Forschende der Universität Bonn wollen mit ihrer Erfindung Waschmaschinen sauberer machen
Abwasser aus Waschmaschinen gilt als bedeutende Quelle für Mikroplastik - winzige Kunststoffpartikel, die im Verdacht stehen, die Gesundheit von Mensch und Tier zu schädigen. Forschende der Universität Bonn haben nun einen neuen Filter entwickelt, der dieses Problem eindämmen könnte. Als Vorbild diente ihnen dabei das Kiemenreusensystem von Fischen. In ersten Tests konnte der inzwischen zum Patent angemeldete Filter mehr als 99 Prozent der Plastikfasern aus dem Abwasser von Waschmaschinen entfernen. Die Ergebnisse sind nun in der Zeitschrift „npj emerging contaminants“ erschienen.
Eine Waschmaschine in einem Vier-Personen-Haushalt produziert pro Jahr bis zu 500 Gramm Mikroplastik, das durch den Abrieb von Textilien entsteht. Die Haushaltsgeräte zählen damit zu einer der wichtigsten Quellen für die winzigen Partikel. Momentan gelangt Mikroplastik direkt über das Abwasser in den Klärschlamm der Kläranlagen. Da dieser oft als Dünger genutzt wird, landen die Fasern so schließlich auf den Feldern.
Seit etwa zehn Jahren suchen viele Hersteller daher nach Möglichkeiten, Mikroplastik aus dem Waschwasser zu entfernen, damit es nicht in die Umgebung gelangt. „Die bislang erhältlichen Filtersysteme haben aber verschiedene Nachteile“, erklärt Dr. Leandra Hamann vom Institut für organismische Biologie der Universität Bonn. „Einige von ihnen setzten sich schnell zu, andere haben keine ausreichende Filterwirkung.“
Fischen ins Maul geschaut
Die Wissenschaftlerin hat daher zusammen mit ihrem Doktorvater Dr. Alexander Blanke, sowie Kolleginnen und Kollegen, nach möglichen Lösungen im Tierreich gesucht. Dabei haben sich die Forschenden an Tieren orientiert, die als wahre Meister der Filtertechnologie gelten dürfen - und das bereits seit Hunderten von Millionen Jahren.
Die Rede ist von Fischen, die sich mittels Filtration ernähren; dazu zählen beispielsweise Makrelen, Sardinen oder Sardellen: Sie schwimmen mit geöffnetem Maul durch das Wasser und fischen dabei mit ihrem Kiemenreusensystem das Plankton heraus. „Wir haben uns den Bau dieses Systems genauer angesehen und nach diesem Vorbild einen Filter entwickelt, der sich in Waschmaschinen einsetzen lässt“, sagt Blanke, der Mitglied in den Transdisziplinären Forschungsbereichen „Life & Health“ sowie „Sustainable Futures“ an der Universität Bonn ist.
Im Laufe der Evolution haben die genannten Fischarten eine Technik hervorgebracht, die der Querstrom-Filtration ähnelt: Ihr Kiemenreusensystem hat die Form eines Trichters, der am Maul der Fische am breitesten ist und sich zu ihrem Schlund hin verjüngt. Die Wände des Trichters werden von den Kiemenbögen geformt. Diese sind ihrerseits mit kammartigen Strukturen besetzt, den Rechen, auf denen wiederum kleine Zähnchen sitzen. So entsteht eine Art Maschengewebe, das von den Kiemenbögen aufgespannt wird.
Selbstreinigung: Plankton rollt in Richtung Schlund
„Bei der Nahrungsaufnahme strömt das Wasser durch die durchlässige Trichter-Wand, wird gefiltert, und das partikelfreie Wasser wird durch die Kiemen wieder in die Umgebung abgegeben“, erläutert Blanke. „Das Plankton ist dazu allerdings zu groß; es wird durch die natürliche Siebstruktur zurückgehalten. Dank der Trichterform rollt es dann Richtung Schlund und sammelt sich dort, bis der Fisch schluckt und dadurch das System entleert und reinigt.“
Dieses Prinzip verhindert, dass der Filter verstopft - die Fasern treffen nicht senkrecht auf den Filter, sondern rollen an ihm entlang Richtung Schlund. Zugleich ist der Prozess sehr effektiv: Er entfernt fast das komplette Plankton aus dem Wasser. Beides sind Punkte, die ein Mikroplastik-Filter ebenfalls erfüllen muss. Die Forschenden haben das Kiemenreusensystem daher nachgebaut. Dabei haben sie sowohl die Maschengröße der Siebstruktur als auch den Öffnungswinkel des Trichters variiert.
Der Filter erzielt eine hohe Effizienz
„Wir haben so eine Kombination von Parametern gefunden, bei der unser Filter mehr als 99 Prozent des Mikroplastiks aus dem Wasser abscheidet und dennoch nicht verstopft“, sagt Hamann. Zu diesem Zweck setzte das Team nicht nur auf Experimente, sondern auch auf Computersimulationen. Der Filter nach Vorbild der Natur enthält keine aufwändige Mechanik und sollte sich daher sehr kostengünstig herstellen lassen.
Das Mikroplastik, das er aus dem Waschwasser fischt, sammelt sich im Filterausgang und wird von dort einige Male pro Minute abgesaugt. Man könne es danach zum Beispiel in der Maschine pressen, um so das enthaltene Wasser zu entfernen, meint die Wissenschaftlerin, die inzwischen an die University of Alberta im kanadischen Edmonton gewechselt ist. Alle paar Dutzend Wäschen könne man das so entstandene Plastik-Pellet dann entnehmen und im Restmüll entsorgen.
Die Universität Bonn und das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT hat die Technologie in Deutschland bereits zum Patent angemeldet; die EU-weite Patentierung wird angestrebt. Die Forschenden hoffen nun, dass Hersteller den Filter weiterentwickeln und in künftigen Waschmaschinen-Generationen verbauen werden. So ließe sich die Verbreitung von Mikroplastik aus Textilien zumindest ein Stück weit eindämmen. Und das tut auch Not: Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Partikel möglicherweise gravierende gesundheitliche Schäden hervorrufen können. Sie wurden bereits in der Muttermilch und der Plazenta nachgewiesen - und sogar im Gehirn.
Beteiligte Institutionen und Förderung:
An der Studie war neben der Universität Bonn das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT beteiligt. Die Arbeiten wurden aus Mitteln des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) und des European Research Council (ERC) gefördert. Den Schutz und die Vermarktung der Erfindung unterstützt das Transfer Center enaCom der Universität Bonn in enger Zusammenarbeit mit der PROvendis GmbH, Dienstleister des NRW-Hochschulverbunds für Wissens- und Technologietransfer „innovation2business.nrw“.