Dem Risikopotenzial auf der Spur

In BM 05/06 war den Anwendungsmöglichkeiten nanotechnologischer Produkte bereits ein Beitrag gewidmet. In der Übersicht auf der gegenüber liegenden Seite sind einige Beispiele aus dem Architektur- und Möbelbereich nochmal zusammengestellt.

Tatsächlich verläuft die Propagierung der Nanotechnologie zurzeit gelegentlich in Form eines Hypes, der auch unrealistische Hoffnungen weckt und Enttäuschungen programmiert. Das ist unerfreulich. Dennoch ist es korrekt zu betonen, dass diese Technologie ein gewaltiges Potenzial für Produktinnovationen und ganz besonders auch für die Veredelung und Optimierung existierender Produkte besitzt. In absehbarer Zeit wird es kaum mehr einen Arbeitsbereich geben, in dem man nicht, zumindest gelegentlich, mit Nanomaterialien oder nanotechnologie-basierten Beschichtungen konfrontiert wird.

Auch Schreiner sind hiervon nicht ausgenommen. Viele von ihnen werden zukünftig häufig mit Holz in Berührung kommen (in Gestalt von Parkett oder Möbelkomponenten), dessen Eigenschaften (z. B. Abriebfestigkeit, Reinigungsbedarf, Keimfreiheit) durch Nanobeschichtungen verbessert wurden. Aber auch mit zahlreichen anderen nanoveredelten Materialien, seien es Metalle, Kunststoffe, Textilien oder Leder, wird er bei seiner Arbeit immer wieder zu tun haben. Und schließlich wird er vielleicht selbst Nanotechnologie verwenden wollen, die ihm in Form von Sprays, Lacken und Tinkturen verstärkt angeboten wird.

Die Diskussion um Nanotechnologie hat neben den innovativen Potenzialen noch einen weiteren Schwerpunkt, nämlich den Themenbereich Gesundheit, Sicherheit und Umwelt. Verbraucher, Wirtschaft und nicht zuletzt die Versicherungsbranche sind davon in nicht geringem Maße verunsichert. Nach den Erfahrungen mit der Kernenergie und der Gentechnik ist das öffentliche Misstrauen gegenüber einer weiteren neuen Technologie freilich nicht überraschend. Über potenzielle Risiken durch Nanowerkstoffe, angemessene Maßnahmen und regulatorische Initiativen zu informieren, ist das Ziel dieses Beitrags.

Will man über Risiken durch Nanopartikel sprechen, so muss man sich zwei Dinge vor Augen führen: Diese Partikel sind zum einen wesentlich kleiner als die Einheiten der gleichen Substanz, mit denen man es gewöhnlich zu tun hat und weisen zum anderen vielfach Eigenschaften auf, die völlig verschieden sind von denjenigen, die man von größeren Teilchen des gleichen Stoffes kennt.

Der erste Punkt hat zur Folge, dass Nanopartikel leichter in den Körper eindringen können als größere Partikel, da sie die natürlichen Filtersysteme der Atmungsorgane leichter passieren können. Aus dem gleichen Grund werden sie zwar auch leichter ausgehustet als größere Teilchen, doch das geschieht nicht immer und vollständig. Nanopartikel, die sich in den Atemwegen ablagern, können, so weiß man, zum Teil schwere entzündliche Reaktionen hervorrufen. Dringen sie tiefer in die Lunge ein, werden sie, wiederum aufgrund ihrer geringen Größe, leicht in den Blutkreislauf aufgenommen und gelangen rasch in andere Organe. Dort wiederum können sie auch Zellmembranen durchwandern und ins Innere der Zelle vordringen, und auch der Zellkern ist vor ihnen nicht sicher. Tatsächlich gelingt es ihnen auch, die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden. Nicht all diese Aussagen gelten für jede Art von Nanopartikeln, doch sie verdeutlichen die prinzipielle Situation.

