquellen

2006-2009 513 1.232.017

Future Carbon GmbH, Frenzelit-Werke GmbH & Co., KG Bayer MaterialScience Aktiengesellschaft, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. (FhG)

Verbundvorhaben:Toxikologische Bewertung und Funktionalisierung von Kohlenstoff-Nanomaterialien

2006-2009 511 1.558.372

Schäfer Chemische Fabrik GmbH, Technische Universität Bergakademie Freiberg, SMG Schirm Metallguss GmbH, HAL Aluminiumguss Leipzig GmbH, Ohm & Häner Metallwerk GmbH & Co. KG, Rautenbach-Aluminium-TechnologieGmbH

Verbundvorhaben:Nanostrukturierte Oxide zur Beeinflussung der Eigenschaften von Aluminiumguss

2006-2009 724 1.334.260

Leibniz Institut für Agrartechnik Bornim e. V. (ATB), AIRSENSE Analytics GmbH, Optimale Optische Messverfahren für Meeresforschung und UmweltüberwachungGmbH, Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung m.b.H., (Bessy), Elbau Elektronik Bauelemente GmbH Berlin, ESYS GmbH Elektronische

Erschließung von Nachhaltigkeitspotenzial durch Nutzung innovativer Sensortechnologie und ganzheitlicher Bewertungsmodelle in der Produktionskette von pflanzlichen LebensmittelnTeilvorhaben: Entwicklung eines Gassensors zur Pilz- und Toxindetektion in GetreideTeilvorhaben: Sensor zur

2006-2009 724 2.639.982

Anhang



summe/€ Systemtechnik, Hard- und Software, TEWS Elektronik

online-Getreidefeuchtemessung

CemeCon AG, Firma Wolf Werkzeugtechnologie GmbH, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

Verbundprojekt:SchmierfähigeNanokomposite für die ökologische Zerspanung ( ÖKOZER )

2006-2009 511 660.543

Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Bayer Technology Services GmbH

VerbundprojektPHOXNAN: Optimierte Phosphor-Rückgewinnung aus Klärschlamm durch ein Hybridverfahren aus Niederdruck-Nassoxidation und Nanofiltration

2006-2009 724 346.902

UltraKat Plasmatechnik GmbH, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. (FhG), MRC SYSTEMS GmbH, Medizintechnische Systeme, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg

Verbundprojekt:NanoChem.Teil ICT: Beschichtungen mit foto-katalytischen Nanopartikeln zur Selbst-Reinigung und Selbst-Desinfektion von Oberflächen; Teil IGB: Biologische Bewertung des photokatalytischen Effekts

2006-2008 511 958.865

Textilchemie Dr. Petry GmbH, C. F. Ploucquet GmbH & Co. KG, Deutsche Institute für Textil- und FaserforschungDenkendorf (DITF), Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e. V. (MPG)

Verbundprojekt: Hoch abriebbeständige Nanokompositbeschichtungen auf textilen Flächengebilden nach biologischem Vorbild Nano-Permanentschutz

2006-2008 511 1.230.606

DaimlerChrysler AG, ArvinMeritor Emissions Technologies GmbH, Hahnemühle FineArt GmbH, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, SchunkKohlenstofftechnik GmbH, FiberMark Gessner GmbH, Mann + Hummel GmbH, Universität Stuttgart

Verbundprojekt:Katalysator für die Abgasnachbehandlungmit reduziertem Edelmetallgehalt (KREM). Nanoskalige SiC-Faserbildung in biomorphenKatalysatorträgern zur Steigerung der Strukturfestigkeit

2006-2008 511 2.664.325

153


summe/€ Technische Universität Dresden, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. (FhG), UFZ-Umweltforschungs-zentrum Leipzig-Halle GmbH, NAMOS GmbH

Verbundprojekt:Identifizierung und Bewertung von Gesundheits- und Umweltauswirkungenvon technischen nanoskaligen Partikeln (INOS)

2006-2008 511 1.100.597

Evologics GmbH, Stiftung Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (Stiftung AWI), Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Technische Universität Kaiserslautern, Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e. V. (MPG), Universität Bielefeld, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Charité Universitätsmedizin Berlin, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. (FhG)

Bionik (2) Teilvorhaben: Fraktionierte Separation mariner Mikrogelpartikel an bionisch optimierten High impact-Filtergeweben aus derivatisierbaren elektrostatisch versponnenenNanofasern (BioBOND)

2006-2007 615 449.984

Technologie- und Innovationspark Jena GmbH (TIP)

Innovationsforum: NanobasierteUmwelttechnik

2006-2006 114 84.927

Plasma Electronik GmbH, Röhm GmbH, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. (FhG), Nestlé Product Technology, Centre Lebensmittelforschung GmbH, Schott SIG BarrierTechnologies GmbH

Verbundprojekt:VerbesserteRestentleerbarkeit von Verpackungen durch plasmatechnische Innenbeschichtungen im Nanometerbereich

2005-2008 513 2.269.630

Deutsche Amphibolin-Werke von Robert Murjahn Stiftung & Co. KG, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. (FhG), Alberdingk Boley GmbH

Verbundprojekt:Entwicklung strahlenhärtender, wasserbasierender Nanokompositlacke für kratzfeste Beschichtungen auf dreidimensionalenAutomobilteilen

2005-2008 511 1.911.185

u. a. Gehring GmbH & Co. KG, Durum Verschleißschutz GmbH, GTV Verschleißschutz GmbH, & Co. KG, Opel Powertrain GmbH, Porsche Engineering Group GmbH, DaimlerChrysler AG, Ford-Forschungszentrum

Verbundprojekt:NanokristallineKomposit-Beschichtungen für Zylinderlaufbahnen mit nanostrukturierterOberfläche und Verschleißvorhersage für hochbelastete Benzin- und Dieselmotoren

2005-2008 511 5.997.289

Anhang



summe/€ Aachen GmbH, Ford-Werke GmbH, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Universität Kassel, Universität Duisburg-Essen, Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu BraunschweigRobert Bosch GmbH, MAN Nutzfahrzeuge Aktiengesellschaft, MicroGaN GmbH, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. (FhG)

Verbundprojekt:Nanostrukturierte Hochtemperatur-Halbleiter für integrierte Abgassensoren in Dieselmotor- und Magermotorapplikationen NanoHoch

2005-2008 511 3.120.496

Micronas GmbH, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V., (FhG) Elbau Elektronik Bauelemente GmbH Berlin, Institut für Mikrotechnik Mainz GmbH, Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Verbundprojekt: CMOS-kompatibler nanoskaliger Gassensor (CarGas); Teilvorhaben: Modellierung und Charakterisierung gassensitiver Sensorschichten

2005-2008 514 1.093.284

GKSS Forschungszentrum Geesthacht GmbH, Technische Universität Darmstadt, Universität Rostock, GMT Membrantechnik GmbH Degussa AG

Verbundvorhaben:OrganophileNanofiltration für die nachhaltige Produktion in der Industrie

2005-2008 724 2.046.316

Cetelon Lackfabrik Walter Stier GmbH & Co. KG, W.K.P. Württembergische Kunststoffplattenwerke GmbH & Co. KG, Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e. V. (IOM)

Verbundprojekt:Wässrige Dispersionen für kratzfeste Beschichtungen auf der Basis von Acrylat-Nanokompositen

2005-2008 724 1.022.923

Fachhochschule Aachen Miniaturisiertes Sensorarray in Siliziumtechnik für die Umweltanalytik (SAFE)

2005-2008 515 260.000

chimera biotec GmbH, Molzym GmbH & Co. KG, Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e. V. (MPG), Universität Dortmund

Verbundprojekt: Biogene Magnet-Nanopartikel für Mikroarrays und Separationsverfahren.Teilvorhaben: Bioanalytik unter Einsatz biogener Magnetnanopartikel

2004-2007 511 821.568

155


summe/€ Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e. V. (MPG), Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, Technische Universität Dresden

Verbundvorhaben:Mitwirkung am Bionik-Kompetenz-Netzwerk BIOKON Phase II, Didaktik, Nanostrukturen

2004-2007 724 875.059

Westfälische Wilhelms-Universität Münster

Quantitative Rasterkraftspektroskopie in der Nano-Tribologie und - Biologie

2003-2008 511 1.065.798

Universität Paderborn, DrägerwerkAktiengesellschaft

Verbundprojekt:Photonische Kristalle in der Gasmesstechnik; Teilvorhaben: Realisierung eines kompakten Gassensors auf Basis von Photonischen Kristallen

2003-2007 513 1.069.320

Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. (FhG), IBM Deutschland Speicher-systeme GmbH, EADS Deutschland GmbH, FreudenbergForschungsdienste KG, ROWO Coating Gesellschaft für Beschichtung mbH, identif GmbH, ATOS GmbH, Universität Bremen, FAP Forschungs- und Applikationslabor Plasmatechnik GmbH

Verbundprojekt: Nano-Funktionalisierung von Grenzflächen; Teilprojekt: NanoskopischeFunktionsschichten für tribologische und Korrosionsanwendungenauf Leichtmetallen.

