Nachhaltigkeitsforschung
„Wir müssen kollaborativ denken und Wissen teilen“
Stephan Roth leitet die Messstation P03 am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY. Bild: DESY
Der Helmholtz-Nachhaltigkeitsgipfel dreht sich um die Themen „Forschen für Nachhaltigkeit“ und „Nachhaltigkeit in der Forschung“. Das Projekt, an dem DESY-Forscher Stephan Roth beteiligt ist, spielt dabei eine wichtige Rolle.
„Nachhaltigkeit in der Forschung“ – was genau bedeutet das für Sie?
Unsere Forschung ist ein gutes Beispiel, das zeigt, in welche Richtung es gehen kann. Als Forscher trägt man immer auch eine gesellschaftliche Verantwortung. Ich sollte mich immer fragen: Nutzt mein Ergebnis der Gesellschaft? Man kann bei Grundlagenforschung allerdings nicht a priori die Frage beantworten, wofür ich das verwenden kann. Und das schönste Forschungsergebnis nützt nichts, wenn ich es nicht veröffentliche und zwar so, dass es möglichst viele mitbekommen. Also Open Access.
Nachhaltigkeit bedeutet für mich persönlich auch, dass ich das Wissen auch in die Gesellschaft trage und zum Beispiel in die Schulen gehe. Nehmen Sie die COVID-19-Forschung: Da geht es nicht nur um die Suche nach einem Medikament, da geht es von der Materialwissenschaft über die Pharmazeutik bis hin zur Sozialpsychologie um ganz viele Bereiche. Wir müssen kollaborativ denken. Aus anderen Forschungsrichtungen. Nachhaltig.
Zellulosefaden unter dem Rasterelektronenmikroskop. Bild: Nitesh Mittal, KTH Stockholm
Sie haben Biomaterialien aus Zellulose mitentwickelt, die stärker als Stahl und zugfester als Spinnenseide sind und Kunststoff ersetzen können. Wie sind Sie darauf gekommen?
Seit 2012 beschäftigen wir uns zusammen mit der Königlichen Technischen Hochschule (KTH) in Stockholm mit der Frage, wie sich die Baustoffe der Zellulosefasern, die Zellulosenanofibrillen, auf der Nanoebene anordnen. Und vor allem: Wie wir sie anordnen können, um extrem feste Fasern zu bekommen. Diese Fibrillen sind nur drei bis fünf Nanometer im Durchmesser und 700 Nanometer bis ein, zwei Mikrometer lang. Die Zellulose-Nanoteilchen lassen sich perfekt in Wasser lösen. Durch ein Sprühverfahren lassen sich auch große Flächen homogen beschichten.
Wofür lässt sich das verwenden?
Die Idee ist, die Zellulose-Nanofibrillen in dünnen Schichten herzustellen, aufzusprühen, 200 Nanometer oder vielleicht einen Mikrometer. Stellen Sie sich diese Fibrillen wie Spaghetti vor, die sie übereinanderlegen. Die Hohlräume zwischen diesen Fibrillen können wir mit einem funktionalen Material füllen – etwa einem leitfähigen Polymer. So können wir dieses Nanopapier etwa in eine Solarzelle einbauen oder daraus nachhaltige Elektronik machen.
Da kommt dann also doch ein Polymer in Spiel – aber man braucht weniger davon?
Genau. Dieses Weniger ist unser Ziel, wir wollen einen Teil der synthetischen Polymere durch Zellulose ersetzen. Das Faszinierende: Wir haben eine Methode, mit der wir großflächig und kontrolliert auftragen können. Wir können sogar die Oberflächeneigenschaften einstellen: Wie gut dringt Wasser ein oder wie gut wird es abgestoßen? Wir können unser Material mit diesen funktionalen Polymeren verbinden, wie sie für Plastiksolarzellen verwendet werden.
"Unser Ziel: Kunststoffe durch nachhaltige Materialien zu ersetzen"
Flexible Elektronik und flexible Solarzellen sind nur ein Bereich, an dem Sie im Moment arbeiten…
Der andere Bereich betrifft Lignin, einen Abfallstoff aus der Papierherstellung, der bislang fast komplett verbrannt wird. Einer der Doktoranden der KTH, Marcus Jawerth, hat es geschafft, dass durch Fraktionierung mit Lösungsmitteln zwei Drittel wiederverwertet werden können. Denn aus diesem Lignin können Sie Thermoplasten herstellen, also Kunststoff. Diesen Kunststoffersatz aus Lignin können wir sogar tunen, indem wir etwa bestimmen, ob er bei 40 oder bei 95 Grad Celsius verformbar sein soll. Sie können damit dieselbe Chemie machen wie mit synthetischen Polymeren. Das ist ein erster riesengroßer Schritt: Ersatz von Kunststoffen durch nachhaltige Materialien. Das kann nachhaltiger sein, als bioabbaubare synthetische Polymere herzustellen.
Ich kann also sowohl aus den Nano-Zellulosefasern Plastik ersetzen als auch mit dem Lignin?
