Blaualgen geh\u00f6ren zu den \u00e4ltesten Lebewesen dieser Erde und haben die Nutzung von Sonnenlicht \u00fcber Milliarden Jahre perfektioniert. Materialforschende der Empa haben die gen\u00fcgsamen Einzeller nun mittels Halbleiter-Beschichtung zu Mini-Kraftwerken ausger\u00fcstet, die Biokraftstoffe liefern und im Sonnenlicht photokatalytisch aktiv werden. Und obendrein f\u00fcgen sich die Reaktionen zu einem raffinierten Rohstoffkreislauf zusammen.<\/p>\n
Sie tummelten sich bereits vor \u00fcber 2 Milliarden Jahren in der \u00abUrsuppe\u00bb unseres Planeten und helfen seither, die Atmosph\u00e4re mit Sauerstoff anzureichern. Heutzutage leben Blaualgen praktisch \u00fcberall – in Gew\u00e4ssern, auf der Rinde von B\u00e4umen oder an unwirtlichen Berggipfeln. Sie haben die effiziente Nutzung von Sonnenlicht zur Photosynthese derart perfektioniert, dass sie sogar in d\u00fcsteren Grotten \u00fcberleben k\u00f6nnen. Empa-Forschende um Laetita Philippe vom \u00abMechanics of Materials and Nanostructures\u00bb-Labor in Thun haben die gen\u00fcgsamen Blaualgen der Gattung Spirulina nun mit der Technologie des \u00abBiotemplating\u00bb so beschichtet, dass sie zur Produktion von Biokraftstoffen eingesetzt werden k\u00f6nnen und photokatalytisch wirken.
\nVollendete Architektur
\nF\u00fcr einen besonders effizienten und gleichzeitig nachhaltigen Prozess wurde das Verfahren des \u00abBiotemplating\u00bb genutzt, bei dem eine von der Natur vorgegebene Architektur als Schablone dient, um neue Oberfl\u00e4chenbeschichtungen anzubringen. Die Blaualge Spirulina, deren Form an einen winzigen Tauchsieder erinnert, eignete sich daf\u00fcr besonders, da ihre kompakte Wendel-Struktur zur effizienten Nutzung des Sonnenlichts beitr\u00e4gt.<\/p>\n
Die Forschenden beschichteten die rund vier Mikrometer d\u00fcnnen geschraubten Schn\u00fcre der konservierten Spirulina-Einzeller zun\u00e4chst mit einer feinen H\u00fclle aus Nickel. Einer Zwiebelschale gleich folgten darauf zarte Schichten aus Zinkoxid und Zinksulfid-Nanopartikeln. \u00abW\u00e4hrend die Blaualgen als Strukturgeber fungieren, sorgt die magnetische Nickelbeschichtung f\u00fcr eine einfache M\u00f6glichkeit, die kleinen Allesk\u00f6nner wieder zur\u00fcckzugewinnen\u00bb, sagt Laetitia Philippe. Die dar\u00fcber aufgetragene Beschichtung mit Zinkverbindungen weist eine beeindruckende photokatalytische Aktivit\u00e4t auf. Einerseits f\u00fchrt die Kombination zweier Zinkverbindungen zu einer l\u00e4ngeren Leistungsf\u00e4higkeit der Photokatalyse-Reaktion.<\/p>\n
Zum anderen kann so aber auch ein gr\u00f6sserer Wellenl\u00e4ngenbereich des Sonnenlichtspektrums genutzt werden. \u00abMit Zinkoxid l\u00e4sst sich lediglich die UV-Strahlung des Sonnenlichts f\u00fcr Reinigungsprozesse nutzen\u00bb, erkl\u00e4rt Empa-Forscher Albert Serr\u00e1. \u00abMit der photokatalytischen Aktivit\u00e4t der beschichteten Algen sollte ein nachhaltiger, einfacher und g\u00fcnstiger Prozess f\u00fcr die Wasseraufbereitung genutzt werden k\u00f6nnen\u00bb, erkl\u00e4rt Laetitia Philippe. Seit 2015 geh\u00f6rt die Verf\u00fcgbarkeit und nachhaltige Bewirtschaftung von Wasser f\u00fcr alle Menschen zur Globalen Nachhaltigkeitsagenda der Vereinten Nationen (UN). Entsprechend dieser Zielvorgabe suchte die Forscherin mit ihrem Team nach einer Technologie, die sauberes Wasser weltweit und auf der Grundlage von bestehenden Anlagen produzieren k\u00f6nnte. Hierbei sollte das Wasser vor allem von Mikroplastik und persistenten organischen Schadstoffen befreit werden, die herk\u00f6mmliche Aufbereitungssysteme nicht entfernen. Die Forschenden entwickelten daher einen Prozess auf der Basis von Photokatalyse mittels Zinkoxid und Zinksulfid, einer chemischen Reaktion, die unter Lichteinwirkung Schadstoffe oxidiert und neutralisiert. Die Kombination mit Zinksulfid-Nanopartikeln erm\u00f6gliche es nun aber auch Bereiche des sichtbaren Lichts als Energiequelle anzuzapfen.<\/p>\n
