«Vor fliegendem intelligenten Staub müssen wir keine Angst haben»

Noch bevor die Nanotechnologie richtig abhob, kursierten hoch fliegende Visionen: kleinste Roboter in unseren Adern. Autonome Mini-Fabriken, die fast alles produzieren. Armeen winziger Drohnen, die wie Staub durch die Luft fliegen. Was ist realistisch, was Phantasterei? Experte Harald Krug erklärt.

Illustration von winzigen fliegenden Nano-Drohnen vor einem bewölkten Himmel. Bild in Lightbox öffnen.

Bildlegende: Beliebtes Science-Fiction-Sujet: Nano-Drohnen überwachen in Filmen oder Romanen nicht nur den Luftraum – sie dienen auch als unsichtbare Spione. Imago

Die Illustration zeigt einen Nano-Roboter, der im menschlichen Körper nach einem Virus greift Bild in Lightbox öffnen.

Bildlegende: Unterwegs in einer Ader: Roboter greift Virus. Imago

NANO-ROBOTER IN DEN ADERN

Eine der bekanntesten Ideen aus der Nanotechnologie, die immer wieder in der Science-Fiction auftauchen: Roboter im Molekülmassstab, die als Drohnen ausschwärmen oder im menschlichen Körper Krankheiten bekämpfen.

Harald Krug: In «Star Trek» und anderen Science-Fiction-Filmen funktioniert das ja immer ganz toll: Kleine Maschinchen schwimmen wie U-Boote durch unser Blut und vernichten Bakterien. Und in sehr einfacher Form gibt es so etwas sogar schon: Nanopartikel werden gezielt in den Körper injiziert und dann von aussen mit Magnetfeldern erhitzt, um etwa einen Tumor zu bekämpfen – das wird an der Charité-Klinik in Berlin schon gemacht. Aber das sind keine U-Boot-Roboter, die sich von selbst bewegen.

Zusatzinhalt überspringen

Zur Person

Zur Person

Harald Krug, Jahrgang 1952, ist Biologe und Chemiker. Bis 2010 leitete er die Abteilung «Materials-Biology Interactions» der Empa. Als Nanobotschafter gehört er zu einer Forschergruppe, die über Nanotechnologie informiert. Er hat sich mit Kritik an Studien ebenso einen Namen gemacht wie als Berater von Politikern in Deutschland und der Schweiz.

Wenn Sie so einen Nanobot wollen, müsste er eine Sensorik haben, um ein Virus zu erkennen: ein Auge, ein Ohr oder eine Nase. Und dann braucht er ein Bewegungssystem. Und eine Waffe, um zu vernichten: chemisch, physikalisch oder sonstwie. Aber das alles zusammen bekommen sie in einen Nanobot nicht hinein – zu wenig Platz, jedenfalls im Nano-Massstab. Vor fliegendem intelligenten Staub oder anderen Horrorszenarien müssen wir also keine Angst haben!

SCHÄDEN MIT NANOTECHNIK REPARIEREN

Ein langer Kratzer? Für manche Zeitgenossen ist das stylische Handy damit ruiniert. In Zukunft könnten Reparaturen oder Neukauf seltener nötig werden – dank «intelligenter» Werkstoffe, die sich selbst reparieren.

Harald Krug: Ein gutes Beispiel dafür sind Kunststoffe, aber nicht nur bei Smartphones. Nehmen wir einen Satelliten im All. Der ist den ganzen Tag kleinen Partikeln ausgesetzt, die durch den Weltraum rasen. Sie kratzen die Oberfläche an; der Satellit geht mit den Jahren in die Brüche. Also, was tun? Man versieht seine Oberfläche mit einem Kunststoff, der spezielle Nano-Verbindungen enthält – zum Beispiel Strukturen aus Gold oder Platin, die als Katalysatoren bei der Selbstheilung helfen.

Entsteht also ein Riss im Kunststoff, könnte man diese Oberfläche des Satelliten zur Sonne hin drehen: Nur schon dieser Wärmeimpuls würde ausreichen, die zerstörten Verbindungen im Material wieder zu verknüpfen. Solche Ideen stecken in der Forschung. Ich glaube, das wird es in wenigen Jahren geben. Wenn mein Handy dann einen Kratzer hat, halte ich es bei 50 Grad in den Backofen und schon ist es wieder heil. Oder ich lasse einen Kratzer im Autolack einfach mit einem Fön verschwinden.

Ein E-Mobil mit einem Stecker, der die Batterien auflädt. Bild in Lightbox öffnen.

