Transkript: Grüner Wasserstoff, Mikroplastik und medizinische Nanopartikel



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Transkript zum Mitlesen:

Dennis: „Weniger Hoffnung auf Billigen Wasserstoff?, Miesmuscheln in Mikroplastik, und Eintätowierte Gesundheitsmonitore

Herzlich Willkommen zur NULLTEN Folge von „Expedition in die Forschung“, unserem neuen Podcast!

Wie auch die Minus Erste Folge, ist das hier noch keine vollständige Folge, sondern … Teaser

Version 2! Die Folge hört nämlich nach dem ersten Hauptsegment auf, in dem wir drei mögliche Themen vorstellen, von denen Ihr uns sagen sollt, welches Euch am besten gefällt! Und dann sehen wir mal, dass wir daraus eine Feature machen. So ein Feature würde sich dann an die Meldungen anschließen. Aber – wie gesagt – noch nicht!

Das Thema, das wir als erstes featuren ist:  noch geheim! Es soll ja spannend bleiben.

Ich bin Dennis und das ist mein Ko-Moderator Bart.“

Bart: „Hallo!“

Dennis: „Wir kennen uns seit fast 20 Jahr – seit dem Biostudium – und sind beide promovierte Neurowissenschaftler. Außerdem quatschen wir gerne über Science.“

Bart:

„Also, der Dennis.

Dann kommen wir mal zu den Meldungen!

Wer uns in den sozialen Netzwerken folgt – @expidforschung – der hat vielleicht schon die Kurzvorstellung zu den Themen gesehen. Dennis postet nämlich ständig kurze Videos über cooles Zeug, das er unter den Pressemitteilungen findet. Die beliebtesten drei der letzten Zeit hat er dann ausgewählt, um sie hier und jetzt etwas näher vorzustellen.

Die Meldungen sind also sehr aktuell, aber auch nicht komplett durchrecherchiert. Also, macht Euch bereit uns euer Lieblingsthema in die Kommentare zu schreiben – oder teilt unsere Posts auf Instagram, Facebook oder Twitter!“

Dennis:

Schwindende Hoffnungen auf billigen Wasserstoff?

Eine Methode zum Testen von Photoelektroden gibt den Hoffnungen auf billigen grünen Wasserstoff einen kleinen Dämpfer, könnte aber die Entwicklung trotzdem beschleunigen.

Nachhaltig hergestellter Wasserstoff ist sehr teuer, denn die Herstellung ist um einiges energieintensiver und dessen Transport ist verlustreicher als das Laden von Lithiumbatterien.

Er ist aber als Energieträger noch lange nicht aus dem Rennen, weil er dort eingesetzt werden kann, wo Lithiumbatterien nicht anwendbar sind. Zum Beispiel im Hochofen für die Stahlerstellung, oder als Flugzeugtreibstoff.

Bart: „Oder auf Schiffen.“

Dennis: „Stimmt, oder als Ersatz für Diesel-Loks.

Um die Herstellung von Wasserstoff billiger zu machen, bietet sich an, die Wasserstoffspaltung

mit Foto-Elektroden zu machen, die Licht direkt dazu benutzen, Wasserstoff aus Wasser zu spalten.

Solche Fotoelektroden kann man aus Metalloxiden herstellen. Zum Beispiel aus Hämatit, das

ist Eisenoxid, also Rost. Eine Foto-Elektrode aus Rost wäre natürlich super preisgünstig. Nicht ganz unwichtig: Rost verändert sich nicht, wenn es lange Zeit in Wasser ist.

Seit über 50 Jahren versucht man deshalb, die Hämatit-Photoelektroden zu verbessern. Dabei vergleicht man die tatsächlich erreichte Leistung mit einem theoretisch ermittelten Maximalwert.

Aber trotz aller Bemühungen kam man nicht einmal an 50% dieses Maximalwerts heran. Zum

Vergleich: Silizium-basierte Elektroden in Solarzellen erreichen bis zu 90% ihrer theoretischen

Maximalleistung.

Was ist hier los?

Das haben sich auch Forschende vom Helmholtz-Zentrum Berlin, der Ben-Gurion-Universität in Israel

und dem Technion – auch in Israel – gefragt. Sie fanden einen neuen Ansatz, um diesem Rätsel

auf die Spur zu kommen. Die Forschenden am Technion untersuchten, wie genau die Eigenschaften von Hämatit-Elektroden von der Wellenlänge des Lichts abhingen. Die Forschenden am Helmholtz-Zentrum Berlin untersuchten dann mit Mikrowellenmessungen, wie beweglich die elektrischen Ladungsträger waren, die durch die Lichteinstrahlung im Hämatit entstehen. Um Wasserstoff zu spalten, sollten diese Ladungen möglichst beweglich sein.

