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Putzen mit der Kraft des Lichts
12.07.06 – Susanne Donner
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Für Normalsterbliche ist es das stille Örtchen, für Ralf Dillert ein Privatlabor mit angeschlossener Toilette. Der Chemiker, der im Arbeitskreis Photokatalyse und Nanotechnologie der Universität Hannover arbeitet, hat sein Bad der Wissenschaft zur Verfügung gestellt. Die neuen Fliesen, die demnächst verlegt werden, sind Nano-Prototypen. Ihre Aufgabe: Sie sollen sich selbst reinigen. Dillerts Wohnung ist eine von mehreren Referenzhaushalten, in denen der neu entwickelte Bodenbelag aus den Laboratorien der Uni Hannover seine Dreckweg- Wirkung unter Beweis stellen soll.
Ob Betonwände, Dachziegel, Lampenschirme oder eben Kacheln fürs Bad – weltweit forschen Wissenschaftler mit Hochdruck an Materialien, die sich selbst reinigen. Aus gutem Grund: Mit den eingebauten Fleckenkillern lassen sich Milliarden sparen. In Japan etwa schwören Architekten von Bürogebäuden auf Nano-Glasfassaden. „Sie rechnen mit einer 30- prozentigen Verringerung der Wartungskosten über einen Zeitraum von zehn Jahren“, sagt Marius Kölbel vom Nanotechnologie-Kompetenzzentrum CC-NanoChem am Leibniz-Institut für Neue Materialien in Saarbrücken.
Das Geheimnis der Saubermänner sind nanometergroße Titandioxidpartikel. Sie fangen die ultraviolette Strahlung des Sonnenlichtes ein und nutzen sie für eine gigantische Reinemachaktion. Bei dieser so genannten Photokatalyse beschleunigt das Nanomineral mit Hilfe von Licht die chemische Zersetzung von organischen Stoffen. Ob Fett oder Staub, ob flüssig oder fest, mit der freigesetzten Energie werden chemische Bindungen in den anhaftenden Schmutzpartikeln geknackt. Die Titanverbindungen häckseln alles kurz und klein, was sie touchiert. In vielen Fällen bleibt nichts mehr übrig als Wasser und Kohlendioxid – der Fleck löst sich buchstäblich in Luft auf.
„Die Photokatalyse war schon lange bekannt, wurde aber nie genutzt“, sagt Chemiker Dillert. Bereits 1968 entdeckten die japanischen Forscher Akira Fujishima von der Universität Tokio und sein Doktorvater Kenichi Honda den aktiven Reinigungseffekt des Titandioxides. In den späten 90er Jahren stolperten japanische Wissenschaftler dann zudem über einen passiven Reinigungseffekt. Wassertropfen zerfließen an Titandioxid schlagartig zu einem hauchdünnen Film. So bildet sich ein breiter Strom, der den Staub mit sich fortreißt. Diese Superhydrophilie und die Photokatalyse zusammen machen aus der Titanverbindung das ultimative Reinigungsmittel. Erst nach diesen beiden Entdeckungen wurde die Industrie auf den molekularen Saubermann aufmerksam.
Inzwischen sind die ersten Produkte auf dem Markt. Das Unternehmen Nano-X GmbH in Saarbrücken hat beispielsweise selbstreinigende Fensterprofile entwickelt. In einem Langzeittest traten die Rahmen drei Jahre lang gegen herkömmliche Modelle an. „Die Titandioxid-beschichteten Profile liegen im Moment ganz klar vorn. Sie sind noch immer strahlend weiß. Auch ohne Putzkolonne“, sagt Frank Groß, Entwickler bei Nano-X; die herkömmlichen Rahmen seien durch Dieselruß und Blütenstaub längst ergraut. Das französische Unternehmen Saint- Gobain Glass verkauft seit 2004 sogar selbstrei- nigendes Titandioxid-Fensterglas. „Der Reinigungsaufwand sinkt um etwa die Hälfte“, wirbt Pressesprecher Christian Willers.
