Hauptmenü Hauptmenü schließen

Gase in Forschung und Wissenschaft

Kein Fortschritt ohne Gase

Was hält eigentlich unsere Welt im Innersten zusammen? Wie gelangen Arzneimittel in die Nahrungskette? Wie kann man sie neutralisieren, bevor sie es tun? Wie kommt man kleinen und kleinsten Mengen von Stoffen überhaupt auf die Spur? Das sind nur einige Fragen, mit denen sich Naturwissenschaftler täglich beschäftigen. Forscher der unterschiedlichsten Disziplinen arbeiten mit vielfältigen Methoden daran, die materielle Welt immer besser zu verstehen und die Handlungsmöglichkeiten des Menschen zu erweitern. Nicht immer, aber sehr häufig, spielen Gase dabei eine wichtige Rolle, wie unser kurzer Streifzug durch die Welt der Forschung zeigt.

ALICE und die Weltkräfte

Physiker haben offensichtlich eine Schwäche für griffige Akronyme: ALICE steht bei ihnen für „A Large Ion Collider Experiment“. Das ist eine Anlage, die zum Kernforschungszentrum CERN in Genf gehört. ALICE lässt Blei-Atomkerne kollidieren und dabei Temperaturen entstehen, die mehrere hunderttausendmal höher sind als im Inneren der Sonne. So soll die „Ursuppe“ kurz nach dem Urknall erforscht werden. Die Forscher erhoffen sich von ihren Experimenten tiefe Einblicke in die grundlegenden Kräfte und Bestandteile des Universums. Um die Urteilchen zu beobachten, werden unter anderem Detektoren vom Typ Gas Electron Multiplier (GEM) verwendet. Diese führen umherfliegende Partikel durch eine Lochfolie zu einem starken elektrischen Feld. So erzeugen sie eine Lawine von Elektronen, die sich „einsammeln“ und auswerten lässt. Zurzeit wird ALICE generalüberholt und mit neuen Detektoren ausgestattet. Einige davon werden am rumänischen Kernforschungszentrum in Magurele gebaut. Anfang 2015 hat Messer dort ein Versorgungssystem für Spezialgase installiert. Es liefert den Forschern Stickstoff, synthetische Luft, Kohlendioxid und Argon. Die Gase werden gebraucht, um die Folien herzustellen und die Detektoren zu testen. Da es in der Kernphysik um größte Genauigkeit bei kleinsten Teilchen geht, sind die Anforderungen an die Reinheit der Gase besonders hoch. Wenn die Tests abgeschlossen sind, werden die Detektoren ihre Reise nach Genf zudem in einer inerten, trockenen Stickstoffatmosphäre antreten, damit ihre Funktionsfähigkeit unterwegs nicht leidet.  Übrigens bezieht CERN das Helium für die Kühlung der Hochleistungsmagnete im großen Teilchenbeschleuniger unter anderem von Messer in der Schweiz.

Zeitkapseln für Umweltschutz

Ökologie ist auch eine Frage der Zeit: Wie lange bleiben Schadstoffe im biologischen Kreislauf? Wie schnell wirken neue Regeln und Verfahren des Umweltschutzes? Um Antworten darauf zu finden, ist es sehr hilfreich, auch in die Vergangenheit blicken zu können. Deshalb sammelt und lagert das Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie IME im Auftrag des Umweltbundesamtes Proben aus ganz Deutschland. Die Umweltprobenbank befindet sich in Schmallenberg im Hochsauerland, ihre Bestände reichen bis in die 1980er-Jahre zurück. Die Proben stammen aus typischen Ökosystemen des Landes und repräsentieren verschiedene Ebenen der Nahrungskette. Für die Meeres umwelt werden zum Beispiel Blasentang, Muscheln, Fische und Vogeleier gesammelt. Informationen zu den Probenarten und Ergebnisse der Untersuchungen sind unter www.umweltprobenbank.de abrufbar. „In unseren 60 Kryo-Lagerbehältern halten wir zurzeit rund 2.100 Jahrgangshomogenate vor“, erklärt der Leiter der Probenbank, Dr. Heinz Rüdel. „Das sind zum Beispiel die Filets von 20 Fischen von einem bestimmten Flussabschnitt aus einem Jahr. Sie werden in einer Kryo-Mühle pulverisiert und zu einer homogenen Masse  vermischt. Diese wird dann in 200 Einzelproben aufgeteilt, sodass wir für viele Jahrzehnte einen ausreichenden Vorrat für retrospektive Untersuchungen haben.“ Damit die Proben über lange Zeit unverändert bleiben, muss die Lagertemperatur unter minus 130 Grad Celsius liegen. Unter dieser Glasumwandlungstemperatur des Wassers werden keine Eiskristalle mehr gebildet. Die tatsächliche Lagertemperatur von minus 150 Grad wird durch einen konstanten Nachschub von flüssigem Stickstoff gewährleistet. Dabei ist es wichtig, dass die Gasversorgung in Schmallenberg nie abreißt und der Vorratstank des Instituts immer gefüllt ist. Außerdem muss sichergestellt sein, dass es sich um hochreinen Stickstoff der Klasse 5.0 handelt. „Das Gas kommt mit den Proben direkt in Berührung, in den Behältern würden sich Verunreinigungen anreichern und könnten die Proben beeinträchtigen. Das wird durch den hohen Reinheitsgrad wirksam verhindert“, betont Dr. Rüdel.