Punkt zwei, die gegenüber der „Muttersubstanz“ veränderten Eigenschaften von Nanopartikeln, macht das Problem noch wesentlich komplexer. Was man über die Gefährlichkeit oder Harmlosigkeit von Stoffen zu wissen meint, gilt nicht mehr, wenn man es mit ihnen in Form von nanometergroßen Teilchen zu tun hat. Kohlenstoff, dem man im Allgemeinen mit wenig Angst begegnet, kann in nanopartikulärer Form durchaus beunruhigende Eigenschaften haben. So fand man z. B. Kohlenstoffnanoröhrchen, die man in Wasser dispergiert hatte, später im Hirn von Fischen wieder, die in diesem Wasser lebten. Gold, im Alltag ebenfalls nicht unbedingt als Gift gefürchtet, kann als Nanopartikel in Zellen eindringen und dort in Stoffwechsel- und Vererbungsprozesse eingreifen, mit möglicherweise schweren gesundheitlichen Folgen.

Nanopartikel verschiedener Substanzen zeigen eine hohe katalytische Wirkung, die von der gleichen Substanz in anderer Größe nicht vertraut sind. Das ist im chemischen Reaktor überaus erfreulich, im menschlichen Organismus hingegen ganz und gar nicht, denn Katalyse bedeutet, dass bestimmte chemische Prozesse beschleunigt oder überhaupt erst möglich werden, die normalerweise nicht stattfinden.

Auch aus therapeutischer Sicht sind solche Nanoeffekte für die kontrollierte und gezielte Behandlung bestimmter Krankheiten überaus interessant – laufen sie jedoch unbeabsichtigt, unkontrolliert und an der falschen Stelle im Organismus ab, können sie schwerwiegende Folgen haben.

Diese Beispiele klingen eher nach einem Plädoyer für ein Verbot der Nanotechnologie. Dennoch ist Panik fehl am Platz.

Zunächst sollte man sich bewusst machen, dass wir bereits tagtäglich von Nanopartikeln umgeben sind. Sie entstehen in großen Mengen in Verbrennungsmotoren und sonstigen Verbrennungsprozessen, sind im Zigarettenrauch, im Schweißrauch, im Kerzenruß enthalten, werden bei Waldbränden oder Vulkanausbrüchen gebildet oder treten aus Laserdruckern aus. Vieles, was man über die gesundheitsschädlichen Effekte von Nanopartikeln weiß, hat man aus der Feinstaubforschung gelernt.

All diese Emissionen stellen eine ernst zu nehmende Herausforderung dar, die nach raschen und nachhaltigen Lösungen verlangt. Die zunehmende Produktion synthetischer Nanopartikel verschärft das Problem jedoch nicht wesentlich, da sie gezielt und kontrolliert verläuft und nicht dem Zweck dient, möglichst viele weitere Partikel in die Luft zu entlassen, sondern dem, sie in Produkten irreversibel zu binden. Zudem werden die meisten Nanopartikel in vergleichsweise geringen Mengen produziert, und das wird auch in Zukunft so sein – einfach, weil man beim Einsatz von Nanopartikeln oft mit viel geringeren Substanzmengen auskommt als im Falle herkömmlicher Beschichtungen und Verbundwerkstoffe.

Man rechnet hier zurzeit meist in Größenordnungen von einigen Hundert Kilogramm bis wenigen Tonnen pro Jahr. Diese Zahlen werden steigen, aber kaum die Tonnagen erreichen, die man von klassischen chemischen Grundstoffen kennt.

Die beschriebenen möglichen Gefährdungen durch Nanopartikel bestehen nur bei Aufnahme über die Atemwege. Risiken bei Aufnahme über den Verdauungstrakt dürften nach dem derzeitigen Stand des Wissens weitestgehend vernachlässigbar sein (natürlich vorausgesetzt, es handelt sich nicht um Partikel ohnehin als giftig bekannter Substanzen). Ein Eindringen in den Organismus über die Haut gilt ebenfalls als ausgeschlossen, lediglich verletzte Haut oder auch die Haut von Kleinkindern kann eventuell als Barriere teilweise versagen.