2003-2006 511 3.887.558

Steuler Anlagenbau GmbH & Co. KG

Verbundprojekt:Integrierter Umweltschutz in der Metallerzeugung; Verbundvorhaben:UmweltfreundlicherKreislaufprozess für Beizsäuren in der Edelstahlproduktion"; Teilvorhaben 2: Bau einer Nanofiltrationsstufe

2002-2006 724 71.729

Justus-Liebig-UniversitätGießen, Thomas Recording GmbH, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Ruhr-Universität Bochum

Nanobiotechnologie-Verbundprojekt:Nanosensoren für die vor-Ort-Analytik im intakten Organismus mit universellemEinsatzgebiet von der Phytopathologie bis zur Medizin

2002-2005 615 869.059

Anhang



summe/€ Universität Hohenheim, imko Intelligente Micromodule Köhler GmbH

Verbundprojekt:Agrartechnik Integrierter Umweltschutz in der Landwirtschaft: Entwicklung eines dynamischen TDR-Sensors zur Echtzeitmessung des Bodenwassergehaltes

2002-2005 724 563.348

EADS Deutschland GmbH, Bernt Messtechnik GmbH, HL Planartechnik GmbH, SGS Institut Fresenius GmbH, UST UmweltsensortechnikGmbH, Technische Universität Berlin, Technische Universität Ilmenau, Steinel Elektronik Entwicklungs-GmbH

Verbundprojekt:Industrielle Gas-Sensor (Experten)-Systeme (in Verkehr und Umwelt) auf Si-Carbid-Basis (IESSICA)

2002-2005 514 1.497.527

Ticona GmbH, Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung Rudolstadt e. V. (TITK)

Verbundprojekt:Nanophasenverstärkung von thermoplastischen Polymerwerkstoffen (PET und PBT) mit quellfähigen, umweltgerechten Schichtsilikaten

2002-2005 724 804.826

Santhera Pharmaceuticals (Deutschland) Aktiengesellschaft, Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e. V. (MPG)

Nanobiotechnologie-Verbundprojekt: Protein-Chip als Multielementarray aus photonischen Kristallen

2003-2005 615 255.419

Institut für Physikalische Hochtechnologie e. V. (IPHT), Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Vericold Technologies GmbH

Verbundprojekt:Nanoanalytik mit magnetischen Kalorimetern

2002-2004 511 886.506

Deutsche Amphibolin-Werke von Robert Murjahn Stiftung & Co. KG, Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e. V., Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. (FhG)

Verbundprojekt:Entwicklung abrieb- und kratzfester Beschichtungen auf Basis von härtbaren, polymeren Nanokompositen

2001-2004 511 1.287.658

Sony Deutschland GmbH, Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e. V. (MPG), Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Verbundprojekt:FunktionaleSupramolekulare Systeme (FSS): Supramolekulare Strukturen aus Kohlenstoff-Nanoröhren und kolloidalen

2000-2003 511 582.148

157


summe/€

Nanokristallen als chemische Sensoren und optische Schalter

Robert Bosch GmbH, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. (FhG), Volkswagen Aktiengesell- schaft

Verbundprojekt:Herstellung dünner oxidischer Nanokompositschichtenfür den Verschleißschutz engtolerierter Maschinenelemente;Teilprojekt: Oxidische Nanokompositschichtenfür den Fertigungsmaßstab

2000-2003 511 812.980

Hollingsworth & Vose GmbH & Co. KG

Verbundprojekt:Entwicklung von Filtermaterialien mit neuartigen Architekturen, die gekennzeichnet sind durch die Existenz eines Nanogewebes. Dieses Nanogewebe soll die Filtercharakteristik gegenüber konventionellen Filtermaterialien signifikant verbessern.

2000-2003 511 781.348

Max-Planck-Institut für Polymerforschung

Dendritische Polyphenylene als funktionale Nanopartikel in Sensorik und Katalyse

1999-2000 511 368.661

Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau,Wassergüte- und Abfallwirtschaft

Untersuchungen zum Einsatz von Nanofiltrationsverfahren in der Trinkwasseraufbereitung zur Nickel-Elimination aus Grundwässern

1998-2000 724 197.512

Universität der Bundeswehr München, Technische Universität Berlin, Technische Universität Ilmenau, SGS Institut Fresenius GmbH, Siemens Aktiengesellschaft, HKR Sensorsysteme GmbH, KWS-Electronic GmbH, USTUmweltsensortechnikGmbH, RST Rostock System-Technik GmbH

Verbundprojekt: Low-Power-Mikrogassensorenfür energietechnische und umweltrelevante Anwendungen(LEGUAN) - Teilvorhaben UniBwM: Schichtoptimierung und FET-Backendprocessing

1998-2001 514 1.573.333

Technische Universität Bergakademie Freiberg, Hermsdorfer Institut für Technische Keramik e. V., Rauschert GmbH Technische Keramik und Kunststoff-Formteile,Gesellschaft für

Verbundprojekt:Entwicklung und Einsatz keramischer Nanofiltrationsmembranen für den produktiontegrierten Umweltschutz

1997-2000 724 934.702

Anhang



summe/€ umweltkompatible Prozesstechnik mbH

u. a. Justus-Liebig-Universität Gießen, E.T.R. Elektronik und Technologie Rump GmbH, Winter Gaswarnanlagen GmbH, Endress + Hauser Conducta Gesellschaft für Meß- und Regeltechnik mbH + Co. KG, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. (FhG), Deutsche Montan Technologie GmbH

Verbundprojekt:Künstliche Nasen im industriellen Bereich (Nosebox)

1996-1999 514 4.528.766

Eilenburger Elektrolyse- und Umwelttechnik GmbH, UMEX GmbH Dresden

GrundlegendeUntersuchungen zur Entwicklung und Erprobung der Verfahrenskombination elektrochemische Behandlung - UV-unterstützteNaßoxidation unter Nutzung neuentwickelter Reaktoren (elektrochem. Reaktor mit koaxialer Elektrodenanordnung)

1995-1998 724 326.605

BMWi:

Tabelle 9: Eine Auswahl an BMWi-Projekten zu den beschriebenen Problemfeldern mit Nano-Bezug.

Zuwendungsempfän-ger/Auftragnehmer

Thema Laufzeit Referat Förder-summe/€

Bayerische Motoren Werke, Technische Universität Chemnitz, Robert Bosch GmbH, BrandenburgischeKondensatoren GmbH, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. (FhG)

Verbundprojekt: NanoCap Advanced Supercaps für automobile Anwendung auf Basis nanostrukturierterMaterialien; Teilvorhaben BK GmbH "Entwicklung einer kontinuierlichen, hochautomatisierten,elektrochemischen Nanotechnologie

2005-2008 BMWi IVD4

1.820.880

Degussa AG Advanced Nanomaterials, Volkswagen Aktiengesellschaft, J. Eberspächer GmbH & Co. KG, hte Aktiengesellschaft the high throughput experimentation company, Fraunhofer-

Verbundprojekt: NanoKat Katalytisch aktive Nano-Werkstoffe für Oberflächen in Abgasstrang und Verbrennungsmotor zur Vermeidung von Rußpartikel-Emissionen

2005-2008 BMWi IVD4

1.910.390

159

Zuwendungsempfän-ger/Auftragnehmer


Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. (FhG), Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Universität des Saarlandes Bayerische Julius-Maximilians-Universität Würzburg

EXIST-SEED; Polare Nanoschichten

2005-2006 BMWi IIC7

72.470

Universität Kassel EXIST-SEED; Mikrosystemtechnisch und nanotechnologisch gefertigte, integierte Fluidsensoren (NanoNase)

2005-2006 BMWi IIC7

99.700

Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. (FhG)

Abscheiden von Chromschichten unter Zusatz von nanoskaligen Dispergenden mit dem Ziel, die Stromausbeute zu steigern

2003-2006 BMWi IIIA6

378.957

VodafonePilotentwicklung GmbH, Technische Universität Bergakademie Freiberg, Bayerische Julius-Maximilians-Universität Würzburg, Bayerisches Zentrum für Angewandte Energie-forschung e. V. (ZAE Bayern), Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW), VARTA Automotive Systems GmbH, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR)

Verbundprojekt:Innovative Energiespeichersysteme auf Basis von Kohlenstoffnanostrukturen (INES);Teilprojekt: Katalytische Herstellung, Beladung und Test von Kohlenstoff-Nanofasern

2000-2002 BMWi IIIA8

1.063.251

Anhang


BMU/UBA:

Tabelle 10: Geförderte Forschungsvorhaben des Umwelt Bundes Amt (UBA) mit Nano- und Umwelt-Bezug (Quelle: UFORDAT).

