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Was ist Nanotechnologie? Wo kommt sie zur Anwendung und welche Risiken bestehen dabei? Einige Antworten auf diese Fragen finden Sie im folgenden Beitrag
Was ist Nanotechnologie?
Als Nanotechnologie wird die Erforschung und Nutzung von Teilchen im nanoskaligen Bereich (1-100 Nanometer; 1nm = 10-9m) bezeichnet. Diese Teilchen zeichnen sich dadurch aus, dass sie zunächst einmal extrem klein sind (Ein Teilchen mit einem Durchmesser von 1nm verhält sich zu einem Fussball wie dieser Fussball zur Erdkugel) und zumeist andere Eigenschaften haben, als ihre grösseren Verwandten, die sich im Mikrometerbereich bewegen.
Von der atomaren Struktur her zwar identisch mit ihren grossen Geschwistern, weisen die Nanopartikel jedoch in verschiedenen Bereichen ein anderes Verhalten auf. Durch die im Verhältnis viel grössere Oberfläche sind sie deutlich reaktiver als Teilchen im Mikrometerbereich, was neue Nutzungsmöglichkeiten erschliesst.
In der Medizin wird beispielsweise an Nanopartikeln als Transportvehikel für Medikamente geforscht. Das Ziel ist es, licht- oder wasserempfindliche Medikamente in einer Art Schutzhülle aus Nanoteilchen sicher an ihren Bestimmungsort im Körper zu bringen, an dem sie dann freigesetzt werden. Dies würde zum Beispiel eine viel effizientere Krebsbehandlung ermöglichen: Statt den ganzen Körper mit Strahlung zu schädigen, würden die nanoskaligen Transporthüllen eine gezielte Zerstörung der Tumorzellen ermöglichen, ohne andere, gesunde Körperzellen in Mitleidenschaft zu ziehen.
Dies ist nur eine von vielen potentiellen oder realen Anwendungen von Nanopartikeln. Hier wird der Schwerpunkt auf Produkten des täglichen Gebrauchs liegen, um die Chancen und Probleme der Nanotechnologie zu veranschaulichen.
Klassifikation von Produkten mit Nanopartikeln
Es gibt drei Arten wie Nanopartikel in Produkten verarbeitet werden. Erstens können sie fest gebunden sein – beispielsweise in einem Tennisschläger oder einem Velorahmen um die Stabilität zu erhöhen. Sie können – zweitens – auf einer Oberfläche aufgetragen werden, wie bei Verpackungsmaterialien oder Flächen, die erhöht schmutz-, wasser-, oder ölabweisend sind. Hier findet unter Umständen ein Austausch mit der Umwelt statt, was bei der ersten Kategorie nicht der Fall ist.
Die dritte Kategorie beinhaltet Produkte, in welchen die Partikel frei vorliegen, beispielsweise in Kosmetika oder Sonnencrèmes, wo die Partikel eine erhöhte Reflektion der Sonneneinstrahlung und damit eine höhere Wirksamkeit bezwecken.
Nanotechnologie im Lebensmittelbereich
In der Schweiz ist das Beimischen von nanoskaligen Stoffen zu Lebensmitteln untersagt, auch wenn dieselben Stoffe in grösserer Form zugelassen sind. Bei Verpackungsmaterialien sind sie hingegen erlaubt. Ihre Verwendung erlaubt oft eine drastische Reduktion anderer Werkstoffe. Bei PET-Flaschen beispielsweise führt der Einsatz von Nanopartikeln dazu, dass sie einerseits robuster und sauerstoffundurchlässiger werden und dass sie andrerseits eine viel bessere Umweltbilanz aufweisen als Einwegglas- und herkömmliche PET-Flaschen. In einer Mehrwegvariante wäre Nano-PET hinsichtlich der Umweltbilanz kaum zu übertreffen.
Geforscht wird auch an Verpackungen mit Nanosensoren, welche das Verfallsdatum eines Produkts mittels Farbveränderung der Verpackung anzeigen. Beim Einsatz von Nanopartikeln in Verpackungsmaterialien besteht die Gefahr, dass diese mit dem Lebensmittel interagieren. Das heisst, dass sich die Partikel – vor allem wenn sie an der Innenseite der Verpackung angebracht sind – im Lebensmittel ablagern können und beim Konsum durch den Menschen aufgenommen werden.
