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Ein Superschwamm für alle Fälle

Foto: Alain Herzog / EPFL

Lebensräume

Ein Superschwamm für alle Fälle

Wendy Lee Queen, Chemieprofessorin auf dem Campus der EPFL im Wallis, forscht mit ihrem Team an einem neuartigen metallorganischen Material, das viele Umweltprobleme lösen könnte. So entstehen zukunftsweisende Verfahren.

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Wie wunderbar wäre es, wenn wir die grössten Umweltprobleme auf unserem Planeten einfach von der Agenda wischen könnten, mithilfe eines magischen Schwamms zum Beispiel. Nur ein Traum, pure Phantasterei? Wenn man Wendy Lee Queen zuhört und sich ihre Forschungsarbeit erklären lässt, gerät man unweigerlich ins Staunen. Die Chemieprofessorin aus South Carolina hat sich zum Ziel gesetzt, den Traum vom «Zauberschwamm» wahr zu machen. Sie ist offenbar auf bestem Weg dorthin. Und dies nicht irgendwo auf der Welt, sondern am EPFL-Campus in Sitten, einem Hotspot für innovative Forschungsprojekte.

Wendy Lee Queen, ausserordent­liche Professorin für Chemieingenieurwesen an der Fakultät für Grundlagenforschung, ist Wissenschafterin aus Leidenschaft, eloquent und voller Optimismus. «Ich bemühe mich um einen positiven Blick auf die Dinge», sagt die Amerikanerin. Es sei ihre feste Überzeugung, dass man auch als Individuum eine Menge bewegen könne. Queen hat überhaupt nichts dagegen, wenn man sie deswegen als Idealistin bezeichnet. «Um Erfolg zu haben, braucht man den Glauben daran, die Welt verändern zu können», betont die 41-Jährige.

Ein Schwamm in Pulverform

Am Herzen liegt ihr vor allem, Lösungen zur Bewältigung der fortschreitenden Umweltverschmutzung und des Klimawandels zu finden. Gefragt sind neue Technologien, mit denen sich etwa CO2-Emissionen aus der Luft filtern und in Energie umwandeln lassen. Welchen Beitrag sie dazu leisten kann, erklärt sie ohne jeden Anflug von Fachchinesisch. «Mit meinem Team arbeite ich an der Entwicklung neuer Materialien zur Trennung von Gasen und Flüssigkeiten. Stellen Sie sich eine Struktur wie den Schwamm vor, den Sie in Ihrer Küche verwenden, nur mit unglaublich kleinen Poren, die 50000 Mal feiner sind als der Durchmesser eines Haares.»

Die Forscherin nimmt ein Reagenzglas zur Hand, das mit einem blauen Pulver gefüllt ist. Extrem winzige Superschwämme. «Diese neuen Materialien bestehen aus Metallen und organischen Komponenten. Dank ihrer einzigartigen Struktur haben Sie in jedem Gramm eine Austauschfläche, die der Fläche eines Fussballplatzes entspricht. Das ist Weltrekord.» Die mikroporösen Materialien, auf Englisch «metal organic frameworks» (MOF) genannt, wirken als Filter und erfassen Elemente bis in den molekularen Bereich. «Auf diese Weise können wir Chemikalien aus der Luft absorbieren, zum Beispiel Kohlendioxid aus Kraftwerken oder Abgase aus Auspuffrohren.» Erhitzt man die Schwämme später in sicherer Umgebung, werden die eingefangenen Partikel aus den Nanoporen freigesetzt. So lässt sich beispielsweise hochreines CO2 gewinnen, das man unterirdisch speichern oder in umgewandelter Form weiterverwenden kann, etwa als Brennstoff.

Wissenschaftliche Revolution?

Ein anderes grosses Thema ist die Wasseraufbereitung. «Stellen Sie sich vor: Etwa 25 Prozent der Weltbevölkerung haben heute keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser. Deshalb versuchen wir, unsere Superschwämme so zu designen, dass wir damit gezielt Schwermetalle und toxische Partikel aller Art aus dem Wasser entfernen können.» In einem weiteren Projekt beschäftigt sich Queen auch mit medizinischen Sauerstoff­geräten. «Hier besteht die Aufgabe darin, aus der Umgebungsluft möglichst reinen Sauerstoff in hoher Konzentration zu gewinnen, was in Ländern mit hoher Luftfeuchtigkeit, siehe Afrika, eine grosse Herausforderung ist. Darum überlegen wir uns, wie wir diese Geräte so optimieren können, dass sie noch unempfind­licher werden gegen Wasser.»

Ist ihre so vielfältig anwendbare Schwammtechnologie eine wissenschaftliche Revolution? So weit würde Queen nicht gehen. «Das Konzept wurde schon vor etwa 30 Jahren entdeckt. Daran wird also schon längere Zeit geforscht. Meine Arbeit konzentriert sich darauf, die nötige Expertise zu sammeln, um diese Schwämme so zu modifizieren, dass sie für die spezifischen Funktionen und Anwendungen optimal genutzt werden können.»

