Nanotechnologie – Der nächste große Schritt

Nach dem Hüpfer von Neil Armstrong auf die Mondoberfläche soll nun mit Hilfe der Nanotechnologie der nächste große Schritt der Menschheit gelingen. Von Mini-Robotern über intelligente Raumfahrtanzüge bis zum Space Elevator und Nanofactories wird die Nanotechnologie ihre Schatten werfen.

Ein Beitrag von Andreas Tramposch. Quelle: Science@NASA.

Die amerikanische Weltraumbehörde NASA unterstützt in Laboren in ganz Amerika die aufkeimende Erforschung der Nanotechnologie. Die Grundidee besteht darin, zu lernen wie man mit Material in Atomgröße umgeht- um in der Lage zu sein einzelne Atome und Molekühle so weit zu kontrollieren um molekühlgroße Maschinen, fortgeschrittene Elektronik und intelligentes Material zu erzeugen. Falls die heutigen Visionäre Recht behalten sollten, könnten mit Hilfe der Nanotechnologie spektakuläre Projekte wie der Space Elevator und viele weitere fantastische Projekte verwirklicht werden. Zum Beispiel könnten wir dann winzige Roboter auf unserer Fingerspitze balancieren oder selbstheilende Raumfahrtanzüge könnten bei zukünftigen Marsmissionen den Astronauten zusätzlich Sicherheit geben. Bei einigen dieser Zukunftsvisionen werden wohl noch mehr als 20 Jahre vergehen, bis sie verwirklicht werden können, andere sind längst schon Wirklichkeit geworden und spielen sich heute in den Laboren ab.

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Mit Hilfe der Nanotechnologie können die leichten, hochfesten Fasern, die für den Bau der Seile des Space Elevators benötigt werden, hergestellt werden. (Quelle: NASA )

Einfach gesagt: Dinge kleiner zu machen hat seine Vorteile. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, was gewesen wäre, wenn die Mars Rover Spirit und Oppertunity so klein wie Käfer gemacht worden wären. Mit der gleichen Fähigkeit wie echte Käfer hätten sie sich über Felsen bewegen und Mineralproben sammeln können oder sich durch kleine Tunnel graben können um nach Anhaltspunkten von Wasservorräten am Mars zu suchen. Statt den zwei tischgroßen Rovern hätten stattdessen Tausende dieser Mini-Roboterkäfer in der gleichen Kapsel zum Mars transportiert werden können. Aber Nanotechnologie ist weit mehr als nur Dinge zu verkleinern. Wenn Wissenschaftler die Struktur der Atome in den Molekühlen selbst anordnen, können erstaunliche neue Materialeigenschaften entstehen. Ein exzellentes Beispiel dafür ist das Herzstück der nanotechnischen Welt: die Carbon Nanotubes. Kohlenstoff kommt in natürlicher Form als Graphit, das weiche, schwarze Material was wir oft als Bleistiftspitze benutzen, oder als harter Diamant vor. Der einzige Unterschied zwischen den beiden Materialien ist die Anordnung der Kohlenstoffatome. Wenn Wissenschaftler die Kohlenstoffatome in ein Gittermuster anordnen und dieses zu winzigen Rohren aufrollen, haben die so erstellten Nanotubes außergewöhnliche Eigenschaften:
Sie haben die 100-fache Zugfestigkeit von Stahl, aber nur 1/6 dessen Gewichtes.Sie leiten die Elektrizität besser als Kupfer und besitzen exzellente Wärmeleiteigenschaften. Im NASA Ames Center for Nanotechnology (CNT) wird seit 1997 an der Erforschung der Nanotechnologie gearbeitet. Heute beschäftigen sich um die 50 Wissenschaftler mit Hochleistungs-Computern, DNA Sequenzern und Sensoren für Chemikalien.

