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Zeitfragen | Beitrag vom 14.10.2021

Hightech fürs vermüllte Wasser?Roboter bauen Mikroplastik ab

Von Lutz Reidt

Illustration: Plastiktragetaschen schwimmen wie Fischschwärme im Ozean. (imago / Ikon Images / Andy Bridge)
Der Mensch hat den Plastikmüll in die Ozeane gebracht, Forschende wie Mohsen Beladi-Mousavi arbeiten daran, dass er dort wieder verschwindet. (imago / Ikon Images / Andy Bridge)

Die Meere sind voll mit Mikroplastik. Die Frage ist, kann man diesen Müll dort auch wieder rausbekommen. Ein Chemiker hat jetzt mit mikrobengroßen Robotern für Staunen gesorgt. Könnte diese Hightech bei der Reinigung des Wassers helfen?

Sie sind kaum größer als eine Bakterienzelle und schwimmen mit der Kraft der Sonne und etwas Treibstoff an Bord durch ein Labyrinth kleiner Kanäle – immer auf der Jagd nach winzigen Plastikpartikeln im Wasser. Sobald die mikrobengroßen Roboter ein Stückchen Mikroplastik entdeckt haben, fangen sie an, daran zu nagen. 

Das klingt nach Science-Fiction – ist aber Realität. Zumindest im Labor. Der Chemiker Mohsen Beladi-Mousavi hat diesen Ansatz an der Universität Prag entwickelt. Heute forscht er am Institut für Molekularwissenschaften der Universität Bordeaux.

"Wir bezeichnen sie als ´Roboter`, weil sie unter dem Einfluss des Sonnenlichtes sofort damit beginnen, sich aktiv zu bewegen. Sie bleiben also nicht einfach regungslos auf dem Wasser liegen, sondern heften sich an die Plastikpartikel, sobald sie welchen begegnen. Wir nutzen dabei den gleichen Effekt, den wir zum Beispiel auch bei vielen giftigen Substanzen wie Schwermetallen beobachten, die sich ebenfalls an die Oberfläche solcher Plastikpartikel heften."

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In der Fachwelt löst der Ansatz Erstaunen aus. Der Meeresbiologe Matthias Labrenz vom Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde findet die Idee "faszinierend", wie er sagt.

"Prinzipiell ist es so, dass diese Roboter wirklich sehr klein sind; also maximal acht Mikrometer groß. Das ist etwas größer als eine Bakterienzelle, normalerweise. Die ist so zwischen eins und zwei Mikrometer groß; der Hauptbestandteil ist sternförmig und besteht aus dem Halbleitermaterial Bismutvanadat; und dieses Bismutvanadat dient als Fotokatalysator. Das Ganze ist beschichtet mit Eisenoxid, das ist magnetisch und dieser Mikroroboter hat auch einen Treibstoff – und das ist Wasserstoffperoxid in einer sehr geringen Konzentration."

Jeder Kunststoff zersetzt sich anders

Bismutvanadat wirkt als Fotokatalysator und erzeugt mithilfe des Sonnenlichtes aggressive Verbindungen, die anfangen, das Plastik zu zerlegen. Dabei sind die Roboter unterschiedlich erfolgreich – je nachdem, welche Art von Kunststoff ihnen begegnet. Im besten Falle haben sie das Gewicht der Partikel in nur einer Woche um bis zu drei Prozent reduziert. Das klingt wenig, ist aber viel in so kurzer Zeit – verglichen mit Jahrzehnten bis Jahrhunderten, die dieser Abbau ohne den Einsatz der Technik sonst dauert. 

Besonders gut funktioniert sie bei Bio-Kunststoffen. Daran heften sich die Roboter stärker an und zerlegen sie schneller: Glatte Oberflächen wurden rauer, nach wenigen Tagen waren sogar schon winzige Löcher zu erkennen – so etwa bei Polylactiden. Diese Kunststoffe sind in Mulchfolien, Einweggeschirr oder Teebeuteln zu finden. Bei anderen Plastikarten funktioniere die Methode weniger gut, sagt Mohsen Beladi-Mousavi:

"Einige Kunststoffe haben zum Beispiel wasserabweisende Eigenschaften. Und es gibt eben chemische Verbindungen, die sind deutlich stabiler und komplexer als andere und lassen sich nicht so leicht aufbrechen."

Weniger effizient waren die Roboter etwa bei Polypropylen – einem weitverbreiteten Kunststoff in Verpackungen. Auch Polyethylen – das ist die Grundsubstanz der PET-Flaschen – zersetzt sich schlechter. Hier konnten die Roboter das Gewicht der Partikel nur um ein Prozent verringern:

"Genau. Und das ist der Grund, warum wir nach einem Fotokatalysator suchen, der noch effizienter dabei ist, chemische Verbindungen aufzubrechen. Das ist durchaus möglich, und das wird für uns der nächste Schritt sein."

Funktioniert die Methode in den Ozeanen?

Vom Laborexperiment in die Praxis ist es aber noch ein weiter Weg. Und gegen die Plastikmüllverseuchung der Ozeane dürfte die Methode wohl kaum zum Einsatz kommen. Da Licht die Nanoroboter steuert, könnten sie im Meer nur in der oberen Wasserschicht aktiv werden. Und es gebe ein weiteres Problem, sagt Matthias Labrenz vom Leibniz-Institut für Ostesseforschung.

"Im Wasser, im marinen Milieu sind die Mikroplastikpartikel in der Regel von Biofilm umgeben und nicht identifizierbar; wie jeder natürliche Partikel vom Biofilm umgeben ist; und so ein Roboter würde diese Mikroplastikpartikel praktisch nicht finden. Das ist der große Unterschied zwischen dem ´Proof of Principle` hier – also geht so etwas prinzipiell? Und das ist faszinierend, keine Frage! Und einer tatsächlichen Anwendung im Ökosystem."

Eine Meeresschildkröte schwimmt zwischen Plastikmüll umher. (imago / Ardea / Paulo de Oliveira)Um Mikroplastik in den Ozeanen zu verhindern, darf Plastik erst gar nicht dorthin gelangen. (imago / Ardea / Paulo de Oliveira)
Mohsen Beladi-Mousavi sieht größere Chancen für seine Idee nicht in den Ozeanen, sondern zum Beispiel bei der Aufbereitung von Trinkwasser, in dem Mikroplastik auch schon nachzuweisen ist. Der Forscher will dazu testen, wie effizient optimierte Nanoroboter Mikroplastik aus dem Rohwasser entfernen. Da sie magnetisch sind, ließen sich die Roboter nach der Aufbereitung auch wieder aus dem Wasser entfernen. Doch noch gebe es Fragezeichen. 

"Ein möglicher unerwünschter Effekt, der mir persönlich Sorge bereitet, ist die Frage, ob die Roboter beim Zerkleinern von Mikroplastik nicht noch kleinere Partikel erzeugen, und zwar Nanoplastik, das dann vielleicht noch negativere Eigenschaften haben könnte. Wir brauchen also einen Prozess, der das Mikroplastik derart in seine Bestandteile zerlegt, dass sie entweder harmlos sind. Oder – und das favorisiere ich persönlich – wir kreieren dabei Moleküle, die wir danach wieder einsammeln und wiederverwenden können."

Der Weg zum plastikfreien Wasser ist also noch weit. Umso wichtiger wäre es, so wenig Kunststoffe wie möglich in die Umwelt zu entlassen.

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