Schwimmfarne: Wunderwaffe gegen Ölpest

Mit Nanopelzen Ölkatastrophen umweltfreundlich bekämpfen

Ausgerechnet eine unscheinbare tropische Schwimmpflanze könnte der Schlüssel für die umweltfreundliche Beseitigung von Ölkatastrophen auf dem Meer sein. Denn die Blätter des Salvinia-Schwimmfarns sind in der Lage, in sehr kurzer Zeit sehr große Mengen Öl aufzunehmen. Sie sind stark wasserabstoßend und zugleich in hohem Maße ölabsorbierend. Dies fand eine KIT-Forschergruppe gemeinsam mit Kollegen der Universität Bonn heraus. Außerdem konnten sie die ölbindende Eigenschaft auf die haarähnliche Mikrostruktur der Blattoberfläche (Nanopelz) zurückführen. Dies dient jetzt als Vorbild, um das Material Nanofur weiterzuentwickeln. Damit könnten Ölverschmutzungen nach einer Ölpest umweltfreundlich beseitigt werden.

Apokalypse im Golf von Mexiko

Am 20. April 2010 traf ein apokalyptisches Desaster den Golf von Mexiko. Nach der Explosion und dem Untergang der Ölplattform „Deepwater Horizon“ traten schätzungsweise 780 Millionen Liter Öl aus dem leckgeschlagenen Bohrloch. In dichten Schwaden zog das schwarze Gift durch den Golf. Es gelangte in Buchten und flache Gewässer. In der Folge wurde die Umwelt auf Jahre schwer geschädigt.

So verendeten innerhalb von zwei Jahren nach der Ölkatastrophe vor der Küste Lousianas fast 16-mal so viele Delfine wie sonst in einem Jahrzehnt. Experten sehen einem unmittelbaren Zusammenhang. Aber auch mit dem massiven Einsatz chemischer Dispersionsmittel.

Pest oder Cholera?

Bei dem Versuch, das Öl zu binden, wurden große Mengen hochgiftiges Corexitin eingesetzt. Kritiker hatten vor dem Einsatz dieses Bindemittels wegen seiner Toxizität gewarnt. Das Gift könnte sich bei Delfinmüttern über die Nahrungskette anreichern. Mit der Zeit würden die heranwachsenden Embryos langsam vergiftet. Sie hatten Recht. Denn die toten Delfine wurden in Gebieten gefunden, die besonders stark von der Ölpest betroffen waren.

Neue Wunderwaffe gegen Ölkatastrophen?

Die Wasserpflanze Salvinia kann dank feiner Haare auf der Blattoberfläche Mineralöl von Wasserflächen aufnehmen und binden.

Die Wasserpflanze Salvinia kann dank feiner Haare auf der Blattoberfläche Mineralöl von Wasserflächen aufnehmen und binden.
Bild: C.Zeiger/KIT

Alternative, natürliche Materialien zum Aufsaugen von ausgetretenem Öl – wie Sägemehl oder Pflanzenfasern – sind wenig effektiv. Sie saugen sich zugleich mit großen Mengen Wasser voll. Auf der Suche nach einer umweltfreundlichen Möglichkeit, Ölteppiche zu entfernen, verglichen die Forscher schließlich verschiedene Schwimmfarn-Arten. „Dass die Blätter dieser Pflanzen wasserabstoßend sind, war bereits bekannt. Wir haben erstmals ihre Eigenschaft, Öl zu absorbieren, untersucht“, sagt Claudia Zeiger. Sie führte die Studie am Institut für Mikrostrukturtechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) durch.

Natürliche Ölabsorber

Bereits nach weniger als 30 Sekunden haben Salvinia-Blätter ihre maximale Absorption erreicht. Dann kann man sie zusammen mit dem aufgenommenen Öl abschöpfen.

Die Blattoberfläche der Wasserpflanze ist gespickt mit Trichomen. Das sind haarähnliche, zwischen 0,3 und 2,5 Millimeter lange Ausläufern. Beim Vergleich unterschiedlicher Salvinia-Arten zeigte sich, dass nicht etwa die Blätter mit den längsten Haaren besonders viel Öl absorbierten. „Ausschlaggebend für die Öl-Aufnahmefähigkeit ist die Form der Haarenden“, betont Zeiger. Das meiste Öl absorbieren Blätter der Schwimmfarn-Art Salvinia molesta. Deren Haarenden sind in der Form eines Schneebesens miteinander verbunden. Damit bilden sie einen wirkungsvollen Nanopelz.

Das enorme Potenzial des Schwimmfarns als kostengünstiger, schneller und umweltfreundlicher Ölabsorber wird eindrucksvoll in der kurzen Videosequenz deutlich:

Aus Salvinia wird Nanofur: Manchmal hilft der Zufall der Innovation auf die Sprünge

Die KIT-Forscher Hendrik Hölscher und Matthias Worgull ließen sich davon inspirieren. 2012 begannen sie in ihren Arbeitsgruppen mit Experimenten, um die winzigen Salvinia-Härchen mithilfe der Mikrostrukturtechnik nachzubauen. Doch es war ein Zufall im Labor der zum Ziel führte. Denn mit einer etwas anderen Anordnung von Härchen und Kratern ließ sich  Öl besonders gut aufsaugen. „Folien mit einer solchen Oberflächenstruktur nennen wir Nanopelz. In ein Öl-Wasser-Gemisch getaucht, entfernt er die Ölanteile schnell und ohne Umweltbelastung“, erklärt Physiker Hendrik Hölscher.

Das neue Wissen nutzen die Forscher nun, um das an ihrem Institut entwickelte Material Nanofur zu verbessern. Noch ist der Prototyp zu klein für einen Einsatz auf hoher See. Hölscher und Worgull arbeiten jedoch auf eine groß-technische Nanopelz Fertigung zu.

Als Erstautorin stellt Claudia Zeiger die Untersuchungsergebnisse unter dem Titel „Microstructures of superhydrophobic plant leaves – inspiration for efficient oil spill cleanup materials“ im Fachmagazin Bioinspiration & Biomimetics vor.

Die Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des vom Bionik-Pionier Wilhelm Barthlott, dem Entdecker des Salvinia®-Effekts, gegründeten Nees-Instituts für Biodiversität der Pflanzen an der Universität Bonn.

Die Forschung wurde gefördert durch ein Promotionsstipendium der Carl-Zeiss-Stiftung, durch das brasilianische Forschungs- und Austauschprogramm Ciências sem Fronteiras sowie durch die Hochtechnologieplattform Karlsruhe Nano-Micro-Facility (KNMF) am KIT.
Claudia Zeiger, Isabelle C Rodrigues da Silva, Matthias Mail, Maryna N Kavalenka, Wilhelm Barthlott and Hendrik Hölscher: Microstructures of superhydrophobic plant leaves – inspiration for efficient oil spill cleanup materials. Bioinspiration & Biomimetics. DOI: 10.1088/1748-3190/11/5/056003
KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft
Foto oben:
Schneebesenförmige, wachsbeschichtete Härchen machen die Blätter der Wasserpflanze Salvinia molesta außerordentlich wasserabweisend. (Bild: W.Barthlott/Nees-Institut)

Weitere Informationen

Microstructures of superhydrophobic plant leaves – inspiration for efficient oil spill cleanup materials