Ja, wobei das Lignin wirklich in Polyester transformiert wird und ich es wie andere Kunststoffe weiterverarbeiten kann. Die Zellulose-Nanofibrillen bleiben dagegen Zellulose-Nanofibrillen. Entscheidend ist das Netzwerk ihrer Hohlräume, in die ich die gewünschten Funktionalitäten einbauen kann.
Lignin gibt es als Abfallprodukt wahrscheinlich billig und in rauen Mengen. Stehen Sie bei der Zellulose in Konkurrenz zur Papierherstellung?
Der Papierabsatz sinkt. Schweden, wo mehr Bäume gepflanzt als abgeholzt werden, hat darum schon vor zehn Jahren begonnen, neue Anwendungsfelder zu suchen. Wir würden die Materialströme also umleiten. Vielleicht lässt sich auch Recyclingpapier verwenden. Unsere Vision ist: Ich baue meine Solarzelle mit wasserlöslichen Lösungsmitteln durch Aufsprühen – und nach Ende der Lebensdauer kann ich sie wieder recyceln. So kann ich in einen fast geschlossenen Kreislauf kommen, wenn ich die einzelnen Polymere, die Elektroden und die Zellulose durch Siebe oder Membrane abfangen und wieder der Verwendung zuführen kann.
Prinzip der hydrodynamischen Fokussierung: Die in Wasser schwimmenden Nano-Fasern werden durch seitliche Wasserstrahlen beschleunigt und richten sich dadurch entlang der Fließrichtung aus, um sich schließlich zu einem gemeinsamen festen Faden zu verhaken. Illustration: DESY/Eberhard Reimann
In einer DESY-Pressemitteilung heißt es, dass man ganze Holzhäuser mit Ihrer Zellulose aus dem 3D-Drucker herstellen könnte…
Genau. Das ist der Schritt Richtung Hochleistungswerkstoffe. Sie können das Holz leitfähig machen, feuerfest, durchsichtig… So wie es 3D-Druck von Beton gibt, wollen wir mit Zellulose drucken. Dann können Sie sich Ihr Haus so formen wie Sie wollen und drucken sich alles aus einem Guss, inklusive des Mobiliars. Es ist vielleicht eine ferne Vision und noch einiges an Forschung notwendig. Aber ich denke, das sollte man probieren. Die Teile funktionieren, teilweise weiß man noch nicht genau warum. Das heißt, Sie müssen die Mikro-Nanostruktur auflösen. Das machen wir hier auch schon.
Also die Frage klären, wie die Fasern letztlich zusammenhalten?
Richtig, das ist ganz genau der Punkt. Dazu müssen Sie auf der molekularen Ebene zwischen zwei Fasern schauen. Dafür haben wir DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III verwendet. Inzwischen entwickeln wir ein Konzept für PETRA IV. Da können wir genau solche kleinen, ganz feinen Röntgenstrahlen erzeugen, mit denen wir an der Grenzfläche zwischen zwei Fasern schauen können. Was passiert da, wie verbinden sie sich? Direkt an einer Fibrille hat noch niemand geschaut. Das ist das Spannende.
In der schon zitierten Pressemitteilung heißt es, Nanofasern haften aneinander durch supramolekulare Kräfte wie elektrostatische oder Van-der-Waals-Kräfte, die auch einen Gecko an der Wand halten…
Richtig. Das sind die Wechselwirkungen, die dabei eine Rolle spielen. Sie machen aus den Zellulose-Nanofibrillen die große Faser. Aber genau wo sie sich berühren, hat noch niemand hinschauen können. Was passiert da eigentlich? Was passiert mit dem Wasser? Wenn Sie einen Wassertropfen auf Papier geben, wohin geht das Wasser auf der Nanoebene? Dazu brauchen wir noch mehr Messergebnisse.
Welche Rolle spielt die Biomedizin bei den Anwendungsbereichen?
Eine sehr große. Sie können verdaubare Zellulose zu einem dünnen Film mit Hohlräumen aufsprühen. Dann bringen Sie in die Hohlräume Ihren Wirkstoff ein, zum Beispiel wieder durch Sprühen. Sie können es so dosieren, dass nur sehr wenige Wirkmoleküle in die Hohlräume gelangen. Das heißt, Sie können die Dosierung auf eine Fläche berechnen. Das Sprühen ist eine weltweit bekannte, bewährte Methode, die Düsen sind dieselben wie etwa in der Nahrungsmittelindustrie oder der Pharmazeutik. Wenn Sie das mit sauberem Wasser machen, ist es nachhaltig. Sie erhalten ein festes, funktionelles Papier.
…aus dem der Wirkstoff in den Körper übergeht, während sich die Zellulose danach wieder zersetzt?
Genau. Und Sie können entscheiden, wo sie sich zersetzen soll. Ob sie das im Rachenbereich haben wollen oder im Körper selber. Diese Forschungen werden wir als Open Access veröffentlichen. Auch das ist im Sinne der Nachhaltigkeit, weil jeder darauf zugreifen kann.
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