Es mangelt an der Nano-Hygiene

Der Umgang mit Nanotechnik ist noch nicht sicher genug, doch das Problem soll lösbar sein

Dass ebenso wie bei früheren Zukunftstechnologien die Nanotechnik im schlimmsten Fall eine ökologische Katastrophe auslösen könnte, in weniger schlimmen Szenarien zumindest Nano-Umweltverschmutzung, wird nicht zu Unrecht befürchtet. Ein Nanotechnik-Forscher hat sich nun ausführlicher mit dem Frage der Sicherheit der besonders kleinen Teilchen beschäftigt.

Andrew D. Maynard, der oberste wissenschaftliche Berater des Project on Emerging Nanotechnologies, hat sich bereits letztes Jahr vielfach, unter anderem in einem ausführlichen Artikel in den Annals of Occupational Hygiene mit dem Thema Nanotechnik und Sicherheit beschäftigt. Ein ebenso wie bei anderen neuen Techniken wie der Gentechnik, der Atomtechnik und selbst der relativ harmlosen Halbleitertechnik wichtiger Aspekt – auch die vermeintlich sauberen Elektronikchips können bei der Herstellung ebenso wie bei ihrer Entsorgung Umweltprobleme verursachen.

Nanoweihnachten? Alle hier zu sehenden möglichen Geschenke unter dem Baum sind mit Nanotechnik hergestellt worden! (Bild: David Hawxhurst / Woodrow Wilson Center)

Obwohl die Nanotechnik noch als ziemlich neu und unausgereift gilt, wurde sie im letzten Jahr bereits in Waren im Wert von 30 Milliarden US-Dollar eingesetzt. Bis zum Jahr 2014 soll dieser Wert auf 2,6 Billionen US-Dollar steigen und heute sind bereits knapp 400 Consumer-Produkte auf dem Markt, die auf Nanotechnik beruhen – ob Kühlschränke, Waschmaschinen und Computermäuse mit antibakteriellem Nanosilber, Computerchips mit Nanostrukturen, Sonnenschutz, Autowachs, Badehosen, Schwangerschafttests, Batterien, OLEDs oder Vitaminsprays.

Im Jahr 2005 wurden weltweit schätzungsweise 10 Milliarden US-Dollar für Nano-Forschung von Regierungen und Industrie ausgegeben. Im Jahr 2015 nimmt die amerikanische National Science Foundation an, dass über zwei Millionen Menschen im Nanotechnik-Sektor arbeiten werden. Während vor fünf Jahren Nanotechnik im Alltag praktisch unbekannt war, soll sie nun für saubere Schuhe, stärkere, leichtere Materialien, bessere Batterien und Solarzellen sorgen. Sogar bei der Krebsbekämpfung soll die Nanotechnik helfen: Nanopartikel sollen Tumore attackieren und ihr Wachstum beenden.

Die Technik ist noch so neu, dass das meiste Geld momentan für ihre Erforschung und den Aufbau geeigneter Prozesse sowie das Finden kommerzieller Einsatzzwecke eingesetzt wird. Für Sicherheitsfragen – ob nun die Umwelt betreffend oder die Nanotechnik-Arbeiter – ist nur ein Bruchteil dieser Summen reserviert. Hiervor warnt Maynard – Nanotechnik sei eine Art, Dinge herzustellen, aber keine explizite Technik mit irgendwelchen Standardprozessen – somit gäbe es auch keine Standardlösungen für den sicheren Umgang mit Nanopartikeln und der amerikanische Staat sollte mindestens 100 Millionen US-Dollar für zwei Jahre einsetzen, um dieser Aspekt zu erforschen und eine solide Basis für sichere Nano-Arbeitsplätze zu schaffen, so Maynard.

Bis dies alles ausreichend erforscht ist, sollten zumindest gängige Hygiene- und Reinraumregeln Anwendung finden, wie sie auch im Umgang mit radioaktivem Material oder Halbleitern üblich sind – im ersten Fall, um sicherzustellen, dass nichts aus der Fabrik nach außen gelangt, im zweiten Fall genau umgekehrt. Das Misstrauen gegenüber der Industrie steigt immer weiter – nicht wirklich verwunderlich, wenn scheinbar erprobte Prozesse in der chemischen Industrie doch immer wieder zu Katastrophen führen oder selbst beim regulären Ablauf eine vergiftete Umwelt zurücklassen. Zunächst warnten daher unter anderem die ECC-Gruppe und Greenpeace vor der neuen Technologie, inzwischen beschäftigen sich auch die akademische Forschung, Regierungen, Organisationen und Unternehmen mit diesen Fragen.