Zuwendungsempfän-ger / Auftragnehmer


Papierfabrik Palm Neukochen

Nanofiltration mit Konzentratbehandlung

2000 BMU k.A.

Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (IFT) Leipzig

Aufbau und Qualitätssicherung von Nanopartikelmessungen an der GAW- Station Zugspitze

2005-2005 BMU 4.985

Weitere Aktivitäten des BMU/UBA beinhalten:

Positionspapier: Nanotechnik: Chancen und Risiken für Mensch und Umwelt (August 2006)

Dialog-Nanopartikel, Stakeholderdialoge zu Chancen und Risiken von Nanomaterialien

Ausschreibung einer Studie zu Entlastungseffekten für die Umwelt durch nano-technische Verfahren und Produkte

Rechtsgutachten Nanotechnologie: Bestehender Rechtsrahmen, Regulierungsbedarf sowie Regulierungsmöglichkeiten auf europäischer und nationaler Ebene

BMELV/BfR:

Das Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz und das Bundesinstitut für Risikobewertung sind insbesondere in Bezug auf verbraucherrelevante Risiken nano-technologischer Produkte und Prozesse tätig:

Verbraucherkonferenz zu Chancen und Risiken nanotechnolo-gischer Anwendungen in den Bereichen Lebensmittel, Kosmetika und Textilien

Delphi-Befragung zu Risiken nanotechnologischer Anwendungen

161

DFG:

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert Projekte im Rahmen von Sonderforschungsbereichen, Schwerpunktprogrammen und auch Graduiertenkollegs.

Tabelle 11: Sonderforschungsbereiche (SFB) mit Nano- und direktem oder indirektem Umwelt-Bezug:

SFB Thema Jahre Zuwendungsempfüänger 418 Struktur und Dynamik

nanoskopischer Inhomogenitäten in kondensierter Materie

1996-2008

Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

445 Nano-Partikel aus der Gasphase: Entstehung, Struktur, Eigenschaften

seit1999

Universität Duisburg-Essen Campus Duisburg

486 Manipulation von Materie auf der Nanometerskala

seit2000

Ludwig-Maximilians-Universität München

513 Nanostrukturen an Grenzflächen und Oberflächen

1996-2007

Universität Konstanz

622 Nanopositionier- und Nanomessmaschinen

seit2002

Technische Universität Ilmenau

Tabelle 12: Schwerpunktprogramme (SSP) mit Nano- und direktem oder indirektem Umwelt-Bezug:

SPP Thema Jahre Zuwendungsempfüänger 1313 Biological Responses to Nanoscale

Particles Ausgeschrie-ben im Juli 2006

1159 Neue Strategien der Mess- und Prüftechnik für die Produktion von Mikrosystemen und Nanostrukturen

2004-2010 Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

1164 Nano- und Mikrofluidik: molekulare Bewegung, kontinuierlichen Strömung

2004-2010 Universität des Saarlandes

1165 Nanodrähte und Nanoröhren: Von kontrollierter Synthese zur Funktion

2004-2010 Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik

1181 Nanoskalige anorganische Materialien durch molekulares Design: Neue Werkstoffe für zukunftsweisende Technologien

seit 2005 Technische Universität Darmstadt

Tabelle 13: Graduiertenkollegs (GK) mit Nano- und direktem oder indirektem Umwelt-Bezug

GK Thema Jahre Zuwendungsempfüänger 384 Nanoelektronische,

mikromechanische und mikrooptische Systeme: Analyse und Synthese, Elektronen und Photonen

seit 1997 Ruhr-Universität Bochum

612 Molekulare Physiologie: Wechselwirkungen zwischen zellulären Nanostrukturen

seit 2000 Universität Osnabrück

1240 Nanotronics Photovoltaik und Optoeletronik aus Nanopartikeln

seit 2006 Universität Duisburg-Essen

1294 Analysis, Simulation und Design nanotechnologischer Prozesse

seit 2006 Universität Karlsruhe

Anhang


Europäische Union Die Europäische Union fördert die Nanotechnologien bereits seit dem 4. Forschungsrahmenprogramm (1994 - 1998); im 6. Forschungsrahmen-programm flossen rund 7,5 % der beantragten Forschungsgelder in Projekte der Nanowissenschaften. Die Europäische Union verfügt über keinen eigenen Förderschwerpunkt „Nanotechnologien und Umwelt“. Dieses Thema findet sich jedoch in verschiedenen Projekten meist innerhalb der Thematischen Priorität: NanoMatPro (Nanotechnologien, Materialien, Produktion). Inwieweit darüber hinaus in den vielen weiteren Projekten dieser und anderer Thematischer Prioritäten ein Bezug zu umeweltrelevanten Fragestellungen und Nanotechnologien vorhanden ist, lässt sich nicht abschließend klären.

Die Europäische Union fördert auch die Untersuchung potenzieller Risiken von Nanotechnologien. Hier sind die Projekte Nanosafe 1, Nanosafe 2 sowie Nanotox und Nanoderm von Bedeutung. Es ist davon auszugehen, dass auch im Rahmen des gerade gestarteten 7. Forschungsrahmenprogramms die Untersuchung von Nanotechnologien mit Bezug zu umweltrelevanten Fragestellungen einen hohen Stellenwert haben wird.

Tabelle 14 gibt einen Überblick über laufende und bereits abgeschlossene Projekte.

Weitere Aktivitäten finden im Rahmen von COST (EuropäischeZusammenarbeit auf dem Gebiet der wissenschaftlichen und technischen Forschung) statt. Beispielsweise beschäftigen sich im Projekt PHONASUM (Photocatalytic technologies and novel nanosurfaces materials –critical issues) Forscher aus 19 europäischen Ländern mit nanokristallinen photoaktiven Materialien und Beschichtungen. Die Finanzierung erfolgt durch die beteiligten Länder.

Tabelle 14: EU-geförderte Projekte zum Themenbereich Nanotechnologie und Umwelt, die im Informationssystem CORDIS aufgeführt sind.

Zuwendungsempfänger/Auftrag-nehmer

Thema Laufzeit Förder-summe/€

Ecole Polytechnique Facdacrale de Lausanne, Sika Technology AG, Slovenian National Building and Civil Engineering Institute, University of Surrey, Technical University of Den-mark, Heidelbergcement Technology Center GmbH, Ox and S.A., Lafarge Centre de Recherche, Aalborg Portland A/S, Danish Technological Institute, Universitac de Bourgogne-Dijon, Verein Deutscher Zementwerke e. V., Centro Tecnico Di Gruppo (C.T.G.) S.P.A., University of Aberdeen, Consejo Superior de Investigaciones Cientificas, Bundesanstalt für

Fundamentalunderstanding of cementitious materials for improved chemical physical and aesthetic performance

2006-2010 3.021.014

Nano und Umwelt ist kein eigener

Förderschwerpunkt in den Rahmen-

programmen der EU

Im 6. und auch 7. Rahmenprogramm

werden Projekte zu den Risiken der

Nanotechnologien gefördert

163



Materialforschung und -prüfung, Czech Technical University in Prague

Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre for Research and Technology Hellas, Eidgenoessische Technische Hochschule Zuerich, Paul Scherrer Institut, Weizmann Institute of Science, Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt e.V., Timcal Belgium, Solucar Energia S.A., Centre de Recherches pour l’environnement l’energie et le Dechet, N-Ghy, Solucar Investigacion Y Desarrollo (Solucar R&D) S.A.

