Problemlöser Nanotechnologie

Eine Antwort auf große Herausforderungen

solar energyNachhaltige Energieversorgung. Die schwindenden Gas- und Ölvorräte sowie die anhaltende Debatte um den Ausstieg aus der Kernenergie werfen vor dem Hintergrund eines weltweit steigenden Energiebedarfs Fragen nach geeigneten Alternativen in der Energieversorgung auf. Die nachhaltige Produktion bzw. die geeignete Wandlung von Energie ist eine der größten technischen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Innovationen für eine nachhaltige Energiezukunft sind gefragt. Nur wenn verstärkt regenerative Energiequellen wie Sonne oder Wind genutzt werden, kann eine klimaschonende Energieversorgung sichergestellt werden. Ein maßgeblicher Motor hierbei ist die Nanotechnologie. Mit ihr lassen sich beispielsweise Materialien und der Aufbau von Solarzellen so verbessern, dass die Zellen deutlich billiger herstellbar sind und mehr Sonnenlicht zur Stromgewinnung nutzen können. Dies sind Eigenschaften, die für den wirtschaftlichen Durchbruch der Photovoltaik entscheidend sind. Der Nanotechnologie wird außerdem zugetraut, die Leistungsfähigkeit von Energiespeichern – etwa Lithium-Ionen-Batterien für Elektro- und Hybridfahrzeuge oder Wasserstoffspeicher – deutlich zu steigern. Schließlich kann sie auch helfen, unseren Energieverbrauch deutlich zu senken – beispielsweise mittels optimierter Dämmmaterialien, die einen unnötigen Wärme- bzw. Energieverlust verhindern. Und dies sind nur einige Beispiele dafür, wie Nanotechnologie zur Lösung der Energieproblematik beitragen kann.

Wasserbewegung shutterstockSauberes Wasser und saubere Umwelt. Neben der nachhaltigen Energieversorgung gibt es eine zweite globale Herausforderung, die es immer häufiger in die Schlagzeilen schafft: sauberes Wasser. Nach Schätzungen der Vereinten Nationen haben derzeit über eine Milliarde Menschen in Entwicklungs- und Schwellenländern keinen ausreichenden Zugang zu sauberem Wasser. In den Industrieländern gefährden hauptsächlich Arzneimittelrückstände oder Pestizide die Trinkwasserqualität. Abhilfe verspricht auch hier die Nanotechnologie: Mittels nanotechnologisch optimierter Filter, lässt sich Wasser beispielsweise gezielt von Chemikalien oder von Krankheitserregern befreien. Die Filter sollen dabei besonders haltbar sein und große Mengen Wasser in kurzer Zeit reinigen können. Außerdem kommen nano-optimierte Sensoren bei Qualitätskontrollen in Wasseraufbereitungsanlagen zum Einsatz. Sie vereinfachen und beschleunigen die Überwachung und Analyse der Wasserqualität und sorgen damit für effizientere und kostengünstigere Prozessabläufe. Darüber hinaus eröffnet die Nanotechnologie auch neue Möglichkeiten, Luft und Boden kostengünstig rein zu halten: Entsprechend optimierte Katalysatoren könnten dafür sorgen, dass in der chemischen Industrie weniger Abfallstoffe anfallen und nanostrukturierte Membranen, dass Luftschadstoffe effizienter abgetrennt werden.

DNALeistungsfähige und kostensparende Medizin. Bevölkerungswachstum in den Schwellenländern sowie die Veränderung der Alterspyramide und ihre Folgen für die Gesundheitssysteme in den Industrieländern stellen die Medizin vor anspruchsvolle Aufgaben. Bei ihrer Bewältigung wird die Nanotechnologie eine zunehmend wichtige Rolle spielen. Weltweit arbeiten Forscher an Nanopartikeln, die Medikamente durch den Körper transportieren und sich dann gezielt etwa an Bakterien oder an Krebszellen anhaften. Somit ließen sich Wirkstoffe an den Krankheitsherd bringen, ohne dass der Rest des Organismus zu sehr belastet wird. Neue Wege in der Krebstherapie ermöglichen auch magnetische Nanopartikel: Wenn sie, in den Tumor eingebracht, von einem elektromagnetischen Wechselfeld erwärmt werden, können sie Tumorzellen zerstören. Aber der Einsatz der Nanotechnologie in der Medizin wird sich auch im wörtlichen Sinne bezahlt machen: Sie lässt voluminöse und teure Analyse- und Diagnosetechnik auf Chipgröße schrumpfen und den Traum vom Universallabor in der Westentasche in greifbare Nähe rücken. Biochips werden vollautomatisch, schnell und kostengünstig Krankheitserreger oder Biomoleküle nachweisen, derer Ausschüttung beispielsweise typisch ist für Herz-Kreislauf-Erkrankungen oder andere Volkskrankheiten ist. Auch die Suche nach neuen Arzneistoffen wird sicherlich von solchen nanobiotechnologischen Systemen profitieren.