Maynard als Nanotechnik-Forscher sieht natürlich durchaus etliche der Bedenken als reine Panikmache: dass freigesetzte Nanoteilchen die ganze Welt in einen grauen Klumpen Matsch verwandeln („grey goo“), befürchtet er nicht. Doch durchaus, dass Nachholbedarf beim Umgang mit Nano-Substanzen besteht. Entsprechend abgeschirmte Labore sind deshalb notwendig.

Eines der ersten "neuen" Nanomaterialien sind die bereits in den 90ern entdeckten Nanotubes: Sie bestehen aus einer einzelnen Schicht von Graphit, der als Röhre von ungefähr 1,5 Nanometern Durchmesser geformt ist. Diese spezielle Anordnung der Graphitatome führt zu einem Stoff, der im Vergleich zu seinem Gewicht besonders fest ist, sehr gut den Strom leitet, doch mit nur kleinen Änderung der Atomanordnung zum Halbleiter oder gar Isolator werden kann. Diese komplette Änderung der physikalischen und chemischen Eigenschaften bei auch nur kleinen Variationen ist typisch für Nanomaterialien, stellt jedoch auch ihre Gefahr dar: eine in normalem Maßstab harmlose Substanz kann in der Nano-Variante plötzlich unerwartet gefährlich werden.

Ist Tupperware als Weihnachtsgeschenk besonders romantisch und hält die Liebe frisch? Geschmackssache. Die darin aufbewahrten Lebensmittel sollen in diesen Dosen jedoch dank Nano-Silber lange frisch bleiben (Bild: David Hawxhurst / Woodrow Wilson Center)

Inzwischen werden komplexere Nano-Materialien entwickelt, die nicht nur aus Graphit- oder Titandioxid-Molekülen bestehen, sondern aus mehreren unterschiedlichen Komponenten. Und natürlich wird an selbstreplizierenden Systemen geforscht – der Traum der Wissenschaft: Maschinen, die sich selbst reproduzieren und vervielfältigen. Und natürlich auch der Alptraum der Nanotechnologie, wenn diese Maschinen außer Kontrolle geraten.

Dass die Struktur eines Materials ebenso wie seine chemischen Eigenschaften zur Gefährlichkeit beitragen, ist laut Maynard gar nichts Neues: von Asbest ist hinlänglich bekannt, wie gefährlich dessen Struktur ist. Genau diese Gefahr bergen Nano-Materialien zuallererst: dass sie infolge ihrer Kleinheit lungengängig sind und sich in erheblichen Mengen in der Lunge, im Blutkreislauf und schließlich im ganzen Körper anreichern, weil die üblichen Barrieren, die normalen Staub aus dem Körper halten würden, nicht greifen.

In Tierversuchen von Kreyling und Kollegen wurde untersucht und 2002 publiziert (J Toxicol Env Health Pt A; 65: 1513–30.), wie Nanopartikel von der Lunge in den Rest des Körpers wandern. Bei Partikeln mit 80 Nanometern Durchmesser wanderte bereits ein deutlicher Anteil von der Lunge in die Leber, im Bereich von 0,1%. Mit Nanopartikeln von 15 Namometern Durchmesser lag dieser Anteil bereits bei 0,3 bis 0,5%. Dies mag gering erscheinen, doch muss man bedenken, dass die Nanopartikel offensichtlich völlig unkontrollierbar im Körper umherwandern können, denn schließlich gibt es von der Lunge zur Leber keine direkte, logische Verbindung. Ebenso konnte in kürzlich angestellten Forschungen festgestellt werden, dass Nanopartikel auf direktem Weg von der Nase bis ins Gehirn wandern können und dabei mühelos die Blut-Hirn-Schranke überwinden. Selbst wenn dies beim Menschen nicht oder nur in geringem Ausmaß der Fall wäre, wäre die Ungewissheit groß.