Hydrogen from Solar Thermal Energy: High Temperature Solar Chemical Reactor for Co-production of hydrogen and carbon black from natural gas cracking

2006-2010 1.997.300

Institute of Physics Belgrade Reinforcing Experimental Center for Non-equilibrium Studies with Application in Nano-technologies, Etching of Integrated Circuits and Environmental Research (IPB-CNP)

2006-2009 310.000

CSIR, Eidgenössische Anstalt für Wasserversorgung, Abwasserreinigung und Gewässerschutz, Institute of Water and Sanitation Development, Centro de Investigaciones Energeticas, Medioambientales y Tecnologicas, University of Leicester, International Community for the Relief of Suffering and Starvation, Universidad de Santiago de Compostela

Solar disinfection as an appropriate Household Water Treatment and Storage (HWTS) intervention against childhood diarrhoeal disease in developing countries or emergency situations - Use of Nanophotocatalysts

2006-2009 1.900.000

The University of Nottingham, IMS Nanofabrication Gmbh, Tampereen Teknillinen Yliopisto, TNO (Netherlands Organisation for Applied Scientific Research), Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Philips Electronics Nederland B.V., Cardiff University, Commissariat a l’energie Atomique, Festo AG & Co. KgG, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. (FhG), Fundacion Tekniker, University of Strathclyde, Cranfield University, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Robert Bosch GmbH, Csem Centre Suisse d’electronique et de Microtechnique S.A. -, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Kungliga Tekniska Högskolan

Synergetic Process Integration for Efficient Micro and Nano Manufacture (μSAPIENT)

2006-2009 750.000

Anhang




u.a. the University of Birmingham, University of Mons-Hainaut, Uni-versity of Newcastle Upon Tyne, International Paint Ltd (an Akzo Nobel Group Company), Centrum Techniki Okretowej Splka Akcyjna, Laviosa Chimica Mineraria S.P.A., Netherlands Organisation for Applied Scientific Research (TNO), Ruprecht-Karls-Universitat Heidelberg, University of Dundee, Institut für Polymerforschung Dresden e. V., BASF Aktiengesellschaft, Sustech GmbH and Co. KG, Korrosions- Och Metallforskningsinstitutet Ab (Kimab)

Advanced nanostructured surfaces for the control of biofouling (AMBIO)

2005-2010 11.901.786

u. a. Commissariat À l'energie Atomique, Dgtec Sas, University College London, Nanogate Advanced Materials GmbH, Oxonica Ltd., Katholieke Universiteit Leuven, Echange et Coordination Recherche Industrie, Qinetiq Nanomaterials Ltd., Health & Safety Executive, University of Glasgow, The Chancellor, Masters and Scholars of the University of Oxford, Institut National de l’environnement Industriel et des Risques, Procter & Gamble Eurocor, BASF Aktiengesellschaft, Stiftung Caesar, Technical Research Centre of Finland, GSF-Forschungszentrum für Umwelt und Gesundheit GmbH, Jozef Stefan Institute

Safe production and use of nanomaterials (Nanosafe2)

2005-2009 6.999.837

u. a. Institut fuer neue Materialien Gem. GmbH, Universidade de Aveiro, University of Udine, the University of Manchester, Elastotec GmbH Elastomertechniken, Centro Sviluppo Materiali S.P.A., Hellenic Aerospace Industry S.A., Plalam S.P.A., Cromosphere SRL, Typoplast, Arc Seibersdorf Research GmbH, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH, European Research and Project Office GmbH, National Center for Scientific Research "Demokritos", Technion - Israel Intitute of Technology, Centro Ricerche Fiat S.C.P.A., Instituto De Soldadura E Qualidade, EADS GmbH, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.,

Advancedenvironmentally friendly multifunctional corrosion protection by nanotechnology (MULTIPROTECT)

2005-2009 8.789.000

165



Centre for Research and Technology Hellas, University of Westminster, Lunds Universitet, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V., Meurice Recherche et Developpement ASBL, Genialab Biotechnologie Produkte und Dienstleistungen GmbH, Federal Agricultural Research Centre, Aristotle University of Thessaloniki, Eurobiotec Brussels S.A.

NanoimprintingTechnologies for Selective Recognition and Separation (NANOIMPRINT)

2005-2008 2.150.000

Chalex Research Ltd., Technology Codes Ltd., Institute of Physical Chemistry I. G. Murgulescu of the Romanian Academy, Nano Functional Materials Consortium, Universitatea din Craiova, Cmp Cientifica S.L., Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, University of Crete, Kauno Technologijos Universitetas, Jozef Stefan Institute, University of Leicester, Technische Universität München, VDI Technologiezentrum GmbH, Katholieke Universiteit Leuven, University of Surrey, Temas ag Technology And Management Services, National Institute of Research and Development for Technical Physics, Dublin Institute for Technology, Stichting Biomade Technology, Latvijas Toksikologu Biedriba

Improving the understanding of the impact of nanoparticles on human health and the environment (IMPART)

2005-2008 699.913

Chalex Research Ltd., Cmp Cientifica Sl M. B. N. Srl, Helsinki University of Technology, Consorzio per lo Sviluppo dei Sistemi a Grande Interfase, Bulgarian Academy of Sciences, Nofer Institute of Occupational Medicine, Nanocyl S.A., The University of Manchester, Mbn Nanomaterialia S.P.A.

Investigative Support for the Elucidation of the Toxicological Impact of Nanoparticles on Human Health and the Environment(NANOTOX)

2005-2007 399.894

Fundacion Inasmet, Aristoteles University of Thessaloniki (Research Committee), Tesscenter, S.L., Cemecon Ag-Coatings, Technology & Process, Brødrene Johnsen as, Desarrollos Mecanicos de Precision S.L., Morfomichaniki Ltd.

Innovative PVD Nano-Coatings on Tools for Machining Titanium and Nickel Alloys (MATINA)

2005-2007 536.120

Franken-Coatings GmbH & Co. KG, Vienna University of Technology, Institute of Materials Chemistry, Modus Cesky Vyrobce Svitidel Spol. Sr. O., Ornela A.S., Benda-Lutz Werke GmbH, Qcr Coatings Ltd., Ilf Forschungs- und Entwicklungsgesellschaft Lacke und Farben MbH, Hella Kg Hueck & Co.

New Water-based Industrial Coating Technology for Environmental-friendly High Reflective Metallic Coatings based on Nano-coated Sub-micron Aluminium Pigments (NANOREFLEX)

2004-2008 354.450

Anhang




European Academy of Surface Technology

Micro and Nano Deposition

2004-2008 262.895

Istituto Nazionale per la Fisica della Materia, Laboratori Integrati Studio Alfa Srl, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Institut National Polytechnique de Grenoble, European Aeronautic Defense and Space Company EADS Deutschland Gmbh, Vaisala Oyj, Studio Alfa Srl, Sacmi Cooperativa Meccanici Imola Scarl, Apparatebau Gauting GmH, Universitat de Barcelona, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.

Nano-structured solid-state gas sensors with superior performances (NANOS4)

2004-2007 2.977.266

Universität Bremen, Exiqon A/S, Generi Biotech Sro, Miltenyi Biotec Gmbh, Plant Research International B. V.

Nano-biotechnicalcomponents of an advanced bioanalytical microarray system (GENSENSOR-NANOPARTS)

2004-2007 2.082.199

Saint-Gobain Recherche S.A., Saint-Gobain Glass Deutschland GmbH Pilkington Plc, Deutsches Wollforschungsinstitut an der RWTH Aachen e.V., Commissariat À l’énergie Atomique', Alma Consulting Group S.A., Facultes Universitaires Notre-Dame de la Paix De Namur, Stazione Sperimentale del Vetro, Universite Claude Bernard Lyon 1, Universite de Liege, Universite Paris Xii Val De Marne, Centre National de la Recherche Scientifique, Alma Consulting Group S.A.S.