Sie fanden heraus, dass nur ein Teil des Lichtspektrums bewegliche Ladungsträger im Hämatit hervorbrachte. Die restlichen Wellenlängen erzeugten zwar Ladungsträger, diese blieben aber an Ort und Stelle und waren damit nutzlos. Damit ist der theoretische Maximalwert für Hämatit viel niedriger als bisher vermutet, und die bereits entwickelten Hämatit-Photoelektroden schon ziemlich nah am Maximum – aber trotzdem noch nicht wirklich gut.

Das gibt natürlich der Aussicht auf preisgünstigen Wasserstoff mit Rost-Elektroden erstmal einen Dämpfer. Aber es gibt noch andere Materialien, die in Frage kommen und die die Forschenden mit derselben Methode untersuchen wollen. Man kann also darauf hoffen, dass dank dieser Methode in Zukunft nicht mehr 50 Jahre lang versucht wird, eine unrealistische Ausbeute zu erreichen.“

Bart:

Ist damit die Hoffnung auf billigen Wasserstoff gestorben?

Dennis:

„Ne, nicht unbedingt, also wie gesagt, es gibt ja noch andere Materialien die die Leute jetzt testen wollen, die ganz gute Kandidaten sind. Dazu gehört zum Beispiel Titaniumoxid, das ist natürlich nicht ganz so günstig wie Eisenoxid. Das ist ja nicht ganz so häufig wie Rost, würde ich jetzt einmal annehmen.

Aber, zumindest die Entwicklungszeit dürfte sich jetzt um einiges reduzieren, wenn man mit diesen Methoden den Maximalwert genauer bestimmen kann im Voraus.“

Bart:

Dennis spricht hier etwas ganz wichtiges in der Forschung an. Ganz häufig sind Ergebnisse, die erst negativ klingen im nachhinein positiv, weil sie neue Methoden entwickelt haben. Und das haben die Forschenden am Helmholtz-Zentrum Berlin damit eigentlich schon erbracht, oder?

Dennis:

„Ja!

Wo wir gerade von Wasser sprechen, wie gefährlich ist eigentlich Mikroplastik für Miesmuscheln, Bart?“

Bart:

„Da scheint man eine kleine Entwarnung geben zu können.

Plastik ist vielseitig einsetzbar, widerstandsfähig, hygienisch und leicht. Deshalb wird es in immer größeren Mengen hergestellt. So wurden 1989 bereits 100 Millionen Tonnen Plastik produziert, 2019 waren es sogar 368 Millionen Tonnen, und die Tendenz ist noch immer steigend.

Dieselben Eigenschaften die Plastik so nützlich machen, machen es aber auch gefährlich: es gelangt sehr leicht von unseren Abfallsystemen in die Umwelt, wo es sich dann ewig hält. So sammeln sich immer größere Mengen Plastik an.

Große Plastikteile können eine Gefahr für Tiere werden, wenn sie es fressen, oder sich darin verheddern. Fotos davon sieht man ja immer wieder.

Aber man hört inzwischen auch viel über Mikroplastik. Das sind Plastikteile, die kleiner sind als 5 mm. Die werden entweder direkt hergestellt – zum Beispiel für die Kosmetikindustrie, und ihr findet sie in Eurem Shampoo – oder sie entstehen durch Auseinanderbröseln von größeren Plastikteilen. Auch synthetische Fasern aus unserer Kleidung gehören dazu. Mikroplastik findet sich praktisch überall – besonders im Meer.

Wie gefährlich ist das für die Tiere dort? Vermutlich nicht gut, oder?

Wirklich aussagekräftige Studien gibt es dazu wohl noch nicht viele.

Thea Hamm und Mark Lenz vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel haben jetzt einen Beitrag zur Aufklärung geleistet. Sie beanstandeten, dass die von anderen Gruppen veröffentlichten Studien zur Auswirkung von Mikroplastik auf Tiere nur sehr kurze Zeiträume betrachteten. Außerdem seien die Versuchstiere in diesen Studien unrealistisch großen Mengen an Mikroplastik ausgesetzt worden. Das wollten sie anders machen, um ein realistischeres Bild der Situation zu schildern.

