Nanotechnologie

Fortschritt für Mensch, Umwelt und Wirtschaft.

1. Das grösste Risiko bei der Nanotechnologie besteht darin, ihre Chancen nicht zu nützen.

Bereits heute beeinflussen nanotechnologische Erkenntnisse ein Weltmarktvolumen von 100 Mrd. Euro. Bis zum Jahr 2010 prognostieren Experten eine Verzehnfachung, das heißt 1 Billion Euro.

Sie gilt als eine der Schlüsseltechniken der Zukunft, und Politik, Wissenschaft und Wirtschaft hegen große Erwartungen in sie: die Nanotechnik. Unter Nanotechnik versteht das Umweltbundesamt (UBA) – in Anlehnung an die Definition des Büros für Technikfolgenabschätzung des Deutschen Bundestages (TAB) – die Herstellung, Untersuchung und Anwendung von Strukturen – zum Beispiel Partikeln, Schichten oder Röhren – in einer Dimension kleiner als 100 Nanometer (nm), also über 1000 mal kleiner als der Durchmesser eines Menschenhaares (ca. 100 Mikrometer). Künstlich erzeugte Nanopartikel und nanoskalige Systemkomponenten besitzen neue Eigenschaften - zum Beispiel erhöhte Reaktivität, veränderte Lichtabsorption und dadurch veränderte Farbe -, die für die Entwicklung neuer Produkte und Anwen-dungen von Bedeutung sind. Diese neuen Material- und Stoffeigenschaften leiten sich aus den besonderen Oberflächen- und Grenzflächeneigenschaften und zum Teil aus der geometrischen Form des Materials ab.

Das UBA geht auf Grundlage der verfügbaren Fachliteratur 1 davon aus, dass die Nanotechnik in den kommenden Jahrzehnten die Industrie in wesentlichen Branchen – etwa in der Automobilindustrie, im Maschinenbau, der Chemie, der Pharmazie, der Medizin oder der Bio- und Umwelttechnik – stark beeinflussen wird und das Potential zur grundlegenden Veränderung ganzer Technikfelder besitzt. In Deutschland gibt es im Jahr 2006 etwa 550 Unternehmen mit rund 50.000 Beschäftigten, die im Bereich Nanotechnik tätig sind. Die Industrie erwartet große Marktpotentiale, sie reichen weltweit bis zu einer Billion US-Dollar im Jahr 2015.

Nanotechnik birgt nach Meinung vieler Fachleute nicht nur positives Potential für die wirtschaftliche Entwicklung. Auch für den Umwelt- und Gesundheitsschutz werden starke Verbesserungen erwartet. So können nanotechnische Entwicklungen vor al-lem die Ressourceneffizienz erhöhen und die Umweltschutzleistungen insgesamt verbessern.

Aber: Trotz der in den vergangenen Jahren rasanten Entwicklung der Nanotechnik und der wachsenden Zahl der mittels Nanotechnik hergestellten Produkte ist noch sehr wenig über die Exposition der Menschen und der Umwelt durch Nanopartikel bekannt. Die Frage, welche Wirkung Nanopartikel auf den Menschen und die Umwelthaben, ist noch nicht genügend beantwortet. Wegen der neuartigen Eigenschaften von Nanopartikeln ist daher die technische Entwicklung auch mit Risikobewertungen zu begleiten, denn es gilt potentielle Schäden und Kosten durch die neue Technik zu identifizieren und dann zu vermeiden – so, wie es bei jeder neuen Technik mittlerwei-le üblich ist. Insbesondere das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und die EU-Kommission haben hierzu in den vergangenen Jahren mit der Förderung einer Reihe von Forschungsprojekten reagiert. Das Forschungsministeri-um ist beispielsweise mit der „Innovations- und Technikanalyse zur Nanotechnologie“ (2002 bis 2004) sowie mit der Initiative „NanoCare“ (2006 bis 2008), die Europäische Union mit dem sechsten und siebenten Forschungsrahmenprogramm, „NanoSafe 1“ (2003 bis 2004) und „NanoSafe 2“ (seit 2005), aktiv geworden.

Das UBA ist an dieser Diskussion (siehe Abschnitt „Aktivitäten des Umweltbundes-amtes“) beteiligt, Die Diskussion über die Chancen und Risiken der Nanotechnik soll-te nüchtern-sachlich und jenseits von Technikskeptizismus und Technikbegeisterung geführt werden.

Auf den kommenden Seiten fasst das UBA das Wissen über Chancen und Risiken der Nanotechnik zusammen. Dargestellt sind sowohl die Umweltentlastungs-potentiale dieser innovativen Technik – vor allem in den Bereichen der Ressourcen-schonung, der Energieeffizienz und des Gesundheitsschutzes – als auch der Um-weltbelastungspotentiale und möglichen gesundheitlichen Risiken sowie der Ansätze zur Verringerung derselben.

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2. Entwicklungs- und Anwendungsbereiche von Nanotechnik-Produkten

Das UBA erwartet – nach den verfügbaren Informationen 2 - von der Nanotechnik zahlreiche innovative Entwicklungen in verschiedenen technischen Bereichen und unterschiedlichen Anwendungsfeldern sowie Wirtschaftszweigen. Zwar ist die Ent-wicklung und die Marktdurchdringung vieler nanotechnischer Verfahren und Produkte noch in den Anfängen, eine Reihe von Produkten und Produktionsverfahren ist aber bereits auf dem Markt oder auf dem Weg dorthin (siehe Tabelle).

