Membranen für die Welt von morgen

Text: Trio MedienService Bonn

Matthias Wessling ist einer der führenden Köpfe in der Membran- und Polymerforschung, die in der Wasseraufbereitung und Energiegewinnung ebenso zum Einsatz kommt wie in der Medizin. Um neue Entwicklungen schneller voranzutreiben, will der international renommierte Forscher an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen die Ingenieur- und Naturwissenschaften enger verzahnen.

Matthias Wessling ist Ingenieur und gleichzeitig Architekt: Er baut Membranen, Hightech-Filter aus filigranen Kunststoffbausteinen. Um sie zu gewinnen, verflüssigt er feste Kunststoffe mit Lösungsmitteln und schafft neue Gebilde. „Das ist so ähnlich wie bei Milch: Schüttet man Essig hinein, flockt sie aus“, erklärt der Ingenieurwissenschaftler. „Im Unterschied dazu können wir bestimmen, welche Formen bei der Erstarrung der Kunststoffe entstehen.“ Entweder sehen die Gebilde aus wie dünnes Papier oder wie kleine Strohhalme, ihre Poren sind kleiner als ein Nanometer – also unfassbar winzig. Denn ein Nanometer verhält sich zu einem Meter wie ein Sandkorn zur Größe der Erde. „Durch das Verflüssigen und Erstarren geben wir dem Kunststoff eine neue funktionelle Eigenschaft, nämlich die eines molekularen Filters“, so der Wissenschaftler. Bauplan und Größe der Membranen, die aus diesem Prozess hervorgehen, bestimmen die Stoffe, die später herausgefiltert werden sollen. So kann der Ingenieurwissenschaftler die Membranen genau auf ihr künftiges Einsatzgebiet zuschneiden. Er beherrscht ihre Funktion durch systematisches Manipulieren der Poren im Nanometerbereich.

Ein Produkt, viele Lösungen
„Die membranbasierte Nanotechnologie ist gesellschaftlich hochrelevant, und ihre Anwendungsfelder sind breit gefächert“, sagt Wessling. Sie rettet beispielsweise Millionen Dialysepatienten das Leben, allein in Deutschland sind rund 70 000 Menschen auf eine künstliche Niere angewiesen. Membranen in Dialyseapparaten übernehmen zum Teil die Aufgaben der Nieren, indem sie Wasser und Giftstoffe aus dem Blut filtern. „In der kurzen Zeit seit meinem Stellenantritt in Aachen hatte ich schon inspirierende Kontakte mit Nierenspezialisten des Aachener Uniklinikums. Ich erhoffe mir eine enge Zusammenarbeit, um in den kommenden 20 Jahren noch bessere Dialysatoren zu bauen, basierend auf neuen Wechselwirkungen zwischen der Zellforschung und neuer materialwissenschaftlicher Grundlagenforschung“, sagt der Humboldt-Professor.

Membranen filtern Giftstoffe nicht nur aus dem Blut, sondern auch aus der Luft und spielen daher beim Klimaschutz eine wichtige Rolle. „Heute werden immer noch viele Kohlekraftwerke gebaut, deshalb müssen wir handeln, um sie umweltverträglicher zu machen“, so Wessling. Er entwickelt daher Membranen, die Kohlendioxid, das bei der Verbrennung von Kohle entsteht, aus dem Rauchgas filtern. Der Wissenschaftler ist dafür seit Längerem in große Forschungskonsortien im niederländischen Twente – sein Arbeitsplatz vor der Humboldt-Professur – und Aachen eingebunden.

Hightech-Filter können auch helfen, Energie zu erzeugen. Zum Beispiel in Deltaregionen, wo Flüsse ins Meer münden. Dabei wird ein natürliches Phänomen genutzt: die Osmose. Das Süßwasser strömt durch die Membran ins Salzwasser, dieses kann hingegen den Filter nicht durchdringen. „So baut sich auf der einen Seite Druck auf, den man über Turbinen entspannen und so in Strom umwandeln kann“, erläutert Matthias Wessling. Für ein ähnliches Projekt in den Niederlanden hat der Ingenieurwissenschaftler bereits geeignete Membranen entwickelt.

Künftige Anwendungen im Blick
An der RWTH Aachen will der Ingenieurwissenschaftler sein Fach enger mit den Naturwissenschaften verzahnen. „Der Weg von der wissenschaftlichen Entdeckung bis zu ihrem Einsatz in der technologischen Landschaft ist lang. Ich will Grenzen überschreiten und ihn damit beschleunigen“, sagt der Pragmatiker. „Die RWTH verfügt sowohl über die Forschung, um Neues zu entdecken und Grundsätzliches zu verstehen, als auch die Kenntnisse, Produkte zu realisieren.“ Zwei Welten, die für den Ingenieurwissenschaftler zusammengehören und die die RWTH in den kommenden Jahren noch stärker integrieren will.

Ein Konzept, das die Hochschule und ihre Aachener Verfahrenstechnik auch mit dem neuen Forschungsschwerpunkt „New Generation Processes and Products“ verfolgen: Dahinter verbirgt sich eine Bio-Raffinerie. Hier sollen Ingenieurwissenschaftler gemeinsam mit Chemikern und Physikern aus nachwachsenden Rohstoffen neue Bausteine für die Industrie von morgen entwickeln – eine riesige Herausforderung. Denn in den kommenden 30 Jahren wird sich die Rohstoffversorgung drastisch verändern, weil das Erdöl zur Neige geht. „Unsere heutige Chemie basiert auf Erdöl. Das heißt, wir brauchen dringend Alternativen, und die gewinnen wir aus der Natur, zum Beispiel aus Holz, Gras oder Stroh“, erklärt Matthias Wessling. Die Membranen haben dabei eine zentrale Funktion: Erst durch sie können die Forscher die einzelnen Bausteine und Moleküle dieser Biomasse trennen und säubern, um sie ihrer neuen Nutzung zuzuführen. „Wir erhalten damit verschiedene Legosteine, aus denen wir neue Chemikalien bauen können.“ Der Vorteil: regenerierbare Ressourcen − unabhängig vom Erdöl −, deren Gewinnung weniger Energie verbraucht. Der Forschungsschwerpunkt ist also ein Schlüssel für künftige industrielle Prozesse, daran wird Wessling maßgeblich mitwirken.