Für ihre eigene Studie wählten Thea Hamm und Mark Lenz Miesmuscheln. Miesmuscheln fressen, indem sie Meerwasser einstrudeln und essbares heraussammeln. Das bedeutet, dass kleine Plastikteile zwangsläufig innerhalb der Miesmuscheln landen.

Für ihr Experiment zog Thea Hamm fast 300 junge Miesmuscheln 42 Wochen lang im Labor auf. Dabei setzte sie dem Wasser Mikroplastik in unterschiedlichen Konzentrationen zu, wie sie auch in der Umwelt zu finden sind. Außerdem achtete sie darauf, dass die Zusammensetzung der Mikroplastikteile in Form und Größe möglichst realistisch war.

In regelmäßigen Abständen wurden die Miesmuscheln vermessen, um zu sehen ob ihr Wachstum  irgendwie beeinträchtigt wurde. Erst sehr spät im Versuch – nach 36 Wochen – zeigten sich negative Auswirkungen und diese waren sehr klein.

Die heute im Meer zu findenden Konzentrationen von Mikroplastik scheinen also nur eine geringe

Bedrohung für Miesmuscheln darzustellen.

„eine beruhigende Nachricht“, sagt auch Thea Hamm. Eine generelle Entwarnung sei das Ergebnis aber nicht. Andere Arten würden vielleicht anders auf die Verschmutzung reagieren.

Wenn ihr einen eigenen Beitrag dazu leisten wollt, dass weniger Mikroplastik in die Umwelt gelangt, könnt ihr darauf achten, dass ihr Kosmetika ohne Mikroplastik kauft. Man findet das ganz häufig in sogenannten Peeling-Masken.“

Dennis:

„Auch in Zahnpasta, oder?“

Bart:

„Ja, da ist das meistens diese White-Zahnpasta die mit besonders viel Abrieb dafür sorgt, dass Eure Zähne gleißend weiß werden.“

Dennis:

„Also mit Abrieb, das klingt ja eigentlich total furchtbar. Braucht man seinen Zahnschmelz nicht für irgendwas?“

Bart:

„Dazu kann ich nichts sagen, ich bin weder Zahnarzt, noch – wie die Oral B-Frau – Zahnarztfrau.“

Dennis:

„Goldnanopartikel-Tattoos für die medizinische Diagnostik

In Zukunft könnten Nanopartikel unter der Haut den Gesundheitszustand von Patient*Innen anzeigen.

Die ärztliche Behandlung soll ja möglichst personalisiert also auf die Bedürfnisse der erkrankten Person zugeschnitten sein. Aber meistens müssen die Ärzt*Innen körperlichen Zustand der Erkrankten mehr oder weniger erraten – oder sie orientieren sich am üblichen Verlauf einer Krankheit. Denn Erkrankte nehmen Krankheitssymptome unterschiedlich wahr und tun sich auch schwer sie gut zu beschreiben.

Um ein objektives Bild über den Zustand der Erkrankten zu bekommen, braucht man deshalb oft Blutproben. Deren Ergebnisse lassen aber auf sich warten. Außerdem werden die Erkrankten bei langwierigen Therapien durch regelmäßige Blutentnahmen zusätzlich belastet.

Da wäre es praktisch, wenn man direkt von der Haut ablesen könnte, wie es um den Zustand des Patienten oder der Erkrankten bestellt ist.

Tatsächlich gibt es auch schon Ansätze. Dazu benutzt man Indikatorstoffe. Indikatorstoffe kennt ihr aus dem Chemie-Unterricht. Man hat so einen kleinen gelben Streifen aus Paper gehabt, den tunkt man in Säure, dann wird er rot.“

Bart:

„Ist das der berühmte Lackmustest?“

Dennis:

„Keine Ahnung, glaube schon. Ich war nie gut in Chemie.

Solche Indikatoren kann man auch speziell für Stoffe herstellen, von denen man weiß, dass sie in unterschiedlichen Phasen eines Krankheitsverlaufs in unterschiedlichen Mengen im Körper vorhanden sind. Die Färbung des Indikatorstoffes zeigt also direkt an, was im Körper gerade passiert.

Das Problem dabei ist, dass die verwendeten Farbstoffe relativ schnell ausbleichen und vom Körper abgebaut werden. Bisherige Entwicklungen halten also gerade für die langwierigen Behandlungen – für die sie ja gedacht sind – nicht lang genug.