Nano-structured self-cleaning coated glasses: modelling and laboratory tests for fundamental knowledge on thin film coatings, EC normalisation and customer benefits (SELF-CLEANINGGLASS)

2004-2007 2.292.584

CNRS, University of Rome La Sapienza, Siberian Branch of the RAS Institute of Chemical Kinetics and Combustion, Tomsk State University, Siberian Branch of the RAS Institute of High Current Electronics, RAS Institute for Energy Problems of Chemical Physics

Studies on the preparation, atomisation and combustion of nanoaluminium water slurry, a novel green propellant for space applications

2004-2006 108.000

Universität Leipzig, University of Debrecen, Instituto Tecnologico e Nuclear, The Henryk Niewodniczanski Institute Of Nuclear Physics, Jagiellonian University, Centre National de la Recherche Scientifique, Universite de Bordeaux I

Quality of skin as a barrier to ultra-fine particles (NANODERM)

2003-2006 1.097.994

167



Nanogate Technologies GmbH, Commissariat a l’energie Atomique, Technical Research Centre of Finland, The Chancellor, Masters and Scholars of The University of Oxford, Jozef Stefan Institute, Katholieke Universiteit Leuven, GSF-Research Center for Environment and Health, Oxonica Limited, VDI Verein deutscher Ingenieure, VDI Technologiezentrum GmbH

Risk assessment in production and use of nanoparticles with development of preventive measures and practice codes (NANOSAFE)

2003-2004 322.787

GTM Construction S.A., Centre Scientifique et Technique du Batiment - CSTB, Dansk Beton Teknik A/S, National Centre for Scientific Research 'Demokritos', Ctg S.P.A. - Centro Tecnico Di Gruppo, Millennium Inorganic Chemicals Ltd., Esperos Ltd, Enveco S.A.

Photocalytic innovative coverings applications for depollution assessment (PICADA)

2002-2005 1.926.062

National Research Council of Italy, Johannes Gutenberg Universitaet Mainz, University of Cambridge, Biomatech S.A., Fei Italia Srl

The role of nano-particles in material-induced pathologies

2002-2005 999.937

Universite de Reims Champagne-Ardennes, Belarussian State University, University of York, Yanka Kupala State University of Grodno, S.I. Vavilov State Optical Institute, Russian Academy of Sciences

Semiconductornanocrystals as efficient fluorescent labels: synthesis, bioconjugation and applications to non-isotopic analysis of biomolecules

2002-2005 120.000

Bar Ilan University, Zoz Gmbh, Erachem Comilog S.A., Tadiran Batteries Limited, National Institute of Materials Physics

Development of nanomaterials for high power lithium batteries (NANOBATT)

2002-2004 1.000.000

Tampere University of Technology, Ben-Gurion University of the Negev, National Academy of Sciences of Ukraine, South-Ukrainian Pedagogical University

Creation of Novel Sensors for Ecological Monitoring of Industrial Environment (INTAS)

2002-2004 57.000

Centro Ricerche Fiat S.C.P.A., Ecocat Oy, National Research Council of Italy, Johnson Matthey Plc (Trading as Synetix), Politecnico di Torino, Aristotle University of Thessaloniki, S.A. Giannoni France

Cost-effective and durable nanostructured pd catalysts for natural gas vehicle and premixed burner applications

2001-2005 1.347.949

Settetermini S.R.l., pPPH Baltex Ltd. Novel protective coatings for industrial application (PROCOAT)

2001-2002 22.389

Waterford Co-Operative Dairy and Trading Society

The application of clean technologies as a means of incresing efficiency, optimising resource use and reducing the pollution potential of wastes.

1993-1997 Keine Angaben

Anhang


USA

In den USA werden Fördergelder im Themenbereich der Nanotechnologien zentral in der Nationalen Nanotechnologie Initiative NNI gebündelt, die für das Jahr 2005 ein Budget von 982 Millionen US-$ zur Verfügung hatte. Durch den „21st Centure Nanotechnology Development Act“ konnten für den Zeitraum 2005-2008 weitere 3,7 Mrd. US-$ zur Förderung der Nanotechnologie-Forschung für die fünf Forschungsorganisationen NSF, DoE, NASA, NIST und EPA bereitgestellt werden. Insbesondere die US-amerikanische Umweltbehörde EPA unterstützt eine ganze Reihe an Forschungsprojekten, die zu ökoeffizienteren und umweltverbessernden Anwendungen durch Nanotechnologien führen könnten. Die EPA unterstützt des Weiteren elf nanotechnologische Projekte von kleineren Unternehmen, die sich mit umweltrelevanten Fragestellungen beschäftigen (EPA’s Small Business Innovation Research (SBIR)). 189

Tabelle 15 gibt einen Überblick über eine Auswahl aktueller und abgeschlossener Projekte (Stand Mai 2007), die von verschiedenen Behörden gefördert werden/wurden. Das US Department of Energy hat zudem für 2007 die Förderung von 13 nanotechnologischen Projekten mit 11,2 Mio. US-$ bekannt gegeben.190 Ziel der Projekte ist das Voranbringen der Wasserstoffwirtschaft, sieben Projekte beschäftigen sich mit neuen Nanomaterialien zur Wasserstoffspeicherung und sechs weitere Projekte sollen nanoskalige Katalysatoren erforschen.

Tabelle 15: US Förderprojekte verschiedener Behörden zu Nanotechnologie und Umwelt. (EPA: Environmental Protection Agency), NSF (National Science Foundation), DoD (Department of Defense), DoC (Department of Commerce), DoE (Department of Energy), NASA (National Aeronautic and Space Administration) and USDA (Department of Agriculture).

Zuwendungsempfänger/ Auftragnehmer

Thema Laufzeit Förder-summe/US-$

EPAUniversity of Delaware Agglomeration, Retention, and

Transport Behavior of Manufactured Nanoparticles in Variably-Saturated Porous Media

2007-2010 399.035

Columbia University Comparative Life Cycle Analysis of Nano – and Bulk-materials in Photovoltaic Energy Generation

2007-2009 200.000

University of Michigan Carbon Nanotubes: Environmental Dispersion States, Transport, Fate, and Bioavailability

2006-2009 371.886

189 http://cfpub.epa.gov/ncer_abstracts/index.cfm/fuseaction/display.research Category/rc_id/838

190 http://www.azonano.com/news.asp?newsID=4111

Die EPA unterstützt eine ganze Reihe von Projekten zum Tehma

Nano und Umwelt

Nanotechnologien für energierelevante

Fragen solen ab 2007 intensiv gefördert

werden

169



Arizona State University, University of Delaware

Methodology Development for Manufactured Nanomaterial Bioaccumulation Test

2006-2009 399.769

Ohio State University Evaluating the Impacts of Nanomanufacturing via Thermodynamic and Life Cycle Analysis

2006-2008 375.000

University of Tennessee Knoxville,University of Massachusetts Amherst

Nanostructured Membranes for Filtration, Disinfection, and Remediation of Aqueous and Gaseous Systems

2005-2008 349.200

Auburn University Main Campus

Synthesis and Application of a New Class of Stabilized Nanoscale Iron Particles for Rapid Destruction of Chlorinated Hydrocarbons in Soil and Groundwater

2005-2008 280.215

Tulane University of Louisiana

Novel Nanostructured Catalysts for Environmental Remediation of Chlorinated Compounds

2005-2008 320.000

University of California Riverside

Conducting-Polymer Nanowire Immunosensor Arrays for Microbial Pathogens

2005-2008 320.000

Michigan Technological University, Michigan State University, West Virginia University

Nanotechnology: A Novel Approach to Prevent Biocide Leaching

2005-2008 333.130

Rice University Structure-function Relationships in Engineered Nanomaterial Toxicity

2005-2008 375.000

California Institute of Technology, Howard University

Cellular Uptake and Toxicity of Dendritic Nanomaterials: An Integrated Physicochemical and Toxicogenomics Study

2005-2008 375.000

New York University: Nelson Institute of Environmental Medicine -Tuxedo

Role of Particle Agglomeration in Nanoparticle Toxicity

2005-2008 375.000

University of Florida Assessing the Environmental Impacts of Nanotechnology on Organisms and Ecosystems

2005-2008 375.000

Rice University Microbial Impacts of Engineered Nanoparticles

2005-2008 375.000

Lovelace Respiratory Research Institute

Chemical Fate, Biopersistance, and Toxicology of Inhaled Metal Oxide Nanoscale Materials