Skifahrer shutterstockMehr Leistung, mehr Spaß - Nanotechnologie in Sport und Freizeit. Nanotechnologie kann als echte Querschnittstechnologie nicht nur helfen, die großen Aufgaben in den Bereichen Energie, Umwelt und Medizin zu bewältigen. Auch im Sport- und Freizeitbereich ist sie bereits anzutreffen. So können Nanomaterialien im sportlichen Wettkampf entscheidende Vorteile bringen, Belastungen des Körpers verringern oder dem Sportler mehr Komfort und letztlich mehr Spaß bieten. Im Radsport etwa ist jedes Gramm Gewicht des Fahrradrahmens im Kampf um den Sieg entscheidend, so dass Profis und immer mehr ambitionierte Amateure auf sogenannte Carbonrahmen statt auf solche aus Aluminium setzen. Um diese Rahmen aus Kohlefaser-Kunststoff-Verbundmaterial noch schlagfester und haltbarer zu machen, verwenden manche Radhersteller inzwischen Kohlenstoff-Nanoröhrchen neben den herkömmlichen Kohlefasern. Solche Nanoröhrchen finden sich auch in Tennisschlägern, die seit einigen Jahren auf dem Markt sind. Sie dämpfen besonders effektiv die Kräfte, die beim Aufprall des Balles auftreten, und tragen so dazu bei, die Gelenke der Sportler zu schonen. Skifahrer, Wassersportler und Golfer gehören zu denen, die von nano-optimierten Beschichtungen profitieren können. So sind nanotechnologisch getunte Skiwachse abriebfester und haltbarer als etablierte Mischungen, weisen Wasser besser ab und lassen die Skier schneller gleiten. Ganz ähnlich erleichtern nanotechnologische Pflegemittel auch Booten das Gleiten durchs Wasser; manchmal ist die Außenhaut von Kajaks und anderen Bootsarten bereits von vornherein nanobeschichtet. Bei manchen Golfbällen sorgt eine dauerhafte wasserabweisende Nanobeschichtung dafür, dass man auch auf nassem Grün exakt „putten“ kann. Zusätzlich stabilisiert sie die Flugbahn bei weiten Schlägen. Durch Nanotechnologie erhalten auch Sportbekleidung und andere Textilien schmutzabweisende, selbstreinigende oder antibakterielle Eigenschaften. Einige Produkte schützen sogar vor UV-Strahlung oder geben Pflegestoffe an die Haut ab.

berwachungskamera Shutterstock 51476158Mehr Sicherheit - mit Nanotechnologie gegen Kriminalität. Experten schätzen, dass rund zehn Prozent aller Güter des Welthandels aus Fälschungen bestehen. Damit verbunden sind Gefahren für die Verbraucher und Schäden für Unternehmen in Milliardenhöhe. Im Kampf gegen Produktpiraten können beispielsweise fluoreszierende Nanopartikel helfen, die erst unter dem Licht einer UV- oder Infrarotlampe sichtbar werden. Mit ihnen lassen sich Produkte wirkungsvoll markieren und identifizieren. Eine ähnliche Funktion haben auch „Nano-Wasserzeichen“ und andere nanooptische Sicherheitsmerkmale.
Ein weiteres Einsatzgebiet der Nanotechnologie sind Sensoren, die als Metall- oder Sprengstoffdetektoren automatisch das Gepäck in Flughäfen überprüfen oder die Luft in öffentlichen Gebäuden laufend kontrollieren. Auch hoch sensible optische Sensoren, wie sie beispielsweise in Kameras zur Überwachung von See- und Flughäfen, Industrieanlagen oder öffentlichen Plätzen eingesetzt werden, beruhen auf Nanotechnologie. Sie sorgen dafür, dass Objekte auch bei schlechten Sichtverhältnissen und geringer Lichtintensität deutlich erkennbar sind.

 

Aktionsplanung Nanotechnologie 2015 der Bundesregierung
PDF Download (5,5 MB) >>

nanoDE-Report 2011 des BMBF
PDF Download (3,2 MB) >>

Nanotechnologie im Automobil
PDF Download (2 MB) >>

How nanotechnology works
Video >>

Nanotechnologie in der Medizintechnik:
BioMers Video >>
MagForce Video (German) >>