Neuland

Nanopelz im Kampf gegen die Ölpest

Wie Hendrik Hölscher und Matthias Worgull die Meere säubern möchten.

Der Name Exxon Valdez steht noch heute, 25 Jahre nach dem Öltankerunglück vor Alaska, für eine der größten Umweltkatastrophen der Seefahrtsgeschichte. Nachdem das Schiff auf ein Riff auflief, flossen 37.000 Tonnen Rohöl ins offene Meer, über 2000 Kilometer Küste wurden verseucht. Ölverschmutzungen auf offener See sind kein Einzelfall: Große Mengen an Rohöl oder Mineralöl laufen immer wieder aus havarierten Tankern, beschädigten Pipelines oder Ölplattformen ins Meer.

In aufwändigen technischen Großeinsätzen wird versucht, Ölteppiche zu beseitigen und Folgeschäden einzudämmen – diese Maßnahmen bergen jedoch oft die Gefahr einer zusätzlichen Umweltbelastung und sind bis heute wenig effektiv. Wissenschaftler des KIT haben eine Möglichkeit gefunden, die Meere schnell und sauber vom Öl zu befreien. Dafür haben sie sich einen Trick aus der Natur abgeschaut.

Die Salvinia, ein unscheinbarer tropischer Schwimmfarn, verfügt über eine erstaunliche Eigenschaft: Die Pflanze kann unter Wasser völlig trocken bleiben. Möglich ist das durch Mikrohärchen, die einen dünnen Luftfilm um das gesamte Blatt bilden. Dieser Salvinia®-Effekt wurde vom bekannten Bionik-Experten Professor Wilhelm Barthlott entdeckt und zusammen mit dem Karlsruher Professor Thomas Schimmel untersucht.

Die KIT-Forscher Hendrik Hölscher und Matthias Worgull ließen sich vom Salvinia®-Effekt inspirieren und begannen 2012 in ihren Arbeitsgruppen mit Experimenten, um die winzigen Härchen der Pflanze mithilfe der Mikrostrukturtechnik nachzubauen. Ein Zufall im Labor führte zu einer etwas anderen Anordnung von Härchen und Kratern – die im Gegensatz zur Salvinia-Pflanze nicht nur Wasser abhält, sondern zusätzlich Öl besonders gut aufsaugt. „Folien mit einer solchen Oberflächenstruktur nennen wir Nanopelz. In ein Öl-Wasser-Gemisch getaucht, entfernt er die Ölanteile schnell und ohne Umweltbelastung“, erklärt der Physiker Hölscher.

„Innovationen entstehen manchmal auf Umwegen. Wir haben den Nutzen unserer Nanostruktur entdeckt, als wir eigentlich nach etwas anderem forschten.“

Hendrik Hölscher und Matthias Worgull

Zur Beseitigung eines Ölteppichs werden momentan unterschiedliche Verfahren eingesetzt: Das Verbrennen des Öls sowie die Beschleunigung der natürlichen Zersetzung durch die Zugabe von Dispergiermitteln ziehen eine bedenkliche Umweltbelastung und Gesundheitsrisiken nach sich. Daher wird der Ölteppich nach Möglichkeit abgeschöpft. Dabei werden natürliche Materialien zur Trennung der Öl-Wasser-Emulsion eingesetzt, zum Beispiel Sägespäne. Diese nehmen jedoch mehr Wasser als Öl auf und sind damit nicht effektiv genug. Alternative, kommerziell erhältliche Materialien, wie zum Beispiel Schäume oder Polypropylen-Matten, nehmen zwar in hohem Maße Öl auf, sind jedoch entweder leicht entflammbar, instabil oder halten das Öl nicht lange genug zurück.

Der Nanopelz weist all diese Nachteile nicht auf und lässt sich dazu relativ einfach herstellen, so Hölscher: „Um eine Kunststofffolie entsprechend zu prägen, wird ein Formeinsatz, sozusagen ein Stempel, produziert. Dafür wird eine Stahlplatte zur Erzeugung winziger Krater auf Nanometerskala sandgestrahlt. In den Formeinsatz wird eine Polymerfolie eingelegt, die Stahlform wird erhitzt. Nimmt man diese im noch erhitzten Zustand ab, zieht der warme Kunststoff Fäden, ähnlich wie Käse auf einer Pizza. So entsteht die benötigte unregelmäßige Haarstruktur.“

Noch ist der Prototyp des Nanopelzes zu klein für einen Einsatz auf hoher See, Hölscher und Worgull arbeiten jedoch auf eine großtechnische Fertigung zu: „Nach unseren Testergebnissen würde sich eine Investition in den Nanopelz sowohl für Unternehmen als auch für die Umwelt lohnen.“