Nanotechnologie — Aufbruch ins Reich der Zwerge

„Die Produkte einer hochentwickelten Technologie sind für Angehörige weniger fortgeschrittener Kulturen nicht von Zauberei zu unterscheiden.“ Diesen Satz prägte der bekannte britische Science-Fiction-Schriftsteller Arthur C. Clarke, der auch das Drehbuch zum Filmklassiker „2001 — Odyssee im Weltraum“ schrieb. Produkte, wie Datenspeicher im Miniformat, die das Wissen der gesamten Deutschen Bibliothek aufnehmen können — und die verfügt an den Standorten Frankfurt a.M. und Leipzig über mehr als zehn Millionen Bände, 800.000 Dissertationen und 24.000 Tonträger —; Chips, die die 500 besten Spielfilme aller Zeiten enthalten; Solarzellen, die das Prinzip der natürlichen Photosynthese nutzen; Werkstoffe, deren Eigenschaften man an- oder abschalten kann, erinnern in der Tat stark an Zauberkräfte oder die Hilfe von Außerirdischen. Doch Visionen dieser Art sind auf dem Weg zur Realität und fest verbunden mit einem neuen Arbeitsgebiet, das Wissenschaft und Wirtschaft inzwischen gleichermaßen in Spannung versetzt: die Nanotechnologie.

Moderne Fabriken sind Gebilde mit hohem Organisationsgrad, sie folgen den Prinzipien von Wirtschaftlichkeit und Effizienz und sollen beim Einsatz von Energie und Rohstoffen möglichst sparsam sein. Dabei sind Nebenprodukte weitgehend einzuschränken bzw., wenn nicht vermeidbar, einer sinnvollen Nutzung (Recycling) zuzuführen. Für all diese Ansätze gibt es ein unübertroffenes Beispiel im Nanomaßstab, von dessen Umsetzung in technische Prozesse die Menschheit trotz aller Anstrengungen noch „Lichtjahre“ entfernt ist — die lebende Zelle. Trotz der ungeheuren Vielfalt in der uns bekannten Pflanzen- und Tierwelt ist sie der kleinste, immer gleichbleibende Nenner des Lebens, die Grundeinheit aller Lebewesen von den Einzellern bis zum Menschen. Doch wie kam es zu dieser perfekten Nanofabrik?

„Nanotechnologie entwickelt sich rasch zur industriellen Revolution des 21. Jahrhunderts. Die Wichtigkeit dieser Technologie kann gar nicht hoch genug eingeschätzt werden. Sie wird nahezu alle Bereiche unseres Lebens berühren — von der Medizin, die wir nutzen, über die Leistungsfähigkeit unserer Computer und die Energieversorgung, die wir benötigen, über die Nahrung, die wir essen, und die Autos, die wir fahren, bis hin zu den Gebäuden, in denen wir leben, und der Kleidung, die wir tragen.“ So beschreibt die Nano Business Alliance (NBA), New York die Bedeutung der Nanotechnologie, nicht ohne daraufhinzuweisen, dass die amerikanische Regierung nach konservativen Schätzungen von einem globalen Markt für Nanotechnologie in Höhe von über 1.000 Milliarden Dollar innerhalb nur einer Dekade ausgeht. NBA ist die erste Handelsvereinigung der Nanotechnologie-Industrie und wird von Newt Gingrich, dem ehemaligen Sprecher des amerikanischen Kongresses, und Steve Jurvetson, einem Spezialisten für Venture-Kapital, geführt. Derzeit sind über 250 Unternehmen in der NBA organisiert. „Auf lange Sicht“, so das Resümee der NBA, „wird der Einfluss der Nanotechnologie so bedeutsam sein wie die Erfindung der Dampfturbine, die Nutzbarmachung der Elektrizität und die Entwicklung des Transistors.“ Die optimistischen Prognosen der Amerikaner haben inzwischen auch in Europa ihre Bestätigung gefunden: Ende Mai 2003 fand in Berlin eine Top-Konferenz mit Experten aus Wissenschaft und Wirtschaft unter der Bezeichnung NAMIX (1st Nano-Micro-Interface Conference) statt.

In den meisten Hightech-Bereichen gibt es schon traditionell einen Wettkampf der „großen Drei“, womit die USA, Japan und Deutschland gemeint sind. An die Stelle der Bundesrepublik tritt zunehmend Gesamteuropa, das auch in dieser Hinsicht weiter zusammenwächst, nicht zuletzt seitdem es aus Brüssel entsprechende Programme zur Forschungsförderung gibt. Häufig hat aber Deutschland wenigstens bei Forschung und Entwicklung eine Lokomotivftinktion innerhalb Europas. Der Wettbewerb der „Triade“ um die besten Startpositionen auf den künftigen Märkten findet unter anderem beim Automobil- und Maschinenbau, in Chemie und Pharmazie, in der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik, in Luft- und Raumfahrt statt — es gibt kaum eine Hochtechnologiebranche, die hier nicht berührt wäre. Das unaufhörliche Rennen um die Poleposition gilt aber nicht nur für die Umsetzung von Forschung und Entwicklung in verkaufbare Produkte, sondern auch für die davor liegende Grundlagenforschung selbst, auf deren Ebene sich derzeit noch viele Bereiche der Nanotechnologie befinden. Zwangsläufig kommen sich hier und auch in den Anwendungen die drei „Big Player“ in die Quere, gerade weil die Nanotechnologie die schon häufig angesprochene überragende Querschnittsbedeutung hat.