Gewisse Chancen eröffnen sich auch in der Bekämpfung von Mangelernährung. Bald soll es möglich sein, gewisse Vitamine (beispielsweise in Reis) durch den Einsatz von Nanopartikeln anzureichern. Allgemein besehen erhoffen sich Lebensmittelproduzenten im Bereich Functional Food (Gesundheitsförderndes Essen) durch den Einsatz von Nanotechnologie grosse Innovationsschübe.
Nanotechnologie im Non-Food-Bereich
Im Non-Food Segment werden Nanopartikel oft in Kosmetikprodukten eingesetzt, so zum Beispiel in Sonnencrèmes, welche eine höhere Schutzwirkung erzielen, indem beigemischte Silberionen zusätzliches Sonnenlicht reflektieren.
Bei Sportgeräten wie Velorahmen und Tennisschlägern können Partikel zur Erhöhung der Stabilität bei gleichbleibendem oder sogar abnehmendem Materialgewicht verwendet werden. Die Teilchen sind in diese Stoffe eingearbeitet und liegen in fester Form vor.
Im Bereich der Umwelttechnologie erhofft man sich viel von den kleinen Teilchen. Sie sollen die Trinkwasseraufbereitung in Klärsystemen verbessern: Indem die Filter kleinere Strukturen aufweisen, wird die Filterung effizienter und somit weniger energieintensiv. Auch für die Trinkwassergewinnung aus Mehrwasser mittels Umkehrosmose kann man sich ihren Einsatz aus energietechnischen Gründen vorstellen. Die Rede ist weiter von effizienteren Batterien und Speichermedien wie auch von besseren Solarzellen. Hier steckt die Forschung jedoch noch in den Kinderschuhen.
Risiken
Da Nanopartikel extrem klein sind können sie Grenzen in unserem Körper überwinden, an welchen grössere Teilchen hängen bleiben. Das meistdiskutierte Risiko betrifft die Aufnahme von Nanopartikeln in die Lunge. Dort können die Teilchen Entzündungen sowie Lungenkrebs hervorrufen, ähnlich wie das – mittlerweile verbotene – Feuerschutzmittel Asbest.
Von der Lunge können die Partikel aufgrund ihrer Kleinheit auch den Weg in den Blutkreislauf finden und sich im ganzen Körper verteilen. Welche Auswirkungen dies auf unser Immunsystem haben kann, ob sich die Partikel langfristig in unserem Körper ablagern und welche Gefahren damit verbunden sind, ist Gegenstand der Forschung.
Zurzeit wird zudem geforscht, ob die Teilchen auch über den Magen-Darm-Trakt ihren Weg in den Blutkreislauf finden können. In Experimenten mit Tieren konnten Nanopartikel in Leber und Milz nachgewiesen werden, der Grossteil wurde jedoch wieder ausgeschieden.
Ein weiteres Gefährdungspotential ist die Überwindung der Blut-Hirnschranke durch die Teilchen. Diese konnte bis anhin nur bei Tieren nachgewiesen werden, beim Menschen steht der Nachweis noch aus. Könnte die Blut-Hirnschranke überwunden werden, so kann dies zu einer Veränderung der Gehirnstruktur der Betroffenen führen. Eine beunruhigende Hypothese geht davon aus, dass eine hohe Nanopartikelkonzentration zu alzheimerähnlichen Veränderungen im Gehirn führen kann. Auch dieser Beweis steht jedoch noch aus.
Von diesen Risiken betroffen sind vor allem Personen, welche mit Nanopartikeln arbeiten. Liegen diese in Pulverform vor, so besteht ein grosses Risiko, dass die Teilchen eingeatmet werden und sich in der Lunge ablagern oder sich auf den Weg durch den Körper machen. Deshalb wird von verschiedenen Seiten gefordert, dass in der Industrie nur mit Emulsionen, das heisst Flüssigkeiten, in welchen Nanopartikel enthalten sind, gearbeitet werden darf. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit des Einatmens drastisch.