2005-2008 375.000

Savannah River Ecology Laboratory, Dartmouth College, University of Georgi

The Bioavailability, Toxicity, and Trophic Transfer of Manufactured ZnO Nanoparticles: A View from the Bottom

2005-2008 375.000

Georgia Institute of Technology

Fate and Transformation of C60Nanoparticles in Water Treatment Processes

2005-2008 375.000

University of Oklahoma Hysteretic Accumulation and Release of Nanomaterials in the Vadose Zone

2005-2008 375.000

CIIT Centers for Health Research

Mechanistic Dosimetry Models of Nanomaterial Deposition in the Respiratory Tract

2005-2007 375.000

Lehigh University Transformation of Halogenated PBTs with Nanoscale Bimetallic Particles

2005-2007 325.000

Anhang




University of California - Santa Barbara, McGill University

Transformations of Biologically-Conjugated CdSe Quantum Dots Released into Water and Biofilms

2004-2007 332.099

Arizona State University Main Campus

The Fate, Transport, Transformation and Toxicity of Manufactured Nanomaterials in Drinking water

2004-2007 455.000

University of South Carolina at Columbia

Chemical and Biological Behavior of Carbon Nanotubes in Estuarine Sedimentary Systems

2004-2007 334.750

University of Iowa Impacts of Manufactured Nanomaterials on Human Health and the Environment - A Focus on Nanoparticulate Aerosol and Atmospherically Processed Nanoparticulate Aerosol

2004-2007 335.000

Rice University Adsorption and Release of Contaminants onto Engineered Nanoparticles

2004-2007 333.797

University of Utah Responses of Lung Cells to Metals in Manufactured Nanoparticles

2004-2007 332.958

North Carolina State University

Evaluating Nanoparticle Interactions with Skin

2004-2007 328.972


The Fate, Transport, Transformation and Toxicity of Manufactured Nanomaterials in Drinking water

2004-2007 455.000

Brown University Physical and Chemical Determinants of Nanofiber/Nanotube Toxicity

2004-2007 335.000

University of Delaware Short-term Chronic Toxicity of Photocatalytic Nanoparticles to Bacteria, Algae, and Zooplankton

2004-2007 334.881

Purdue University Main Campus

Repercussion of Carbon Based Manufactured Nanoparticles on Microbial Processes in Environmental Systems

2004-2007 335.000

University of California Davis

Health Effects of Inhaled Nanomaterials

2004-2007 334.998

New Mexico State University

Nanomaterial-Based Microchip Assays For Continuous Environmental Monitoring

2003-2006 341.000

Clarkson University, Oklahoma State University, University of New Hampshire Main Campus

Compound Specific Imprinted Nanospheres for Optical Sensing

2003-2006 323.000

New Jersey Institute of Technology

m-Integrated Sensing System (m-ISS) by Controlled Assembly of Carbon Nanotubes on MEMS Structures

2003-2006 346.000

SUNY at Binghamton, New Mexico State University, University of California Riverside

Low Cost Organic Gas Sensors on Plastic for Distributed Environmental Monitoring

2003-2006 351.00

Utah State University Metal Biosensors: Development and Environmental Testing

2003-2006 336.000

Cornell University The Silicon Olfactory Bulb: A Neuromorphic Approach to Molecular Sensing with Chemoreceptive Neuron MOS Transistors (CvMOS)

2003-2006 354.000

171



Michigan State University Use of Ozonation in Combination

with Nanocrystalline Ceramic Membranes for Controlling Disinfection By-products

2003-2006 353.959

University of California Los Angeles

Nanostructured Catalytic Materials for NOx Reduction using Combinatorial Methodologies

2003-2006 356.000

Rensselaer Polytechnic Institute

Graft Polymerization as a route to control Nanofiltration Membrane surface properties to manage Risk of EPA candidate contaminants and reduce NOM Fouling

2003-2006 349.000

Carnegie Mellon University Developing Functional Fe(0)-based Nanoparticles for in situ Degradation of DNAPL chlorinated organic Solvents

2003-2006 keine Angaben

University of California Los Angeles

Nanostructured Catalytic Materials for NOx Reduction using Combinatorial Methodologies

2003-2006 356.000

Michigan State University Sustainable Biodegradable Green Nanocomposites from Bacterial Bioplastic for Automotive Applications

2003-2006 369.613

Creare Incorporated Low-Cost Machining Without Cutting Fluids

2003-2005 224.865

Carnegie Mellon University A Life Cycle Analysis Approach for Evaluating Future Nanotechnology Applications

2003-2005 100.000

Rice University Implications of Nanomaterials Manufacture and Use: Development of a Methodology for Screening Sustainability

2003-2005 99.740

University of Oklahoma Nanostructured microemulsions as alternative solvents to VOC’s in cleaning technologies and vegetable oil extraction

2003-2005 329.655

SUNY College of Environmental Science and Forestry

Ecocomposites Reinforced with Cellulose Nanoparticles: An Alternative to Existing Petroleum Based Polymer Composites

2003-2005 390.000

Howard University, California Institute of Technology, University of Michigan

Dendritic Nanoscale Chelating Agents: Synthesis, Characterization, Molecular Modeling and Environmental Applications

2002-2005 400.000


Nanoscale Biopolymers with Tunable Properties for Improved Decontamination and Recycling of Heavy Metals

2002-2005 390.000

Temple University, Montana State University, SUNY at Stony Brook

A Bioengineering Approach to Nanoparticle based Environmental Remediation

2002-2005 399.979

University of Miami Nanosensors for Detection of Aquatic Toxins

2002-2005 350.000



2002-2005 400.000

Anhang




University of Florida Simultaneous Environmental

Monitoring and Purification Through Smart Particles

2002-2005 390.000


Nanoscale Biopolymers with Tunable Properties for Improved Decontamination and Recycling of Heavy Metals

2002-2005 390.000

Clemson University Plasmon Sensitized TiO2Nanoparticles as a Novel Photocatalyst for Solar Applications

2002-2005 400.000



2002-2004 370.000

University of California San Diego

Simultaneous Environmental Monitoring and Purification through Smart Particles

2002-2004 400.000

Drexel University Ultrasensitive Pathogen Quantification in Drinking Water Using Highly Piezoelectric PMN-PT Microcantilevers

2002-2004 449.713


A Nanocontact Sensor for Heavy Metal Ion Detection

2002-2004 375.000

Pennsylvania State University Main Campus

Green Engineering of Dispersed Nanoparticles: Measuring and Modeling Nanoparticle Forces

2002-2004 370.000

Lehigh University Nanoscale Bimetallic Particles for in situ Remediation

2002-2004 300.000

University of Kentucky, University of Alabama Tuscaloosa

Membrane-Based Nanostructured Metals for Reductive Degradation of Hazardous Organics at Room Temperature

2002-2004 345.000

University of Delaware Synthesis, Characterization and Catalytic Studies of Transition Metal Carbide Nanoparticles as Environmental Nanocatalysts

2002-2004 350.000

University of Iowa Development of Nanocrystalline Zeolite Materials as Environmental Catalysts: From EnvironmentallyBenign Synthesis to Emission Abatement

2002-2004 350.000

E Paint Company Copper-Free Antifouling Coatings 2003-2003 70.000Materials Modification Inc. Nanocomposite-Based Filter for

Arsenic Removal in Drinking Water

2002-2003 100.000

Argonide Corporation Nano Alumina Arsenic Filter 2002-2003 99.923Fractal Systems Inc. In-Situ Measurement of Vehicle

Exhaust Emissions Using Supramolecular Conducting Polymer Films

2002-2003 99.975

Compact Membrane Systems Inc.