So wird zum Beispiel nächstes Jahr an Bord einer Navy-Rakete ein chemischer Sensor, der aus Nanotubes entwickelt wurde im Weltall getestet. Dieser winzige Sensor kann geringfügige Anteile von toxischen Gasen aufspüren.

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Anordnung der Kohlenstoffatome innerhalb der Carbon Nanotubes (Copyright Prof. Vincent H. Crespi)

Das macht den Sensor nicht nur für die Weltraumerforschung sondern auch für die Landesverteidigung interessant. CNT hat aber auch schon einen Weg gefunden, mit dem Nanotubes Mikroprozessoren abkühlen sollen. Aufgrund der immer steigenden Leistungsfähigkeit der heutigen PCs ist die Überhitzung der CPUs ein ernstzunehmendes Problem geworden. Diese Technologie steht unter dem Patent von CNT und Intel hat schon sein Interesse an dieser Erfindung bekannt gegeben.

Falls Sie von diesen Projekten des CNT schon beeindruckt sind, werden Sie die langfristigen Zielen vom NASA Institute for Advanced Consepts (NIAC) vom Hocker werfen. NIAC wurde in Atlanta, Georgia gegründet und soll zukunftsweisende Forschungen an Weltraumtechnologien, die in 10 bis 40 Jahren Wirklichkeit werden sollen, vorantreiben. Erst kürzlich veröffentlichte zum Beispiel Chris Phoenix eine Studie über mikroskopisch kleine Maschinen, die jedes gewünschte Objekt Atom für Atom zusammenbauen können. In seinem 112 Seiten-Bericht erklärt Phoenix, dass eine solche “Nanofactory” Raumfahrzeugteile mit atomischer Präzision herstellen kann, was bedeutet, dass jedes Atom dieses Objektes exakt auf jenem Platz ist, wo es auch hingehört. Das fertig gestellte Teil würde dann eine extreme Festigkeit und glatte Oberfläche besitzen.

Constantinos Mavroidis, Direktor vom Computational Bionanorobotics Laboratory der Northeastern Universität in Boston erforscht hingegen eine alternative Erzeugung von Nanotechnologie-Produkten. Anders als Dinge vom Reißbrett herzustellen, bedient sich Mavroidis in der ebenfalls von der NIAC geförderten Studie bereits existierenden, voll funktionsfähigen molekularen “Maschienen”, die in allen lebenden Zellen gefunden werden kann: DNA Moleküle, Proteine, Enzyme und etc.

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Dieser Bio-Nanoroboter, von Constantinos Mavroidis and seinen Kollegen entwickelt, ersetzt eine lebende Zelle. (Credit: NIAC )

Von der Evolution über Millionen von Jahren geformt, haben diese biologischen Moleküle bereist ihr Können unter Beweis gestellt. Durch ihre Hilfe können Pflanzen aus Luft, Wasser und Erde eine fruchtige rote Himbeere produzieren oder ein menschlicher Körper die Kartoffel vom gestrigen Abendessen in neue rote Blutzellen umwandeln. Die Neuanordnung dieser Atome, die all diese großen Leistungen ermöglichen wird von hunderten spezialisierten Enzymen, Proteinen und mit Hilfe der in der DAN abgespeicherten Codes verwirklicht. Die Verwendung dieser funktionsfähigen Molekular-Maschinen wird in der Zukunft eine wichtige Rolle spielen. “Warum das Rad neu erfinden?” sagt Mavroidis. “Die Natur hat uns all diese großartige Nanotechnologie innerhalb der Lebewesen gegeben. Warum sollten wir es nicht nützen und versuchen etwas daraus zu lernen?” Ein Konzept, das aus der Bio-Nanotechnologie hervorgeht, ist eine “zweite Haut” für Astronauten unter dem Raumfahrtanzug, die die aktuelle Strahlung messen soll und schnell mögliche Schnitte abdichten soll.
Die Studie von Constantinos Mavroidis können Sie unter diesem Link herunterladen.

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