ntwickelt haben die Forschenden diese photokatalytische Oberfl\u00e4chenbeschichtung zun\u00e4chst anhand anderen Strukturen, die an mikroskopische W\u00e4lder aus Farngew\u00e4chsen erinnern. \u00abDie Farn-Architektur ist eine weitere M\u00f6glichkeit, Lichtenergie m\u00f6glichst effizient zu absorbieren\u00bb, sagt Serr\u00e1. Bei Laborexperimenten mit den k\u00fcnstlich hergestellten, ver\u00e4stelten Mikro- und Nanofarnen aus verschiedenen chemischen Verbindungen stellte sich die Zwiebelschicht-Struktur aus Zinkoxid, Zinksulfid und Nickel als besonders effizient heraus. Mit dem Biotemplating-Verfahren von Blaualgen sollte dar\u00fcber hinaus die Beschattung durch einzelne Ver\u00e4stelungen innerhalb der Mikrofarne vermieden werden, womit die Lichtabsorption zus\u00e4tzlich gesteigert werden konnte.<\/p>\n
Ein weiterer Vorteil: Die Blaualgen produzieren sich quasi von selbst. Mit Wasser, Licht und D\u00fcnger wachsen die Einzeller mit rasanter Geschwindigkeit zu grossen Mengen heran. Und sie verbrauchen dabei nicht nur Kohlendioxid aus der Umwelt und stossen wertvollen Sauerstoff als \u00abAbgas\u00bb aus \u2013 durch das Einleiten von zus\u00e4tzlichem Kohlendioxid in die Blaualgenkultur l\u00e4sst sich die CO2-Bilanz der Methode noch obendrein verbessern.
\nRaffinierter Rohstoff-Kreislauf
\nNachdem die winzigen Tauchsieder ihre Arbeit aufgenommen und Schadstoffe im Abwasser zu leicht abbaubaren Produkten abgebaut haben, ist ihre Aufgabe aber l\u00e4ngst nicht getan. W\u00e4hrend sich die Zink- und Nickelverbindungen zur\u00fcckgewinnen und wiederverwenden lassen, bleiben die konservierten Spirulina-Strukturen als Mini-Kraftwerke \u00fcbrig. \u00abAus der Biomasse k\u00f6nnen Biokraftstoffe hergestellt werden\u00bb, so Laetitia Philippe. Neben Bioethanol und Biodiesel lassen sich die Spirulina-R\u00fcckst\u00e4nde aber auch zur Energiegewinnung als Pellets pressen und verbrennen. Und die zur\u00fcckbleibende Asche ist schliesslich als D\u00fcnger f\u00fcr die Anzucht neuer Blaualgen einsetzbar. Der raffinierte Rohstoffkreislauf konnte nun mittels Laborexperimenten bewiesen werden. Doch auf f\u00fcr den Einsatz der vielseitigen Einzeller in gr\u00f6sserem Massstab ist Laetitia Philippe zuversichtlich.
\n“Das Dreckige Dutzend”
\nUnter dem Begriff \u00abDas Dreckige Dutzend\u00bb sind die zw\u00f6lf urspr\u00fcnglichen Giftstoffe versammelt, die durch die sogenannte POP-Konvention der Vereinten Nationen seit 2001 weltweit verboten sind. Unter den Chemikalien befinden sich Pflanzenschutzmittel und Insektizide wie etwa DDT, Industriechemikalien und Nebenprodukte von Verbrennungsprozessen. Es handelt sich um persistente organische Schadstoffe (englisch: persistent organic pollutants), die sich in der Umwelt und in Lebewesen, und somit auch in der Nahrungskette, anreichern. Sie stehen im Verdacht, Krebs auszul\u00f6sen, den Hormonhaushalt und das Erbgut zu sch\u00e4digen. Bei der herk\u00f6mmlichen Wasseraufbereitung lassen sich die Schadstoffe kaum abbauen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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