Für den Normalverbraucher stellen aus demselben Grund alle Produkte ein potenzielles Risiko dar, in welchen die Teilchen ungebunden vorliegen, wie etwa in den oben erwähnten Sonnencrèmes. Produkte, in welchen die Partikel in gebundener Form vorliegen, sind jedoch unbedenklich für Umwelt und Endverbraucher, da diese Teilchen nicht mit ihrer Umwelt interagieren können.
In Bezug auf die Umwelt sind vor allem Anwendungen der Nanotechnologie heikel, bei welchen die Teilchen an der Oberfläche oder sogar ungebunden vorliegen. Dies ist beispielsweise bei schmutzabweisenden Fassadenanstrichen, welche langsam verwittern, der Fall. Diese können dann in Oberflächengewässer gelangen, was zurzeit als grösste – von Nanoteilchen ausgehende – Umweltbedrohung angesehen wird. Von gewissen Teilchen weiss man, dass sie sich schnell in neue Verbindungen begeben und so „entschärft" werden, bei anderen weiss man, dass sie sich in Sedimenten ablagern. Über die Wirkung, die sie dort entfalten ist jedoch noch wenig bekannt.
Ähnlich wie beim Menschen weiss man noch zu wenig, was mit Nanopartikeln, welche von Tieren aufgenommen werden, passiert. In Zellkernen konnten sie bisher noch nicht nachgewiesen werden. Wenn dies der Fall wäre, könnte dies im schlimmsten Fall zu krebsartigen Veränderungen führen, da die extrem reaktiven Teilchen die DNS der Zelle verändern und beispielsweise das Zellwachstum beschleunigen könnten.
Internationale Kooperation
Zurzeit fehlen internationale Reglemente zum Umgang mit nanoskaligen Materialien. Auch innerhalb der EU steckt die Regulierung dieses Wirtschaftsbereichs noch in den Kinderschuhen. Die Schweiz übernimmt zusammen mit den USA eine Vorreiterrolle bei der Entwicklung von internationalen Standards.
Diese Bemühungen werden jedoch erschwert durch den Fakt, dass die Industrie der Wissenschaft oft einige Schritte voraus ist: Konnte die Gefährdung eines Teilchens ausgeschlossen werden, so stehen schon wieder 10 neue bereit, deren Auswirkungen untersucht werden müssten.
Das Übergewicht der Industrie ist ein strukturelles Problem, an welchem die Bildungsinstitutionen und somit letztlich die Politik nicht ganz unschuldig sind. So gibt es beispielsweise an der Universität Basel einen Studiengang im Bereich Nanotechnologie. Innerhalb dieses Studiengangs stellt die Risikoforschung jedoch selten bis nie ein Thema dar, geschweige denn einen gesonderten Lehrbereich.
Fazit
Das Forschungs- und Entwicklungsfeld der Nanotechnologie ist ein extrem Weites. Einige Forscher sind der Meinung, dass die „Nanorevolution" allein für die Entwicklung der menschlichen Ernährung bedeutender ist als die Agrarrevolution (Einführung von flächendeckenden Einsatz von Düngemitteln).
Auch Innovationen im Non-Food sowie im medizinischen Bereich lassen die Erwartungen an neuartige Produkte und Anwendungen steigen.
Leider wird jedoch zu wenig konsequent an Risiken der neuen Technologie geforscht, wobei gerade in der jüngsten Zeit ein partielles Umdenken auch in der Industrie stattgefunden hat. Grund dafür ist die Angst vor einer „zweiten Gentechnologie". Dort wurde der Fehler gemacht, dass Ängste und Befürchtungen in der Bevölkerung lange Zeit nicht wahr- oder ernstgenommen wurden, was dann weitere Ängste geschürt und zu Moratorien geführt hat. Eine transparente und ausgewogene Informationspolitik von seiten der Industrie ist also unabdingbar, um den Fortbestand der jetzigen Forschungs- und Versuchsfreiheit zu gewährleisten. Daher lohnt es sich auch, Geld in die Risikoforschung zu investieren.
Mehr erfahren Sie unter:
Risikobeurteilung des BAFU 2007
Magazin Umwelt 3/2010 - Nanotechnologie
Kurzfassung der Studie "Nanotechnologie im Bereich der Lebensmittel"
Umgang der Detailhändler mit Nanoprodukten (Code of Conduct)