Exakt bei kleinsten Proben

Für klinische Untersuchungen stehen in der Regel nur sehr kleine Probemengen zur Verfügung. Dank der Forschung von Friderik Pregl konnten Ärzte erstmals auch bei kleinsten Proben exakte chemische Analysen durchführen. Der Medizin-Chemiker aus Ljubljana erhielt dafür 1923 den Chemie-Nobel preis. Heute ist in der slowenischen Hauptstadt ein Forschungszentrum im Rahmen des Nationalen Instituts für Chemie nach ihm benannt: Es wurde kürzlich von Messer in Slowenien mit einem Gas-Versorgungssystem ausgerüstet. Das Leitungssystem ist zwei Kilometer lang und bietet den Mitarbeitern des Instituts rund 300 Entnahmestellen, aus denen sie Argon, Stickstoff, Sauerstoff, Helium sowie synthetische Luft und Druckluft beziehen können. Die Gase werden unter anderem zum Spülen, Trocknen, Kühlen, Inertisieren und zur Schaffung definierter Atmosphären verwendet. Sie sind unerlässlich für die Arbeit mit dem Transmissionselektronenmikroskop – das teuerste Forschungsgerät in Slowenien –, mit dem die einzelnen Atome von Nanomaterialien sichtbar gemacht werden können. Flüssiger Stickstoff wird genutzt, um das Vakuum im Gerät zu optimieren, sowie zur Kühlung der Proben.

Rückstände unschädlich machen

Rückstände des Schmerzmittels Ibuprofen und des Blutfettsenkers Clofibrinsäure gelten als umweltschädlich. Sie sind weit verbreitet und belasten das Abwasser. Wie man solche Stoffe beseitigen kann, ist einer der Forschungsschwerpunkte der Gruppe für Heterogene Katalyse des Chemieingenieurwesens an der Universität Rovira i Virgili im spanischen Tarragona. „Wir haben für beide Stoffe Verfahren gefunden, um sie zu einem hohen Prozentsatz unschädlich zu machen“, erklärt Prof. Dr. Sandra Contreras Iglesias. „Es geht bei solchen Verfahren immer darum, die organischen Bestandteile in Kohlendioxid, Wasser und anorganische Substanzen zu verwandeln. Für Ibuprofen hat sich die Photokatalyse als geeignet erwiesen, bei der Clofibrinsäure ist es die katalytische Ozonisierung.“ In der Photokatalyse wirken Licht (Photonen) und ein Katalysator zusammen, um den chemischen Umwandlungsprozess herbeizuführen. Das geht zwar auch ohne Gase, doch mit dem Zusatz von Sauerstoff verläuft die Reaktion wesentlich effizienter. Bei der Ozonisierung wird das hochreaktive Sauerstoffmolekül Ozon (O3) genutzt, um die Bindung der Schadstoffmoleküle aufzubrechen. Das Ozon gewinnen die Forscher in Tarragona aus Sauerstoff. In einem anderen Projekt wird ebenfalls ein photokatalytisches Verfahren entwickelt, um Nitrate aus Trinkwasser zu entfernen. Diese Salze belasten Grund- und Trinkwasser vor allem in Regionen mit intensiver Landwirtschaft. Hier wird die Effizienz des Reinigungsprozesses durch die Zugabe von Wasserstoff gesteigert. In anderen Projekten der Fakultät werden weitere Gase wie Argon, Stickstoff oder Helium sowie synthetische Luft benötigt. Die Gase bezieht die Fakultät von Messer in Spanien.

Seite empfehlen:

Sprache