«Etwa 25 Prozent der Weltbevölkerung hat heute keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser.»

Längst schon ist es im Labor und in Pionieranlagen gelungen, CO2 aus der Luft und Schwermetalle aus dem Wasser zu filtern. Die Frage ist nur: Wird dies eines Tages auch in ganz grossem Stil möglich sein? «Ja, sicher!», ist Queen überzeugt. «Wir arbeiten derzeit intensiv daran, das Verfahren so effizient und kostengünstig wie möglich zu gestalten. Unser Ziel ist es, dass die Schwämme auch in grossem Massstab eingesetzt werden können. Wann dies genau so weit sein wird, ist heute noch nicht absehbar.

Für den Markt sind ja vor allem die Kosten entscheidend: Neue Verfahren müssen billiger sein als die bisher verwendeten.» Benötigt werde auch die Unterstützung der Politik, etwa um eine nachhaltige Technologie wie die CO2-Absonderung immer mehr zu etablieren. Queen verweist darauf, dass es bereits erste Startups gebe, auch in der Schweiz, die mit speziellen Anlagen auf diesem Gebiet aktiv seien – mit Erfolg. «Sie zeigen, dass es tatsächlich möglich ist, schädliche Emissionen in grösseren Mengen aus der Luft aufzufangen.»

Eine Frage der Ressourcen

Die Forschung an zukunftsweisenden Verfahren ist nur möglich, wenn dafür auch die nötigen Ressourcen zur Verfügung stehen, vor allem exzellent ausgestattete Labore. Forschungsprojekte können zur Geduldsprobe werden – eine scheinbar endlose Kette von Tests und Fehlversuchen. Der Weg zum Erfolg ist enorm aufwendig. Wendy Lee Queen schwärmt darum von den Möglichkeiten, die ihr und ihrem Team am Campus in Sitten geboten werden.

«Wir können hier unter besten Bedingungen arbeiten, auch im internationalen Vergleich. Als ich 2015 die Gelegenheit bekam, von Berkeley in die Schweiz zu kommen, um als Tenure-Track Assistant Professor das Labor für funktionale anorganische Materialien zu leiten, musste ich nicht lange nachdenken. Die Voraussetzungen an der EPFL sind einfach top! Wir können hier viele Projekte schnell und flexibel angehen, was in anderen Institutionen häufig nicht so der Fall ist. Die EPFL tut alles dafür, dass wir erfolgreich sein können.» Zur besonderen Kultur der Hochschule gehören auch der Austausch und die enge Zusammenarbeit mit Professorinnen und Professoren aus anderen Fachgebieten. Nicht zu vergessen die finanziellen Mittel, die von der Industrie, aus dem Stiftungsbereich und von NGOs bereitgestellt werden. Das beeinflusse aber nicht die eigentliche Forschung. «Unsere akademische Freiheit ist davon unberührt», unterstreicht Queen.

Ihre Arbeiten im Wallis haben laut EPFL bereits zu sechs Patenten geführt. Hinzu kommen bis heute 75 wissenschaftliche Veröffentlichungen, in denen sie ihre Expertise unter Beweis gestellt hat. Ausserdem wurde die Professorin 2020 von der Fachzeitschrift «Chemical & Engineering News» zu einer der «Talented 12» erkoren – eine Auszeichnung für «junge aufstrebende Stars, die chemisches Know-how nutzen, um die Welt zu verändern.»

Der Erfolg ist ihr übrigens nicht in die Wiege gelegt worden: Queen ist die erste aus ihrer Südstaaten-Familie, die studiert hat. «Bis ich aufs College gekommen bin, hatte ich auch gar nicht den Traum, Wissenschafterin zu werden. Als Kind wollte ich professionelle Baseballspielerin werden. Das ist auch immer noch eine Leidenschaft von mir, auch hier in der Schweiz.» Als es um die Berufswahl ging, habe sie sich nach einem Job gesehnt, der nicht monoton, nicht jeden Tag gleich sei. «Das hat meine Karriere bestimmt», sagt Queen. «Wissenschaft fordert mich heraus, kreativ zu sein, mich ständig mit neuen Dingen zu beschäftigen.»

Ob es ihr Metier auch noch in 100 Jahren geben werde, ist Wendy Lee Queen in einem EPFL-Video gefragt worden. Ihre Antwort: «Ich hoffe sehr, dass mein Arbeitsgebiet dann nicht mehr existiert. Es würde bedeuten, dass wir die Aufgaben gelöst hätten, die wir lösen wollten: Jeder Mensch auf der Welt hätte Zugang zu sauberem Trinkwasser und reiner Luft. Probleme wie Umweltverschmutzung, CO2-Ausstoss und Erderwärmung wären beseitigt.»

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