Enhanced VOC Oxidation 2002-2002 70.000

University of South Carolina at Columbia

Specialty Polymeric Materials for use in the Purification and Detection of Harmful Algal Bloom Toxins: Science and Engineering

2001-2003 199.305

173



DoEThe Research Foundation of State University of Albany

Nano Structured Activated Carbon for Hydrogen Storage

2005-2009 441.767

University of Missouri Hydrogen storage in nano-phase diamond at high temperature and its release

2005-2008 99.263

Lehigh University Enhanced High Temperature Corrosion Resistance In Advanced Fossil Energy Systems By Nano-Passive Layer Formation

2004-2007 70.502

Vanderbilt University Materials Research For Nano- Structured Photovoltaics

2001-2007 187.500

Iap Research Inc Industrial Nano Material Components With High Temperature Corrosion And Wear Resistance Performance

2003-2006 412.860

University of Tennessee Knoxville

Chemically Functionalized Arrays Comprising Micro And Nano Electro Mechanical Systems For Reliable And Selective Characterization of Tank Waste

2005-2005 35.000

North Carolina State University

Photo Responsiveness And Light Harvesting In Synthetic Nanowires, Nanosheet And Nano-Spheres

2001-2004 344.000

DoC OWNES CORNING, Ohio State University

Environmentally Benign Micro-Cellular Nano-Composite Foam for Structural and Insulation Market

2002-2005 1.900.000

DoD (gibt keine Fördersummen bekannt!) Utah State University Design And Development Of

Nanoscale Biomotor Power Units 2002-2008

Uppsala Univ (Sweden) Nano Particles And The Blood-Brain Barrier

2005-2006

Virginia Commonwealth University

Investigation Of Structural And Electrical Defects In Gan/Aigan Structures

2004-2006

University of Washington Bio-Inspired Multi-Component Nanostructured Materials As Platforms For Highly Efficient Photovoltaic Devices

1998-2006

Keine Angaben Development and Evaluation of Novel Implantable Nanosensors for Real-Time

2004-2005

University Of Colorado Boulder

Design Of Phononic Micro/Nanostructures For Harsh Environment Device

1997-2005

Michigan State University Durability Characterization Of Poss-Based Polyimides And Carbon-Fiber

1998-2005

NASA University Of Puerto Rico Medical Sciences

Nano-Crystalline Lithium Ion Interclated Transitio N Metal Oside Thin Films For Rechargeable Batteries

2005-2006 299.187

Anhang




Case Western Reserve University

Solid State Nano-Structure Sensor Array For Fire P Rotection Applications

2003-2004 125.000

NSFUniversity of Akron Acquisition of a Dynamic Nano-

Force Tensile Test System for Ultrathin Fibers with Environmental Control and Integrated Image Analysis


University of Michigan Sensors: Carbon Nanotube-Based Wireless Sensors for Strain and Corrosion Monitoring of Structures

2005-2008 Keine Angabe

University of Utah SST Integrated Particle Counting and Potentiometric Sensor Array for Water Quality Analysis


Oregon State University Whole-Cell Biosynthesis of Nanostructured Metal Oxide Semiconductors

2004-2008 1.299.999

Michigan State University Novel Eco-friendly Nano-reinforced Cellular Biobased Composites for Load-bearing Structures

2004-2007 301.321

Cornell University Biogeochemical Cycling of Organic Carbon in Soil Ecosystems as Affected by Black Carbon

2004-2007 794.213

University of Kentucky Environmental Catalysis: Gas Phase Hydrodechlorination of Chlorophenols

2002-2008 309.124

Michigan State University Lab-Scale Evaluation of Electro Chemical Remediation of a Contaminated Clayey Soil Using Alternating Current Electrical Signal

2004-2006 100.933

University of Idaho Polymer Nanowire Chemical Sensors for Aqueous Media


Foundation at New Jersey Institute of Technology

Fractal Nanoagglomerates: A New Filter Media For HEPA Filters


William Marsh Rice University

Fullerene-Microbe Interactions: Implications for Disinfection and Risk Assessment


University of Central Florida Biologically Compatible Engineered Nanoparticles to Prevent UV-Radiation Induced Damage

2005-2006 100.000

Va Polytechnic Inst & St U, Carnegie Mellon University

Carbon Nanotube/Polymer Composites for High Flux/High Selectivity Gas Separation Membranes

2004-2006 129.924

Institute of Paper Science And Technology

Synthesis of Polymer Encapsulated Nano-clay Hybrid via Miniemulsion Polymerization

2003-2006 262.971

Washington University Synthesis and Application of Magnetic Nano- and Nano-Composite Particles

2003-2006 750.000

Louisiana Tech University Nanoengineered shells for encapsulation and controlled release

2002-2006 899.042

175



Texas A&M University, University of Georgia Athens, Northwestern University Evanston, Duke University

Collaborative Research: The Role of Nano-Scale Colloids in Particle Aggregation and Trace Metal Scavenging in Aquatic Systems

2002-2006 1.320.020

Case Western Reserve Nanostructured, Multilayered Polymeric Membranes for Gas Separations

2004-2005 100.000

Rensselaer Polytechnic Institute, University of Florida

Collaborative Research: Tribology of Nanocomposites

2003-2005 123.891

USDA Michigan State University Biobased/Green Materials and

Nanotechnology for Packaging 2005-2009 Keine

AngabenMichigan State University The Chemical and Physical Nature

of Particulate Matter Affecting Air, Water and Soil Quality


Pennsylvania State University

Biosensors and Nanoscale Methodologies for Microorganism Detection and Characterization


Cornell University Nanoscale Sensor Materials Incorporated in near Nano scale fibrous Mats for Detection of Airborne and condensed Phase Biohazards

2005-2006 100.000

Cornell University Use of Nano-Fabricated Surfaces for studying colonization & Dispersal of Bacteria in Water conducting Plant Vessels

2005-2006 100.000

Lnk Chemsolutions Nano- and Micro-Encapsulation of Food Additives


University of Wisconsin Production of Acrylates by catalytic Dehydration of Carbohydrate-derived Lactic Acid and Lactic Acid Esters

2003-2006 131.250

University of Georgia Development of Micro/Nano Structures and Devices for Agricultural, Environmental and Health Care Applications


Cornell University Sustained Release of pST from Biocompatible and Biodegradable Nano/microspheres


Anhang

177

Tabellen- und Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Vorgehensweise ...........13

Abbildung 2: Technologien zur Reinigung und Aufbereitung von (Ab-)Wasser ..........................................................20

Abbildung 3: Trenngrößen und Molekulargewicht für die verschiedenen Trennverfahren......................................21

Abbildung 4: Schematische Darstellung eines möglichen Verfahrens zur Grundwasserreinigung. ........................24

Abbildung 5: Das Prinzip der Photokatalyse an TiO2.........................25

Abbildung 6: Beispiel eines Nanosensors. ..........................................28

Abbildung 7: Beispiel eines Nanosensors. ..........................................29

Abbildung 8: Röhrenförmige, nanoporöse Membranfilter .................31

Abbildung 9: Illustration einer CNT-Membran .................................32

Abbildung 10: Trinkwasseraufbereitungsanlage zur Entfernung von Arsen ....................................................................32

Abbildung 11: Anwendungsbeispiele für die Trinkwasserauf- bereitung mit Nanofiltern..............................................35

Abbildung 12: Nanoskalige Pore in einer Doppellipid-Membran ........37

Abbildung 13: Entwicklung der SO2-Belastung in Deutschland ..........41

Abbildung 14: Überblick über die wichtigsten Emittenten in OECD-Ländern. ............................................................43

Abbildung 15: Schematische Darstellung des molekularen Aufbaus eines Cyclodextrins .......................................................49

Abbildung 16: Ein Raumluftfiltersystem mit nanoskaligem TiO2 für den Heimgebrauch ..................................................51

Abbildung 17: Hohlfasern mit nanoskaligen Poren zur Absorption von Gasen......................................................................52

Abbildung 18: Weltweites Ausmaß der Bodendegradation .................55

Abbildung 19: Hauptstoffgruppen der Bodenverschmutzung in ausgewählten Ländern Europas ....................................56

Abbildung 20: Spezieller Traktor zum Ausbringen nanoskopischer Fäden beim Elektrospinnen...........................................63

Abbildung 21: Wirkweise eines nanoskaligen Superabsorbers ............64

Abbildung 22: Wasseraufnahmefähigkeit eines nanoskaligen Baustoffes......................................................................64

Abbildung 23: Erzeugung eines nanoskaligen MIPs zur sepzifischen Detektion eines Schadstoffes ........................................66

Abbildung 24: Minimale und maximale Stromgestehungskosten .......71


Abbildung 25: Ansatzpunkte für die Einsparung von Energie............. 74

Abbildung 26: Verschieden große Cadmiumselenid-Quantenpunkte . 75

Abbildung 27: Beispiel für die Isolationsfähigkeit eines Aerogels ...... 78

Abbildung 28: Verschiedene Bereiche der Energiewandlung.............. 79

Abbildung 29: Verschiedene Formen der Energiespeicherung ............ 88

Abbildung 30: Schematischer Aufbau eines CNT-basierten elektrochemischen Kondensators ................................. 90