Deshalb haben Prof. Sönnichsen und seine Arbeitsgruppe an der Uni in Mainz einen neuen Ansatz ausprobiert. Sie benutzen winzige Partikel – Nanopartikel – aus Gold. Die kombinieren sie dann mit bestimmten Molekülen, die als Sensoren für den Stoff funktionieren, dessen Konzentration angezeigt werden soll.

Binden die Sensoren auf dem Goldpartikel an den zu detektierenden Stoff, verändert das die Art, wie das Licht von den Goldpartikeln reflektiert und gestreut wird. Sie ändern also ihre Farbe. Damit funktionieren sie als Indikatoren.

Besonders praktisch: Weil die Farbe nicht durch Farbstoffe entstehen, die Licht absorbieren, sondern durch Streuung und Reflexion, können Gold-Nanopartikel nicht ausbleichen. Um zu verhindern, dass die Partikel im Körper wandern, oder vom Körper abtransportiert werden, betteten die Forschenden die Goldpartikel in Hydrogel ein.

Dieses Implantat, also das Hydrogel mit den Nanopartikeln, wird vom Körpergewebe gut angenommen. Getestet haben die Forschenden das erst einmal an haarlosen Ratten.

Sie implantierten Goldnanopartikel, die ein bestimmtes Antibiotikum anzeigten und injizierten den Ratten dann eben dieses Antibiotikum in unterschiedlichen Konzentrationen. Sie fanden, dass die Implantate über mehrere Monate hinweg gut die Antibiotikakonzentrationen anzeigten.

Ablesen kann man diese Sensor-Implantate übrigens nur mit einem speziellen Messgerät, weil die Farbänderung im Infrarotbereich ist – man kann also nicht mit bloßem Auge sehen, ob sich die Farbe ändert.

Die Forschenden sagen, dass die Methode vielversprechend sei für eine Reihe von Anwendungen, darunter eben auch die personalisierte Medizin. Das vor allem auch, weil man die Goldnanopartikel mit ganz unterschiedlichen Sensormolekülen ausstatten kann.“

Bart:

„Brauch ich dann für jeden Stoff, der wahrgenommen werden soll ein eigenes Implantat?“

Dennis:

„Ja genau. Also man muss den Sensor jeweils extra herstellen. Ganz angepasst für den Stoff, den Du detektieren möchtest.“

Bart:

„Eine Anwendung, die mir sofort einfallen würde wäre die Erkennung von Blutzucker bei Diabetes-Kranken.“

Dennis:

„Oh ja, stimmt, das wäre eine total super Sache. Weil die Blutzuckererkrankung ist ja einmal eine chronische Erkrankung, und die müssen sich ja auch ständig pieksen, um den Blutzuckerspiegel zu messen. Da wäre das natürlich total cool, wenn man das einfach an der Haut ablesen könnte.“

Bart:

„Also schon wieder eine Methode die uns schon bald weiter voranbringen wird. Ähnlich wie bei der Fotoelektrode für den Wasserstoff.“

Dennis:

„Ja, hoffentlich. Also, ich meine, man muss ja immer daran denken, also, irgendwo kann dann schon noch immer was passieren, oder was unerwartetes herauskommen, was dann die Methoden nicht ganz so erfolgversprechend macht, wie sie jetzt aussehen, aber ich finde das sind schon ganz coole Ergebnisse soweit.“

Bart:

„ Das waren also die drei Meldungen für heute: Weniger Hoffnung auf Billigen Wasserstoff?, Mikroplastik in Miesmuscheln und Eintätowierte Gesundheitsmonitore.

Wir haben für jede Meldung ein paar Links in der Videobeschreibungen, mit denen ihr Eure Lieblingsmeldung in den Sozialen Netzwerken teilen könnt. Wenn ihr uns tagt wissen wir

gleich, welche Meldungen ihr besonders mögt.“

Dennis:

„Ja, und ab der nächsten Folge kommt im Anschluss an die Meldungen ein längeres Feature-Segment.

Bis dahin, abonniert doch schon einmal den Podcast in Eurem Podcatcher, auf Spotify oder auf YouTube, und sagt all Euren Freunden und Bekannten Bescheid.

Ich bedanke mich fürs Zuhören, und wünsche einen schönen Tag.

Tschö!“

Bart:

„Ciao!“