Blaualgen gehören zu den ältesten Lebewesen dieser Erde und haben die Nutzung von Sonnenlicht über Milliarden Jahre perfektioniert. Materialforschende der Empa haben die genügsamen Einzeller nun mittels Halbleiter-Beschichtung zu Mini-Kraftwerken ausgerüstet, die Biokraftstoffe liefern und im Sonnenlicht photokatalytisch aktiv werden. Und obendrein fügen sich die Reaktionen zu einem raffinierten Rohstoffkreislauf zusammen.

Sie tummelten sich bereits vor über 2 Milliarden Jahren in der «Ursuppe» unseres Planeten und helfen seither, die Atmosphäre mit Sauerstoff anzureichern. Heutzutage leben Blaualgen praktisch überall – in Gewässern, auf der Rinde von Bäumen oder an unwirtlichen Berggipfeln. Sie haben die effiziente Nutzung von Sonnenlicht zur Photosynthese derart perfektioniert, dass sie sogar in düsteren Grotten überleben können. Empa-Forschende um Laetita Philippe vom «Mechanics of Materials and Nanostructures»-Labor in Thun haben die genügsamen Blaualgen der Gattung Spirulina nun mit der Technologie des «Biotemplating» so beschichtet, dass sie zur Produktion von Biokraftstoffen eingesetzt werden können und photokatalytisch wirken.

Vollendete Architektur


Für einen besonders effizienten und gleichzeitig nachhaltigen Prozess wurde das Verfahren des «Biotemplating» genutzt, bei dem eine von der Natur vorgegebene Architektur als Schablone dient, um neue Oberflächenbeschichtungen anzubringen. Die Blaualge Spirulina, deren Form an einen winzigen Tauchsieder erinnert, eignete sich dafür besonders, da ihre kompakte Wendel-Struktur zur effizienten Nutzung des Sonnenlichts beiträgt.

Die Forschenden beschichteten die rund vier Mikrometer dünnen geschraubten Schnüre der konservierten Spirulina-Einzeller zunächst mit einer feinen Hülle aus Nickel. Einer Zwiebelschale gleich folgten darauf zarte Schichten aus Zinkoxid und Zinksulfid-Nanopartikeln. «Während die Blaualgen als Strukturgeber fungieren, sorgt die magnetische Nickelbeschichtung für eine einfache Möglichkeit, die kleinen Alleskönner wieder zurückzugewinnen», sagt Laetitia Philippe. Die darüber aufgetragene Beschichtung mit Zinkverbindungen weist eine beeindruckende photokatalytische Aktivität auf. Einerseits führt die Kombination zweier Zinkverbindungen zu einer längeren Leistungsfähigkeit der Photokatalyse-Reaktion.

Zum anderen kann so aber auch ein grösserer Wellenlängenbereich des Sonnenlichtspektrums genutzt werden. «Mit Zinkoxid lässt sich lediglich die UV-Strahlung des Sonnenlichts für Reinigungsprozesse nutzen», erklärt Empa-Forscher Albert Serrá. «Mit der photokatalytischen Aktivität der beschichteten Algen sollte ein nachhaltiger, einfacher und günstiger Prozess für die Wasseraufbereitung genutzt werden können», erklärt Laetitia Philippe. Seit 2015 gehört die Verfügbarkeit und nachhaltige Bewirtschaftung von Wasser für 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 könnte. Hierbei sollte das Wasser vor allem von Mikroplastik und persistenten organischen Schadstoffen befreit werden, die herkömmliche 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 ermögliche es nun aber auch Bereiche des sichtbaren Lichts als Energiequelle anzuzapfen.

Verästelte Nanofarne

Entwickelt haben die Forschenden diese photokatalytische Oberflächenbeschichtung zunächst anhand anderen Strukturen, die an mikroskopische Wälder aus Farngewächsen erinnern. «Die Farn-Architektur ist eine weitere Möglichkeit, Lichtenergie möglichst effizient zu absorbieren», sagt Serrá. Bei Laborexperimenten mit den künstlich hergestellten, verästelten 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 darüber hinaus die Beschattung durch einzelne Verästelungen innerhalb der Mikrofarne vermieden werden, womit die Lichtabsorption zusätzlich gesteigert werden konnte.

Ein weiterer Vorteil: Die Blaualgen produzieren sich quasi von selbst. Mit Wasser, Licht und Dünger 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 «Abgas» aus – durch das Einleiten von zusätzlichem Kohlendioxid in die Blaualgenkultur lässt sich die CO2-Bilanz der Methode noch obendrein verbessern.

Raffinierter Rohstoff-Kreislauf

Nachdem die winzigen Tauchsieder ihre Arbeit aufgenommen und Schadstoffe im Abwasser zu leicht abbaubaren Produkten abgebaut haben, ist ihre Aufgabe aber längst nicht getan. Während sich die Zink- und Nickelverbindungen zurückgewinnen und wiederverwenden lassen, bleiben die konservierten Spirulina-Strukturen als Mini-Kraftwerke übrig. «Aus der Biomasse können Biokraftstoffe hergestellt werden», so Laetitia Philippe. Neben Bioethanol und Biodiesel lassen sich die Spirulina-Rückstände aber auch zur Energiegewinnung als Pellets pressen und verbrennen. Und die zurückbleibende Asche ist schliesslich als Dünger für die Anzucht neuer Blaualgen einsetzbar. Der raffinierte Rohstoffkreislauf konnte nun mittels Laborexperimenten bewiesen werden. Doch auf für den Einsatz der vielseitigen Einzeller in grösserem Massstab ist Laetitia Philippe zuversichtlich.

"Das Dreckige Dutzend"

Unter dem Begriff «Das Dreckige Dutzend» sind die zwölf ursprünglichen 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 auszulösen, den Hormonhaushalt und das Erbgut zu schädigen. Bei der herkömmlichen Wasseraufbereitung lassen sich die Schadstoffe kaum abbauen.

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