Einer möglichen Aufnahme von Nanopartikeln über die Atemwege sind jedoch nur sehr wenige Menschen ausgesetzt, nämlich diejenigen, die mit freien, ungebundenen Partikeln umgehen. Dies sind die Beschäftigten in den herstellenden Betrieben oder an Beschichtungsanlagen, in denen Nanopartikel in Form von Aerosolen versprüht werden, oder Wissenschaftler, die an Nanopartikeln forschen. Ihre Gefährdung muss durch angemessene Arbeitsschutzmaßnahmen ausgeschlossen werden. Mit einer Prozessführung in geschlossenen Anlagen ist hier bereits viel geleistet, ein optimierter Mundschutz kann die Sicherheit weiter erhöhen.

Außerdem haben Nanopartikel eine Eigenschaft, die unter dem Aspekt Sicherheit sehr erfreulich ist: Sie zeichnen sich aus durch ein sehr starkes Bestreben, sich zu größeren Aggregaten zusammenzuballen, von denen keine nanospezifischen Bedrohungen mehr ausgehen. Dieses Bestreben beobachtet man sowohl in der Luft als auch in Flüssigkeiten. Bei der Herstellung von Nanopartikeln ist dies ein großes Hindernis und ein wesentlicher Teil des Know-hows bei ihrer Synthese gilt der Stabilisierung des einzelnen Partikels, der Verhinderung der Aggregation mit dem Ziel einer gleichmäßigen Verteilung isolierter Partikel in Beschichtungen oder Festkörpern. Sollten jedoch im Falle einer Havarie freie, trockene Nanopartikel in die Luft gelangen, so darf man damit rechnen, dass ein Großteil von ihnen nach kurzer Zeit zu größeren Gebilden zusammengewachsen ist.

Nanooberflächen werden meist nach dem Sol-Gel-Verfahren hergestellt. In der resultierenden Beschichtung sind die Partikel gewöhnlich von einem anorganischen oder organischen Polymernetzwerk umgeben und oftmals auch mit diesem über chemische Bindungen fest verknüpft. Das Netzwerk wiederum ist chemisch fest mit der Substratoberfläche verbunden, und auch für einen Teil der Partikel kann das zutreffen. Wir haben es also mit einem überaus stabilen System zu tun, aus dem es für die Partikel so leicht kein Entkommen gibt. Wie sieht es nun aber aus, wenn man eine solche Schicht, z. B. auf Holz, starker mechanischer Beanspruchung aussetzt? Dies geschieht beim Sägen, Bohren, Feilen oder Brechen. Nach bestem Wissen kann man sagen, dass es nicht möglich ist, mit diesen Verfahren Nanopartikel zu erzeugen. Darum kann auch als ausgeschlossen gelten, dass mit ihnen eingebundene Nanopartikel freigesetzt werden können. Partikel, die bei diesen Techniken erzeugt werden, sind in jedem Falle viel größer als Nanopartikel. Lediglich beim Schleifen und Polieren mancher Materialien soll schon die Bildung geringer nanoskaliger Staubanteile nachgewiesen worden sein; eine Freisetzung eingebetteter Nanopartikel wäre hier also denkbar.

Nicht auszuschließen ist, dass im Brandfall Nanopartikel aus Beschichtungen freigesetzt werden, doch entstehen bei Verbrennungsprozessen ohnehin immer auch beachtliche Mengen an Nanopartikeln mit gesundheitlich oft bedenklichen Eigenschaften. Die winzigen Mengen an synthetischen Nanopartikeln, die möglicherweise im Feuer aus einer oft nur wenige Mikrometer starken Beschichtung entweichen, dürften dann wohl den kleinsten Teil des Problems darstellen.

