Nanotechnik 02.10.2015, 13:59 Uhr

Zur Entsäuerung der Meere holen Mikroroboter CO2 aus dem Wasser

Kalifornische Wissenschaftler haben winzige „Mikromotoren“ gebaut, die mit Hilfe eines Enzyms schnell und effektiv Kohlendioxid aus dem Wasser filtern können. Eines Tages könnten die Roboter eingesetzt werden, um die Übersäuerung der Ozeane zu mildern.

Die Röhrchen, die die Übersäuerung der Weltmeere reduzieren sollen, sind nur sechs Mikrometer lang.

Die Röhrchen, die die Übersäuerung der Weltmeere reduzieren sollen, sind nur sechs Mikrometer lang.

Foto: UC San Diego Jacobs School of Engineering

Die Maschinchen, die vielleicht zukünftig gegen die Übersäuerung der Weltmeere eingesetzt werden können, sind lediglich sechs Mikrometer lang. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat etwa einen Durchmesser von 50 Mikrometer. Ingenieure für Nanotechnologie der Universität von Kalifornien in San Diego haben die „Mikromotoren“ entwickelt und setzen große Hoffnungen darauf.

Die winzigen Roboter schwimmen umher und setzen ein Enzym frei, das mit dem im Wasser gelösten Kohlendioxid reagiert. Den Nachweis, dass ihre Idee funktioniert, haben Professor Joseph Wang und sein Team jetzt im Journal Angewandte Chemie veröffentlicht.

In fünf Minuten entfernten die Mikromotoren 90 % des CO2

Die Mikromotoren bestehen aus einer Röhre mit einer Polymer-Oberfläche, auf der sich das Enzym Carboanhydrase befindet. Das Enzym ist der Katalysator für eine Reaktion zwischen dem gelösten CO2 und dem Wasser zu Bicarbonat, das wiederum mit zugesetztem Calciumchlorid zu festem Calciumcarbonat (CACO3) reagiert. Dieses feste Carbonat gehört zu den am weitesten verbreiteten Verbindungen auf der Erde und kommt in Form von Sedimentgestein vor oder auch im Außenskelett von Krebstieren, Korallen, Muscheln und Schnecken vor.

Aufnahmen der Mikroroboter im Wasser: Im Test entfernten die Katalysatoren rund 90 % des gelösten CO2. 

Aufnahmen der Mikroroboter im Wasser: Im Test entfernten die Katalysatoren rund 90 % des gelösten CO2. 

Foto: UC San Diego Jacobs School of Engineering

Im Gegensatz zum gelösten CO2 verringert es nicht den ph-Wert des Wassers. Diese Übersäuerung führt dazu, dass kalkbildende Organismen wie Korallen langsam durch Algen und Seegras verdrängt werden.

Für ihre Experimente gaben die Forscher des Labors für Nano-Bioelektronik ihre Mikromotoren in Wasser, das mit CO2 gesättigt war. Innerhalb von 5 min hatten die Mikroroboter 90 % des CO2 entfernt. Ein ähnliches Ergebnis (88 %) erreichten die Roboter im Test mit Salzwasser. Zukünftig könnten die Mikromotoren in einer Anlage zur Entkarbonisierung eingesetzt werden, hoffen die Forscher.

Forscher suchen nach anderen Antriebsformen für Mikroroboter

Ihre Effektivität verdanken die Mikromotoren auch ihrer schnellen, permanenten und völlig autonomen Bewegung. Um die notwendige Energie dafür zu liefern, gaben die Forscher kleine Mengen an Wasserstoffperoxid in die Lösung. Das reagierte mit dem Platin auf der Innenseite der Mikromotoren zu einem Strom von Sauerstoffbläschen, mit dem die kleinen Roboter angetrieben wurden. Bei einer Konzentration von 2 bis 4 % Wasserstoffperoxid im Wasser konnten die Mikroroboter Geschwindigkeiten von bis zu 100 Mikrometer pro Sekunde erreichen.

Die Mikromotoren bestehen aus einer Röhre mit einer Polymer-Oberfläche, auf der sich das Enzym Carboanhydrase befindet. Das Enzym ist der Katalysator für eine Reaktion zwischen dem gelösten CO2 und dem Wasser zu Bicarbonat, das wiederum mit zugesetztem Calciumchlorid zu festem Calciumcarbonat reagiert. 

Die Mikromotoren bestehen aus einer Röhre mit einer Polymer-Oberfläche, auf der sich das Enzym Carboanhydrase befindet. Das Enzym ist der Katalysator für eine Reaktion zwischen dem gelösten CO2 und dem Wasser zu Bicarbonat, das wiederum mit zugesetztem Calciumchlorid zu festem Calciumcarbonat reagiert. 

Foto: UC San Diego Jacobs School of Engineering

Hier liegt allerdings auch ein Problem, das es noch zu lösen gilt. Abgesehen davon, dass für eine großflächige Entkarbonisierung der Ozeane riesige Mengen an Mikrorobotern benötigt würden. Die Zugabe von Wasserstoffperoxid, das mit dem teuren Platin reagiert, bedeutet zusätzlichen Aufwand und Kosten. Das erklärte Ziel der Forschergruppe aus San Diego ist es deshalb, Mikromotoren zu entwickeln, die sich im Wasser ohne zusätzliche Antriebsunterstützung bewegen können.

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