Abbildung 31: Elektronenmikroskopische Aufnahme eines TiO2- Nanoröhren-Arrays....................................................... 91

Abbildung 32: Eine Bibliothek bei Paris mit transluzenten Aerogel- Fassadenelemente ......................................................... 92

Abbildung 33: Dekoratives Farbstoffsolarzellen-Modul mit nanokristallinem TiO2 .................................................. 93

Abbildung 34: Tropfen auf einer nanostrukturierten Oberfläche; steuerbar durch externe Stimuli.................................... 94

Abbildung 35: Hybridauto, das mit Li-Ionen Batterie fahren kann...... 95

Abbildung 36: Weltweit in 2005 installierte Leistung von Photovoltaiksystemen................................................. 100

Abbildung 37: Schallabsorptionskoeffizient in Abhängigkeit von der Frequenz. .............................................................. 104

Abbildung 38: Das Konzept der Eco-Efficiency ................................ 106

Abbildung 39: Neugestaltung von Produkten..................................... 109

Abbildung 40: Durethan-Folie mit eingebetteten nanoskaligem Schichtsilikat-Partikeln............................................... 110

Abbildung 41: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Lotus Blattes . ............................................................. 111

Abbildung 42: Wasser- und schmutzabweisende Beschichtung einer Solarzelle ................................................................... 113

Abbildung 43: Kühlrippen eines Raumklimagerätes mit nanoskaliger Anti-Haft-Beschichtung................................ 114

Abbildung 44: Nanostrukturierte Oberfläche eines Fassaden- anstrichs und Wassertropfen....................................... 115

Abbildung 45: Schema eines Nano-basierten Klebers mit Ferrit- Partikeln...................................................................... 116

Abbildung 46 : Selbst organisierte molekulare Monolayer als „Nanoglue“ ................................................................ 117

Abbildung 47: Entwicklung des Marktwachstums für Produktlebenszyklusmanagement-Systeme ............... 119

Abbildung 48: Mögliche Expositionswege von Nanopartikeln und Kohlenstoffnanoröhren............................................... 123

179

Abbildung 49: Schwebstaub unterschiedlicher Größe im Bereich der Atemwege ..................................................................124

Abbildung 50: Makrophagen nehmen ultrafeine Partikel nur in begrenztem Maße auf..................................................125

Abbildung 51: Anzahl an Nanotechnologie-Patenten in den Jahren 1992 bis 2004 ..............................................................135

Abbildung 52: Anzahl an Nanotechnologie-Veröffentlichungen in den Jahren 1990 bis 2006............................................136

Abbildung 53: Anzahl an Nanotechnologie-Patenten ........................137

Abbildung 54: Länderverteilung der Nanotechnologie-Patente..........138

Abbildung 55: Anzahl an Nanotechnologie-Publikationen ...............138

Abbildung 56: Länderverteilung der Nanotechnologie- Publikationen .............................................................139

Tabelle 1: Überblick über die wichtigsten Luftschadstoffe ..........42

Tabelle 2: Aufteilung der Energieeinsparpotenziale auf verschiedene industrielle Anwendungen .....................69

Tabelle 3: Primärenergieverbrauch in Deutschland nach Energieträgern ..............................................................70

Tabelle 4: Belästigung der Bevölkerung durch Lärm in Deutschland in Prozent. ..............................................101

Tabelle 5: Auswahl deutscher Firmen (Nanotechnologie und Umwelt) ......................................................................143

Tabelle 6: Kleine Auswahl an Firmen im Umweltbereich...........145

Tabelle 7: Auswahl wissenschaftlicher Akteure in Deutschland mit Nano- und Umweltbezug......................................147

Tabelle 8: BMBF-Projekte zu den beschriebenen Problem- feldern mit Nano-Bezug..............................................150

Tabelle 9: Eine Auswahl an BMWi-Projekten zu den beschriebenen Problemfeldern mit Nano-Bezug. .......158

Tabelle 10: Geförderte Forschungsvorhaben des Umwelt Bundes Amt (UBA). ...................................................160

Tabelle 11: Sonderforschungsbereiche (SFB): ..............................161

Tabelle 12: Schwerpunktprogramme (SSP) ..................................161

Tabelle 13: Graduiertenkollegs (GK) ............................................161

Tabelle 14: EU-geförderte Projekte zum Themenbereich Nanotechnologie und Umwelt ....................................162

Tabelle 15: US Förderprojekte verschiedener Behörden zu Nanotechnologie und Umwelt. ...................................168

Anhang


Glossar und Abkürzungsverzeichnis

IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change; stellt die weltweit höchste Autorität zu klimawissenschaftlichen Fragen dar. Renommierte Wissenschaftler werden von den einzelnen Staaten benannt und erarbeiten Berichte, die in einem mehrstufigen Begutachtungs-Prozess unter Einbezug von Wissenschaft und Politik diskutiert werden.

Nachhaltigkeit Eine Entwicklung, die den Bedürfnissen der Gegenwart gerecht wird, ohne die Befriedigung der Bedürfnisse künftiger Generationen zu beeinträchtigen.

Nanotechnologie Nanotechnologie beschreibt die Herstel-lung, Untersuchung und Anwendung von Strukturen, molekularen Materialien, inneren Grenz- und Oberflächen mit mindestens einer kritischen Dimension oder mit Fertigungstoleranzen (typischerweise) unterhalb von 100 Nanometern. Ent-scheidend ist dabei, dass allein aus der Nanoskaligkeit der Systemkomponenten neue Funktionalitäten und Eigenschaften zur Verbesserung bestehender oder Ent-wicklung neuer Produkte und Anwen-dungsoptionen resultieren. Diese neuen Effekte und Möglichkeiten sind über-wiegend im Verhältnis von Oberflächen- zu Volumenatomen und im quanten-mechanischen Verhalten der Materie-bausteine begründet.

Fulleren (engl. buckyball) Dritte Modifikation des Kohlenstoff neben Graphit und Diamant. Fullerene haben die allgemeine Formel C2n und bestehen aus dreifach koordinierten Kohlenstoffatomen. Das am besten untersuchte Fulleren ist C60,das analog dem Fußball aus Fünf- und Sechsecken aufgebaut ist. Für dessen Entdeckung erhielt Kroto et al. 1985 den Nobelpreis. In den Hohlraum von Fullerenen können weitere Substanzen eingeschlossen werden und auch die Addition verschiedener Verbindungen an die Oberfläche sind berichtet worden.

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Lotuseffekt Phänomen, das die Unbenetzbarkeit biolo-gischer Oberflächen beschreibt, welche bei der Lotuspflanze entdeckt wurde: Feine Wachskristalle auf der Blattoberfläche resultieren in einer minimalen Kontak-tfläche für Wasser, welches in der Folge abperlt und Staubteilchen wegspült. Heute wird der Begriff allgemein für den Selbstreinigungseffekt aufgrund rauer Oberfläche verwendet.

MIP Molecularly imprinted polymers: molekular geprägte Polymere. Methode zur Her-stellung von Polymeren mit hoher Selektivität zur Erkennung bestimmter Moleküle.

CNT Carbon Nanotubes: Kohlenstoffnanoröhren.

SWNT Single-Wall Carbon Nanotubes: einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren mit einem Durch-messer von circa 1 nm und mehreren Mikrometern Länge.

MWNT Multi-Wall Carbon Nanotubes: mehr-wandige Kohlenstoff-Nanoröhren.

Tribologie Wissenschaft, die sich mit Reibung, Verschleiß und Schmierung sowie der Entwicklung von Technologien zur Opti-mierung von Reibungsvorgängen befasst (griech.: „Reibungslehre“).

LED Die Abkürzung steht für “light emitting diode” Leuchtdiode. Es handelt sich hierbei um ein elektronisches Halbleiter-Bauteil, das beim Durchfließen von Strom Licht abstrahlt.

OLED “Organic light emitting diode”- organische Leuchtdiode. Ein organisches halbleitendes Material, das auf einem analogen Prinzip funktioniert wie die Leuchtdiode.

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