Bildlegende: E-Mobilen effizient zu laden, stellt die Technik vor Herausforderungen. Imago

SUPER-AKKUS

Der Akku der Zukunft muss mehr Energie speichern als heute. In aller Welt arbeiten Forscher an neuen Technologien – auch mit Blick auf die Zukunft des Verkehrs. Damit mehr E-Mobile die Strassen erobern, brauchen sie eine höhere Reichweite.

Harald Krug: Die Idee ist, dass man auf wenig Raum möglichst viel Ladung unterbringen will. Also braucht man kleinste Einheiten, in denen man in der Batterie Ionen speichert, wie in heutigen Lithium-Ionen-Akkus. Und da kommt die Nanotechnologie ins Spiel. Zum Beispiel mit neuen Zinn-Kristallen, die wirklich nur noch wenige Nanometer gross sind. Denn Zinn speichert besonders hohe Anteile von Lithium.

Wenn ich so auf kleinstem Raum viele Ionen unterbringe, dann erhöht das die Ladekapazität von Batterien bis zum Doppelten! Für ein Elektromobil würde das bedeuten, dass es statt 120 Kilometer eben 240 Kilometer fahren kann. Und auch der Ladevorgang würde deutlich schneller gehen.

LACK MIT FARBWECHSEL

Der nagelneue Stadtflitzer: heute rot, morgen grün lackiert? Autofahrer, die es farbenfroh und abwechslungsreich mögen, könnten in Zukunft dank Nanotechnologie auf ihre Kosten kommen. Neuartige Lacke sollen auf Knopfdruck ihre Farbe wechseln.

Harald Krug: Farbpigmente lassen sich durch kleinste elektrische Ströme umstrukturieren – und damit wechselt auch die Farbe. In E-Book-Readern ist das ja schon umgesetzt, nur eben schwarzweiss. Dort sind die Pigmentpunkte teils auf Nanoebene – und man braucht keine Energie mehr, um den jeweiligen Zustand schwarz oder weiss zu erhalten.

Für Lacke hiesse das: Ich kann mit einem elektronischen Impuls ihre Farbe wechseln und brauche keinen Strom, damit sie so bleibt. Wobei es natürlich eher ein Gag ist, wenn ich morgens mit einem roten Auto wegfahre und abends mit einem blauen nach Hause komme. Aber denken Sie mal: Wenn Sie Verkehrsschilder auf Knopfdruck verändern könnten, würde uns das in Zukunft komplizierte LED-Technologien ersparen.

 Ein Replikator aus «Star Trek» in einem privaten Science-Fiction-Museum. Bild in Lightbox öffnen.

Bildlegende: Alles auf Knopfdruck: Replikator aus «Star Trek» in einem privaten Science-Fiction-Museum. Imago

NANO-FABRIKEN

Winzigste Fabriken, die Materie Atom für Atom zusammensetzen – zu einem Schnitzel oder Turnschuhen. Diese Vision entwarf der Nano-Pionier Eric Drexler in seinem Buch «Engines of Creation», das 1986 erschien. Sogenannte Assembler, winzige Roboter, würden in Nanofabriken wie durch Zauberhand herstellen, was der Mensch so braucht – ähnlich wie der Replikator aus «Star Trek», der Gegenstände aller Art nano-fabriziert.

Harald Krug: Den Replikator gibt’s ja schon: den 3-D-Drucker, der mit Lasertechnik auf Nano-Ebene arbeitet. Aber mit Robotern im Nanomassstab? Stellen Sie sich vor: In einem Nanopartikel, das 10 oder 20 Nanometer Durchmesser hat, hat man schon zehn- bis hunderttausende Atome. Wenn sie so etwas replizieren wollen, brauchen sie ein Versorgungssystem mit verschiedenen Elementen – also «Tanks» für Kohlenstoff, für Schwefel, Wasserstoff, Sauerstoff und mehr.

Dazu kommt die Steuerung und die nötige Energie. Das alles zusammen bekommen sie nicht mehr in eine Nanostruktur hinein – rein vom Platzbedarf her. Und ein Replikator wie in «Star Trek»? Das ist heute ein Wunschtraum: Ein Schnitzel, also Proteine und Fettmoleküle und alles mögliche andere Atom für Atom zusammenzusetzen – das bräuchte ein Vielfaches der Energie, die das Stück Fleisch uns gibt, wenn wir es essen. Aber in ein paar Hundert Jahren? Wer weiss?