Kein Wunder also, dass das Geschäft mit den modernen Fleckenkillern auf Touren kommt. „In Deutschland und Europa entwickelt sich das Feld gerade rasant“, sagt Chemiker Dillert, „wir sind mit knapp 20 Firmen in Kontakt.“ Namen will er allerdings nicht nennen. Seit einem guten halben Jahr läuft ein Projekt mit zwei Automobilkonzernen und einigen Zulieferern, um Fahrzeugteile selbstreinigend auszustatten. „Großes Interesse besteht zum Beispiel bei der Frontscheibe und bei sicherheitsrelevanten Teilen wie den Abdeckungen der Frontscheinwerfer und Sensoren“, erzählt Detlef Bahnemann, Leiter des Arbeitskreises Photokatalyse und Nanotechnologie an der Uni Hannover.
Ein Handicap für alle Titandioxid-Reiniger ist allerdings, dass sie nur etwa drei Prozent des Tageslichtes, nämlich den UV-A-Anteil, nutzen. Deshalb versagen die Titan-Saubermänner im Innenraum, wo ultraviolettes Licht fehlt. Einer Forschergruppe um den Chemiker Horst Kisch von der Universität Erlangen ist es jedoch gelungen, die Partikel so zu modifizieren, dass sie sogar im sichtbaren Licht aktiv werden. Schleust man einige Atome Stickstoff oder Kohlenstoff in das mineralische Oxid ein, so wandelt sich die Farbe der Teilchen von Weiß in ein schwaches Gelb. Sie schlucken dann sichtbares Licht und entfernen damit auch ohne UV-Strahlung Flecken jeder Art. „Erst hatten wir es mit Platin versucht. Das ist aber relativ teuer. Zufällig kamen wir dann auf den billigeren Kohlenstoff und Stickstoff. Das war der richtige Griff“, berichtet Kisch.
Seit kurzem bietet das Unternehmen Sto eine Wandfarbe mit kohlenstoffdotiertem Titandioxid an. In zehn Minuten kann sie einen roten Farbstoff bei schwachem Kunstlicht entfernen. Sogar Schadstoffe in der Raumluft werden vernichtet: Giftige chlorierte Phenole wandeln die Teilchen binnen fünf Stunden vollständig in ungefährliches Kohlendioxid und Wasser um. Auch krebserregendes Formaldehyd und Dichlorethylen werden von der Wandfarbe aus der Raumluft gefiltert. „In einem Wohncontainer wurde zunächst eine sehr hohe Formaldehydkonzentration gemessen. Nach einer einzigen Nacht mit der neuen Farbe unterschritt die Menge den Grenzwert“, erzählt Kisch. In Anspielung auf die entgiftende Wirkung taufte Sto die Farbe „Climasan“.
In Japan sollen die Raucherabteile der Hochgeschwindigkeitszüge demnächst mit Titandioxid ausgekleidet werden. „In Japan gibt es eine Euphorie gegenüber den photokatalytischen Oberflächen. Man geht dort sehr schnell mit neuen Produkten auf den Markt“, erklärt Nano-Experte Dillert, der im April von einer mehrmonatigen Asienreise zurückgekehrt ist.
Ähnliche Eindrücke hat auch der Erlanger Chemiker Kisch gesammelt: „Ich war erstaunt, was dort auf Messen alles in selbstreinigender Form angeboten wird.“ Selbstreinigende Kunstblumen, Teppiche, Polstermöbel und sogar Anzüge und Socken gab es zu bestaunen. Die Socken sollen allerdings nicht nur Schmutz entfernen, sondern überdies antibakteriell wirken: Die Nanoteilchen bilden mittels UV-Licht sehr reaktionsfreudige Radikale, die die Zellmembran der Mikroben passieren und sie von innen zerstören. Sogar die Erbsubstanz, die DNA, wird auf diese Weise zerschlagen. Nach ein paar Stunden ist von den Bakterien und Pilzen nichts mehr übrig. Diesem desinfizierenden Effekt wollen sich die Forscher und Ingenieure nun zuwenden, um weitere Produkte zu kreieren: zum Beispiel antibakterielles Krankenhausmobiliar oder Kühlschränke.
Dieser Text ist der Zeitschriften-Ausgabe 07/2006 von Technology Review entnommen. Der Artikel steht auch als kostenpflichtiges pdf im Heise Kiosk zum Download bereit.
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