Wer erinnert sich nicht an den Film „Die phantastische Reise“, den Richard Fleischer 1966 für die 20th Century Fox gedreht hat. Eine U-Boot-Besatzung wird zusammen mit ihrem Gefährt auf die Größe einer Mikrobe geschrumpft und in die Blutbahn eines Wissenschaftlers injiziert, um dort ein lebensbedrohliches Blutgerinnsel zu beseitigen. Für die Crew beginnt in der Tat eine phantastische Reise, die zu einem dramatischen Wettlauf mit der Zeit gerät, denn nur 60 Minuten bleiben zur Erfüllung der Mission. In plastischen Bildern wird deutlich, welche Vorgänge im Körper ablaufen — wobei man nie vergessen darf, dass Hollywood bei diesem Vorgriff auf das Nanozeitalter Regie geführt hat.

„Chemie ist die Naturwissenschaft, die sich mit dem Aufbau und der Umwandlung von Stoffen beschäftigt“, definiert der Brockhaus. Sowohl das innere Gefuge der Stoffe als auch ihre Wechselwirkung mit anderen basiert auf Atomen und Molekülen, deren Abmessungen grundsätzlich im Nanometerbereich liegen, auch wenn es gewaltige Unterschiede zwischen einem einzelnen Wasserstoffatom und einem im Vergleich dazu riesigen Makromolekül z. B. eines Kunststoffs gibt. Auf diese Weise hat die Chemie eine Art „natürliche Affinität“ zum Nanokosmos. Dabei stehen zwei Wege offen: Zum einen erzeugt Chemie Nanomaterialien, die sie an Anwender verkauft, zum anderen setzt dieser Industriezweig diese selbst wiederum in Systemen ein, um bestimmte Eigenschaften oder Funktionalitäten zu schaffen. So ist die Nanostrukturierung beispielsweise für Composite bzw. Verbundwerkstoffe, für das Feingefiige von Polymeren oder auch für ultradünne Schichten von großer Bedeutung.

Die erste Computergeneration hatte noch erhebliche Mängel: Die Rechner benötigten unendlich viel Platz, verwendeten klobige Elektronenröhren und waren wahre Energievernichter. Auf der anderen Seite erzeugten sie jede Menge Abwärme, was wiederum eine aufwändige und kostenintensive Kühlung erforderte, also den Energiebedarf noch einmal vermehrte. Auch mit der Zuverlässigkeit war es nicht weit her, ständige Ausfälle trieben die Reparaturkosten in die Höhe. Einen gewaltigen Fortschritt brachte die Verwendung von Transistoren, die William Shockley und seine Kollegen 1947 von Bell Laboratories erfunden hatten. Sie erfüllten die gleiche Aufgabe wie die Röhren, nahmen deutlich weniger Platz ein und waren vor allem wesentlich günstiger. Auch ihr Energiehunger war weitaus geringer, was das Problem der Wärmeerzeugung und die daraus resultierenden Notwendigkeiten der Kühlung gleich mit reduzierte. Der erste mit Transistoren bestückte Computer war 1955 einsatzbereit, der TRADIC (Transistorized Airborne Digital Computer) wurde für die amerikanische Luftwaffe gebaut und war mit 11.000 Dioden aus dem halbleitenden Metall Germanium sowie mit 800 Transistoren bestückt, seine Leistungsaufnahme betrug nicht einmal mehr 100 Watt.

Mit einem Gesamtumsatz von 31 Milliarden Euro gehört die feinmechanische und optische Industrie zu den wichtigen Branchen in Deutschland. Sie ist überwiegend mittelständisch strukturiert und beschäftigt in mehr als 2.500 Betrieben 216.000 Mitarbeiter. Zu ihr gehören Hochtechnologiebereiche wie Laser- und Labortechnik, die gesamte Bandbreite der Phototechnologien, die Augenoptik und die Medizintechnik. Insbesondere den modernen optischen Technologien wird ein hohes Innovations- und Wachstumspotenzial zugeschrieben. Die traditionell exportstarke und forschungsintensive Industrie erwirtschaftete in 2002 mehr als 50 Prozent ihres Umsatzes im Ausland. Als erfreuliches Signal für die Zukunft und die internationale Wettbewerbsfähigkeit der Branche sind überdurchschnittlich hohe Ausgaben für Forschung und Entwicklung von etwa neun Prozent des Umsatzes für 2003 zu werten.