Ein ähnliches Problem besteht auch bei der menschlichen Haut, die normalerweise eine wirksame Barriere für eindringende Partikel darstellt. Bei Nanopartikeln ist dies nicht mehr der Fall und gerade diese waren in den letzten Jahren der neueste Schrei, wenn es beispielsweise um Sonnenschutzmittel ging: Titandioxid, eine klassische UV-Licht reflektierende Substanz, die makroskopisch beispielsweise in Deckweiß und anderen weißen Farbtönen vorkommt und deren Herstellung durch den Anfall von Dünnsäure, die früher in der Nordsee verklappt wurde, problematisch ist.

Eben dieses Titandioxid gilt in Nanogröße zermahlen als besonders effektiver Sonnenschutz, da es die UV-Strahlung weiterhin reflektiert, doch sich tief in die Haut einmassieren lässt und daher nicht beim ersten Bad im Meer wieder abgewaschen wird. Allerdings diffundiert die Substanz unkontrollierbar immer weiter in die Haut. Mit entsprechend intensivem Einmassieren dringen die Partikel stärker in die Haut ein. Auch die für Solarzellen interessanten Quantum-Dots aus Cadmiumselenid dringen in die Haut ein, abhängig sowohl von der Größe als auch der chemischen Zusammensetzung.

“Schatz, Du hast ja heute lauter Kohlenstofffußbälle auf den Augen!“ Keine Beleidigung, nur eine Tatsachenfeststellung, wenn sie diese Creme benutzt hat (Bild: David Hawxhurst / Woodrow Wilson Center)

Nach bisherigen Forschungen sind offene Nanostrukturen für den Körper gefährlicher als geschlossene Strukturen: die klassischen Kohlenstoff-Fußbälle (C60-Fullerene) sollten also bei der versehentlichen Aufnahme in den Körper weniger gefährlich sein als offene, längliche Strukturen. Tröstlich, wo diese Kohlenstofffußbälle ja bereits Kosmetikartikeln beigefügt werden.

Günter Oberdörster und Kollegen haben dabei insgesamt 16 relevante physikalisch chemische Parameter entdeckt, die bestimmen, wie gefährlich ein Nanomaterial ist – von der Oberflächenstruktur und Oberflächenchemie über die elektrische Ladung und die Verteilung der Partikel. Schon eine kleine Variation eines dieser Parameter kann die Eigenschaften des Materials komplett ändern. Dies überfordert die Wissenschaftler momentan komplett: normalerweise werden gerade zwei oder drei Parameter bestimmt, um ein Material zu charakterisieren. Hinzu kommt, dass schon kleine Verunreinigungen das Verhalten von Nummerpartikeln komplett verändern können, ebenso wie äußere Einflüsse durch Chemikalien oderHitze.

Es ist somit kaum möglich, alle denkbaren Gefahren vorab abzufangen und unbedingt erforderlich, mit Nanopartikeln in Reinräumen zu arbeiten, die von der Abschirmung her über dem Standard für Halbleiterwerke und eher auf dem Standard eines Biowaffenlabors liegen müssten. Nur fertigungstechnisch bereits erprobte Prozesse könnten Materialien herstellen, für die dann geringere Sicherheitsansprüche ausreichen.

Die Gefährlichkeit eines Nanomaterials ließe sich zumindest durch die Verwendung zweier Indices einfacher klassifizieren: der sogenannte „Impact Index“, der die Gefährlichkeit des Materials an sich klassifiziert, und der "Exposure Index", der klassifiziert, wie leicht das Material als Staub aufgewirbelt wird und in die Umwelt übergeht.

Entscheidend bei der Behandlung der Sicherheitsrisiken durch Nanotechnik ist jedoch gegenwärtig, dass es sich keineswegs, wie beispielswiese bei der Gentechnik, um etwas völlig Neues, Unbekanntes handelt, das gerade erst eingeführt wird: Wenn man das Buzzword "Nano" einmal außer acht lässt, mit dem Produkte teilweise künstlich aufgebläht werden, so ist zwar noch nicht der selbstreplizierende Nano-Roboter, doch sehr wohl der extrem gesundheitsschädliche Nano-Feinstaub seit geraumer Zeit im Umlauf und muss genauso beobachtet werden, wie der einst unterschätzte Asbest. Nanomaterialien können sehr nützlich sein, sollten aber nicht als Aerosol oder Staub in den menschlichen Körper gelangen. (Wolf-Dieter Roth)

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