Eine wichtige Informationsquelle zu den unterschiedlichen Anwendungsfeldern ist der Bericht „Nanotechnologie“ des Büros für Technikfolgenabschätzung beim Deut-schen Bundestag (TAB), der sieben Anwendungsfelder aufführt und eine Reihe von Anwendungsbeispielen darstellt:

• Oberflächenfunktionalisierung und –veredelung (zum Beispiel thermische und chemische Schutzschichten, nanometerdünne Beschichtung von Computerfest-platten, biozide Schutzschichten),
• Katalyse, Chemie und Werkstoffsynthese (zum Beispiel katalytisch wirksame Na-nopartikel, Autoabgaskatalysatoren, nanoporöse Filter, Nanoreaktoren),
• Energiewandlung und –nutzung (zum Beispiel Farbstoffsolarzellen, Brennstoffzel-len, leistungsfähigere Batterien/Akkumulatoren, LED),
• Konstruktion (zum Beispiel Kunststoffe mit Nanofüllstoffen sowie neue Metallver-bindungen mit veränderten mechanischen und thermischen Eigenschaften, Ei-genschaftsverbesserungen von Baustoffen durch Betonzusatzstoffe),
• Nanosensoren (zum Beispiel Magnetfeldsensoren, optische Sensoren, Biosenso-ren („Lab-on-a-chip“-Systeme),
• Informationsverarbeitung und –übermittlung (zum Beispiel organische Leuchtdio-den (OLED), elektronische Bauelemente in Nanometerdimensionen) sowie
• Lebenswissenschaften (zum Beispiel Anwendungen der Nanobiotechnologie in Analytik und Diagnostik, ortsgenauer Wirkstofftransport („Drug-Delivery“-Systeme), biokompatible Implantate).

2 Quellen s. Abschnitt 1

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Die Bandbreite nanoskaliger Werkstoffe reicht von anorganischen und organischen Nanopartikeln, die singulär in Aggregaten oder als Pulver sowie in einer Matrix dispergiert oder emulgiert vorliegen können, über Nanokolloide, Nanoröhren und Na-noschichten bis zu den so genannten Fullerenen, das sind komplexe organische Mo-leküle. Unter Umwelt- und Gesundheitsschutzaspekten ist zu berücksichtigen, dass Nanopartikel entweder fest in eine Matrix eingebunden sind oder frei vorliegend ver-wendet werden. Zur Freisetzung ursprünglich fest eingebundener Nanopartikel aus Produkten durch Alterungs- oder Abbauprozesse liegen bisher keine Informationen vor. Wegen der in der Regel festen Einbindung von Nanopartikeln in Schichten oder in Dispersionen ist nach derzeitigem Wissen eine Freisetzung größeren Ausmaßes aus diesen Produkten kaum zu erwarten.

Anorganische Nanopartikel aus Metalloxiden (besonders Siliziumdioxid, Ceroxid, Ti-tandioxid, Aluminiumoxid) haben zurzeit die größte wirtschaftliche Bedeutung. Ihre Hauptanwendungsgebiete liegen in der Elektronik, Pharmazie, Medizin, Kosmetik sowie in der Chemie/Katalyse, zum Beispiel:

• Titanoxid- und Zinkdioxidpartikel als UV-Absorber in Sonnenschutzmitteln,
• Goldpartikel als Markerstoffe in der Medizin und für biologische Schnelltests,
• Aluminiumoxidpartikel als poröse Trägerschicht für Autoabgaskatalysatoren.

 Bei Kohlenstoffpartikeln sind derzeit wirtschaftlich relevant: Carbon Black und Spezi-alruße zum Beispiel als Füllstoffe für Gummi und Pigmente (Toner). Das UBA erwar-tet für Kohlenstoffnanoröhren (CNT) zukünftig ein hohes wirtschaftliches Potential – vor allem für die Anwendung in der Sensorik und Elektronik, zum Beispiel für TV- und PC-Flachbildschirme.

Organische Nanopartikel, wie Polymernanopartikel und nanotechnikbasierte Wirk- und Effektstoffe (wie etwa. Pharmazeutika) können die physiologische Wirksamkeit – etwa von Pharmaka, Kosmetik, Pflanzenschutz oder Ernährung – und die techni-schen Eigenschaften – beispielsweise in Lacken sowie Druckfarben – optimieren. Das UBA erwartet vor allem bei Bindemitteln für Farben und Lacke, Klebebändern und Beschichtungssystemen für Textilien, Holz und Leder ein hohes Wertschöp-fungspotential.

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Für Nanoschichtsysteme gibt es eine Fülle von unterschiedlichen Anwendungsmög-lichkeiten mit hohen Markterwartungen:

• Hartschichten (für Kratzfestigkeit),
• Tribologische Schichten (Verschleißschutz),
• Antifog-Schichten (beispielsweise selbstreinigende Oberflächen für Glas oder Textilien),
• Antireflexschichten (etwa zur Effizienzsteigerung von Solarzellen),
• Korrosionsschutzschichten.

Wegen der möglichen Umwelt- und gesundheitlichen Wirkungen (siehe Kapitel 4) der Nanopartikel sind besonders solche Produkte und Produktionsprozesse aufmerksam zu betrachten, die eine Freisetzung der Nanopartikel vermuten lassen. Dazu gehören Kosmetika, Biozide, Umweltsanierung sowie die Herstellung von Nanopartikeln selbst.

Die nachfolgende Tabelle fasst den derzeitigen Entwicklungsstand und die Anwen-dungsfelder nanotechnischer Produkte zusammen.