Ein künstliches Kniegelenk in den Händen eines Arztes. Bild in Lightbox öffnen.

Bildlegende: Ein künstliches Kniegelenk, wie es heute verwendet wird – noch ohne Nano-Strukturen. Imago

IMPLANTATE MIT NANO-OBERFLÄCHEN

Neben dem bekannten Lotus-Effekt, der Wasser abperlen lässt, gibt es weitere Ideen, wie sich hochfeine Strukturen nutzen lassen. Zum Beispiel in der Medizin.

Harald Krug: In der Medizin sind nano-strukturierte Oberflächen besonders wichtig. Zum Beispiel bei einem Implantat: Vom Zusammenspiel zwischen dessen Oberflächen und unserem körpereigenen Gewebe hängt ab, wie lange ein künstliches Knie hält. Die früheren Materialien waren immer Fremdkörper und hatten nur eine Lebenszeit von 5 bis 10 Jahren.

Um diese Zeitspanne zu verlängern, strukturiert man die Oberfläche eines Implantats ähnlich wie unser Gewebe: also so, wie Knochen oder Zellen auf Nanometer-Ebene aussehen. So können die körpereigenen Zellen besser mit dem Fremdkörper «zusammenarbeiten» – ein solches Implantat wächst besser ein. Es gibt schon Prototypen und sie werden getestet. Ich schätze, dass das in 5 Jahren schon Routine ist.

Ein künstliches Nanovirus aus «Star Trek». Bild in Lightbox öffnen.

Bildlegende: Science-Fiction-Medizin: Ein künstliches Nanovirus aus «Star Trek». memory-alpha.wikia.com

ANGRIFF DER NANO-VIREN:

Das ultimative Schreckensszenario aus der Nanotechnologie: Künstliche Hightech-Viren entweichen aus einem Militärlabor, beginnen sich zu vermehren – und bedrohen schliesslich die gesamte Menschheit…

Harald Krug: Von der Grössenordnung her wäre das vielleicht sogar möglich. Natürliche Viren sind ja zwischen 10 und ein paar 100 Nanometer gross. Und wenn wir ein natürliches Virus anschauen – da ist ja nicht allzu viel dran: eine Hülle aus Lipiden, also Fett, oben drauf Strukturen aus Proteinen, um an einer Wirtszelle im Zielorganismus anzudocken. Und innendrin steckt genetisches Material: entweder RNA oder DNA, die das Virus dann in die fremde Zelle injiziert.

Tatsächlich wird dieser Vorgang heute nano-technologisch nachgeahmt, um medizinische Anwendungen vorzubereiten: Statt DNA wäre also etwa ein Anti-Tumor-Medikament im Nanovirus. Aber die Vermehrung von Nanoviren? Also den ganzen Bauplan des künstlichen Virus in eine Körperzelle hineingeben, damit die dann anfängt, genau solche Viren wieder herzustellen? Das ist heute noch Science-Fiction – und damit auch die Szenarien vom Angriff der Nano-Killerviren.

Aufnahme von einer Maschine, die elektrisch hochfeine Kunststofffäden herstellt. Bild in Lightbox öffnen.

Bildlegende: Elektro-Spinnen: Die hauchdünnen Fäden härten erst, wenn sie an der Luft sind. Empa

NANO-FASERN FÜR THERAPIEN:

Funktionale Textilien sind im Kommen: Chips und Sensoren könnten unsere Kleidung in Zukunft «intelligent» machen. Auch Nano-Ideen sollen wahr werden. Unter anderem für medizinische Anwendungen.

Harald Krug: Nano-Fasern sind nichts anderes als Fasern aus Kunststoff-Polymeren, nur wesentlich dünner gesponnen. Ein Beispiel: Bei einer Strumpfhose sind sie üblicherweise so dick wie unsere Haare, also etwa 100 Mikrometer. Das ist relativ stark. Mit dem Verfahren des Elektrospinnens kann ich die Polymere aber viel dünner machen. Und weil sie beim Spinnen erst flüssig sind und später erhärten, kann ich Flüssigkeiten mit bestimmten Eigenschaften mit in die Faser hineingeben.

Das sieht dann so aus wie eine Perlenkette: kleine Bläschen in den Nanofasern, die voll mit einem Wirkstoff sind. Zum Beispiel ein Hautmedikament. Dann könnte man aus den Fasern ein Unterhemd herstellen, das den Wirkstoff über längere Zeit auf die Haut abgibt. Solche Anwendungen sind schon in der Testphase.

Sendung zu diesem Artikel