Der Nanokosmos wird die Makrosysteme revolutionieren. Von diesem Trend wird auch die führende Industriebranehe Deutschlands, der Automobilbau, erheblich profitieren. Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig, eine große Zahl von ihnen lässt sich unter dem Begriff Nachhaltigkeit zusammenfassen. Dazu zählen die gesellschaftlich hoch eingeschätzten Bedürfnisse nach Ökologie und Sicherheit. Aber auch zusätzliche Komfortansprüche haben Auswirkung auf die Entwicklung. Konkrete Einsatzchancen werden von Fachleuten für den Antriebsstrang, für Leichtbau, Energiekonversion, Schadstoffreduktion, Fahrdynamik, Klimatisierung, Umfeldüberwachung, Kommunikation, Verschleißminderung und Recyclebarkeit erwartet.

Der ökologische Nutzen nanotechnologischer Verfahren und Produkte ergibt sich zunächst aus der Ressourcenschonung, also Einsparungen an Material und Energie. Chancen liegen zudem beim Ersatz umweltgefährdender Stoffe und einer flächendeckenden Überwachung der Umwelt. Einige Experten gehen davon aus, dass die fortgesetzte Miniaturisierung in der Herstellung von Produkten per se eine Ressourcenschonung mit sich bringt, weil sie mit geringerem Materialverbrauch dieselbe Funktion erfüllen wie herkömmliche Erzeugnisse. Der Transportaufwand für Waren wäre durch die Gewichts- und Volumenverringerung geringer, was wiederum den Energieverbrauch senken würde. Zudem ist davon auszugehen, dass künftige Produktionsanlagen, die auf Nanotechnik basieren, ebenfalls mit weniger Energieeinsatz auskommen. „Nanotechnologien haben das Potenzial, viele Konsumgüter mit weniger Materialaufwand und viel geringerem Abfallaufkommen herzustellen. In der Folge entstehen geringere Kohlendioxidemissionen, der Treibhauseffekt wird reduziert“, bestätigt Lester Milbrath, Direktor des Forschungsprogramms Umwelt und Gesellschaft an der State University of New York (Buffalo, USA). „Sie haben auch das Potenzial, giftigen Müll zu reduzieren, indem sie ihn in natürliche Materialien umwandeln, die keine Auswirkungen auf lebende Systeme haben.“

Energieumwandlungs- und -gewinnungsprozesse spielen eine überragende Rolle sowohl für die Industrie als auch für den privaten Verbraucher. Das gilt nicht nur für die entwickelten Staaten mit hohem Energieverbrauch, sondern ebenso für Schwellen- und Entwicklungsländer, deren wirtschaftliche Entwicklung in großem Maße von der Energieverfügbarkeit abhängt. Salopp formuliert: Ohne Energie läuft nichts. Insbesondere unter dem Aspekt des Umweltschutzes gewinnen dabei alternative bzw. regenerative Energiequellen immer mehr an Bedeutung. Hoffnungsträger ist neben der Windkraft vor allem die Sonnenenergie und hier insbesondere die Photovoltaik, also die direkte Umsetzung von Sonnenlicht in Strom. Eng verbunden mit diesen Bereichen sind Vorstellungen einer Wasserstoffwirtschaft, wobei das Gas als Energiespeicher dienen soll. Als ideales Kraftwerk gilt in diesem Zusammenhang die Brennstoffzelle, an der in allen Größenordnungen geforscht und entwickelt wird. Das gilt für Kleingeräte wie Handys und Laptops, für die dezentrale Strom- und Wärmeversorgung von Haushalten sowie für große stationäre Anlagen für Industrie und zentrale Aufgaben.

„Die Miniaturisierung ist ein Megatrend der kommenden Jahrzehnte. Die viereckigen Kisten, die wir heute mit uns herumtragen, werden im Jahr 2010 verschwunden sein. Computer befinden sich dann in Brillengläsern oder Kontaktlinsen, sind Teil von Hemden oder Sakkos. Etwa 2019 dürfte ein PC dieselbe Leistungskraft haben wie ein menschliches Gehirn.“ Mit derartigen Prognosen hat sich der Amerikaner Ray Kurzweil zu einem der bekanntesten Protagonisten der Nanotechnologie aufgeschwungen. Kurzweil, Jahrgang 1948, studierte am berühmten Massachusetts Institute of Technology (MIT, Boston) Computerwissenschaften und Literatur. Der vielseitige Wissenschaftler schrieb eine Reihe von Büchern, von denen zwei zu Bestsellern avancierten: „The Age of Intelligent Machines“ (1990), in dem er die technischen Erfolge mit hoher Trefferquote vorhersagte, die inzwischen erreicht wurden. 1999 erschien dann „The Age of Spiritual Machines“, in dem Kurzweil erklärt, wann und warum Computer die menschliche Intelligenz in den Schatten stellen und ein Bewusstsein erlangen. Präsident Clinton zeichnete ihn 2000 für seine Erfindungen, unter anderem ein Lesegerät für Blinde und ein Spracherkennungssystem, mit der National Medal of Technology aus.