Wie sieht es nun mit Nanotechnologie aus, die für die direkte Verwendung durch den Endanwender angeboten wird? Von Badezimmerspray über Schuhcreme bis zu Möbelpolitur und Parkettversiegelung werden hier weltweit bereits zahlreiche Produkte vertrieben. Leider wird die genaue Zusammensetzung dieser Substanzen meist nicht offengelegt, so dass die Lage noch recht unübersichtlich ist. Viele Produkte, so viel ist sicher, nutzen das Label „Nano“ nur als ein modern und innovativ klingendes Verkaufsargument, ohne tatsächlich Nanotechnologie in irgendeiner Form zu enthalten. Oft handelt es sich z. B. eher um herkömmliche wasser- oder fettabweisende Substanzen, die physikalisch oder chemisch an der Oberfläche haften und die Reinigung erleichtern sollen. Das mag in vielen Fällen auch zufriedenstellend funktionieren, allerdings ist die Haltbarkeit solcher Beschichtungen natürlich sehr begrenzt. Sie müssen darum oft erneuert werden und können keinesfalls mit industriell applizierten Coatings konkurrieren. Andere Produkte setzen auf den so genannten Lotuseffekt. Wie bei den Blättern der berühmten Pflanze rollt Wasser hier in Gestalt nahezu kugelförmiger Tropfen ab und reißt dabei einen Großteil anhaftenden Schmutzes mit. Eine solche superhydrophobe (extrem wasserabweisende) Oberfläche ist natürlich auch ein guter Schutz gegen das Eindringen von Feuchtigkeit in das Trägermaterial. Der natürliche Lotuseffekt ist jedoch kein Nanoeffekt, sondern basiert auf mikrometergroßen Oberflächenstrukturen. Die meisten nach diesem Prinzip funktionierenden Produkte setzen folglich auch auf Mikropartikel, die dennoch häufige Verwendung des Terminus „Nano“ in ihrem Namen ist folglich irreführend. Jedoch ist es prinzipiell möglich, diesen Effekt auch mit Hilfe von Nanopartikeln zu erzielen, und einige Produkte tun das auch. Für diese Produkte – ganz gleich, ob nano oder mikro – gilt freilich ebenfalls, dass sie nur eine recht begrenzte Lebensdauer haben.

Von den meisten dieser Produkte können also keine nanospezifischen Risiken ausgehen, da sie gar keine Nanopartikel enthalten. Basieren sie tatsächlich auf Nanotechnologie, ist das Gefährdungspotenzial ebenfalls gering, wenn keine Aufnahme über die Atemwege möglich ist. Werden die Produkte jedoch in Form von Sprays angeboten, ist Vorsicht durchaus angebracht. Die Verteilung in Gestalt eines Aerosols erleichtert es den Partikeln erheblich, ihren Weg in die Lunge zu finden.

Man sollte als Kunde nicht zögern, vom Hersteller Auskunft über Zusammensetzung, Zulassung und durchgeführte Tests zu erbitten, ehe man derartige Sprays einsetzt. Die enthaltenen Nanopartikel mögen sich als harmlos erweisen, ihre Konzentration als zu gering für schädliche Effekte, die Aerosoltröpfchen mögen zu groß sein, um die in ihnen enthaltenen Partikel tief in die Atemwege zu transportieren – trotzdem ist das Wissen über mögliche gesundheitliche Schäden durch Nanopartikel zurzeit noch zu lückenhaft, um einen leichtsinnigen Umgang mit ihnen zu erlauben. Zahlreiche Untersuchungen widmen sich heute dieser Problematik, doch bis zum Vorliegen eindeutiger Ergebnisse sollte beim Umgang mit jeder Art von freien, ungebundenen Nanopartikeln das Vorsorgeprinzip gelten.

Die Verärgerung mancher Umwelt- und Verbraucherschützer darüber, dass Nanotechnologieprodukte bereits die Märkte erobern, obwohl viele Fragen zu möglichen gesundheitlichen oder ökologischen Folgen noch ungeklärt sind, ist nachvollziehbar.

Man muss jedoch unterstreichen, dass sich die Situation im Falle der Nanotechnologie durchaus erfreulich entwickelt. Akteure aus Wissenschaft, Wirtschaft und Politik haben aus den bitteren Erfahrungen mit der Gentechnik oder dem Asbest gelernt und setzen Vieles daran, eine vergleichbare Lage bei der Nanotechnologie gar nicht erst entstehen zu lassen. Wurde bei der Gentechnik die Debatte um Risiken und ethische Aspekte im Wesentlichen auf die Zeit nach der Einführung der Technologie verschoben und fand dann auch erst unter massivem Druck der Öffentlichkeit statt, bemüht man sich bei der Nanotechnologie um frühe begleitende Maßnahmen.

Es gibt bereits zahlreiche Gremien, in denen Vertreter aller involvierten Interessengruppen – von der Industrie bis zur Arbeitsmedizin, von Forschung und Politik bis zu kritischen Nichtregierungsorganisationen – Strategien für den Umgang mit Nanomaterialien entwickeln. Alle relevanten Ministerien, Behörden, wissenschaftlichen Bundesanstalten und Bundesinstitute haben Arbeitsgruppen oder Schwerpunktbereiche zum Thema Nanosicherheit. DIN und TÜV sind ebenso involviert wie mittlerweile sogar Kirchen und Gewerkschaften. Die öffentliche Hand fördert eine Vielzahl von Forschungsprojekten, die sich ausschließlich mit möglichen schädlichen Folgen von Nanotechnologie befassen, und drängt dabei auf eine rasche öffentliche Bekanntmachung der Ergebnisse. Wer in nächster Zeit Nanomaterialien verwenden möchte oder muss, darf also damit rechnen, dass Unklarheiten in puncto Sicherheit bald verschwinden.

Zusammenfassend lässt sich festhalten: Nanopartikel haben oft andere Eigenschaften als größere Teilchen desselben Materials. Sie stellen praktisch neue Chemikalien dar und sollten unter dem Gesichtspunkt Arbeitsschutz und Chemikalienrecht auch so behandelt werden. Eine spezielle Gesetzgebung für Nanomaterialien hält niemand für notwendig, lediglich einige Ergänzungen zum bestehenden Regelwerk können erforderlich sein.

Viele Grundstoffe/Zwischenprodukte der chemischen Industrie sind toxisch, gesundheits- oder umweltgefährdend. Durch Prozessführung in geschlossenen Anlagen und hohe Sicherheitsstandards beim Transport sind sie risikoarm handhabbar. Für Nanopartikel gilt das Gleiche. Ernsthafte gesundheitliche Gefährdungen sind nur von freien, ungebundenen Nanopartikeln zu befürchten. Nanopartikel, die in Beschichtungen oder Festkörper eingebettet sind, können aus diesen durch mechanische Beanspruchung nicht mehr freigesetzt werden.

Ein sicherer, verantwortungsvoller Umgang mit Nanopartikeln ist technisch möglich und wird bald auch durch Normen und Standards geregelt sein. Die Potenziale der Nanotechnologie, gerade auch in den Bereichen Nachhaltigkeit, Energie und Umwelttechnik, werden dann wieder in den Mittelpunkt der Diskussion rücken. ■

Die Nanotechnologie befasst sich mit der Erzeugung, dem Studium und der Manipulation von Objekten, die in mindestens einer Dimension weniger als 100 Nanometer (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter) messen und aufgrund ihrer Größe besondere physikalische und chemische Eigenschaften aufweisen.

Beschichtungen auf Basis von Nanopartikeln haben ein gewaltiges Anwendungspotenzial in nahezu allen Branchen, so auch im Bereich Architektur, Möbel und Design.