MOF: Künstliche Kristalle, die Wasser aus Wüstenluft gewinnen

00:00:00: Dieser Podcast wird präsentiert von der Gruppe Mythiel, ihrem Partner für Gesundheit und Vorsorge.

00:00:09: Das ist Quantensprung.

00:00:11: Ein Podcast, der NCZ über Forschung, die bewegt.

00:00:32: Das ist Oma Yagi.

00:00:34: Er erzählt in einem Interview von seiner Kindheit in den Sechziger und Siebziger Jahren in Jordanien.

00:00:39: Wasser war ein rares Gut in der Wüste.

00:00:42: Eine wahrlich kostbare Ressource, von der es immer zu wenig gab.

00:00:57: Umso mehr wollte Yagi eine Lösung finden.

00:01:00: Und er hat eine gefunden.

00:01:02: Ein Pulver aus winzigen Kristallen.

00:01:05: Ein Pulver, das Wasser aus der Luft filtern.

00:01:08: Es speichern und später wieder abgeben kann.

00:01:11: und das sogar an den trockensten Orten dieser Erde.

00:01:24: Alles, dann keiner chemischen Entdeckung.

00:01:29: Und

00:01:41: diese Art von Pulver kann noch viel mehr.

00:01:44: Sie kann CO² aus der Luft ziehen oder Giftstoffe aus Gewässern filtern.

00:01:49: Es ist ein Stoff, der Umwelt- und Klimaprobleme lösen soll, der Wassermangel bekämpft und sogar Medikamente im Körper an den richtigen Ort transportieren kann.

00:01:58: Die Substanzen, die das alles möglich machen sollen, heißen MOVS, Metal Organic Frameworks oder zu Deutsch Metallorganische Gerüstverbindungen.

00:02:08: Für ihre Entdeckung hat Oma Yagi- in den Nobelpreis für Chemie bekommen.

00:02:21: Das ist Quantensprung, ein Podcast aus der Wissenschaftsredaktion der NCZ.

00:02:26: Jede Woche prüfen wir eine Idee, die die Welt verändern könnte und was es noch braucht, um dorthin zu kommen.

00:02:32: Diese Woche ist Sven Titz mein Co-host.

00:02:35: Er ist Meteorologe und schreibt über das Wetter, Klima und Chemie.

00:02:40: Wir fragen uns, sind diese Moffs Wundersubstanzen?

00:02:43: Ich bin Lena Waldler.

00:02:44: Willkommen.

00:02:58: Noch heute fragt sich Oma Yagi manchmal, ob ihm diese Entwicklung ohne seine persönliche Geschichte gelungen wäre.

00:03:04: Mein

00:03:08: Leben beginnt weit weg vom Stockholmer Rathaus, in dem er am zehnten Dezember die Festrede beim Nobelbankett

00:03:14: hält.

00:03:20: Er wächst in einer palästinensischen Flüchtlingsfamilie in der jordanischen Hauptstadt Amman auf, in einem Haus mit zehn Kindern, ohne Elektrizität und ohne fließendes Wasser.

00:03:36: Jage erzählt immer wieder, schon als Kind haben ihn Moleküle fasziniert.

00:03:47: Die schönen Zeichnungen in den Büchern der Schulbibliothek weckten seine Begeisterung für Chemie.

00:04:02: Mit fünfzehn ging Jage in die USA.

00:04:03: zuerst zur Schule und dann an die Universität.

00:04:06: Und dort hat er dann Chemie studiert und hat sich begeistern können für eine Art sehr spezieller Materialien und hat dort enorm viel Erfolg gehabt in seiner Forschung.

00:04:18: Er hat Materialien entwickelt, zusammen mit anderen Forschern, die unglaublich nützlich sein können.

00:04:25: Denn sie versprechen Anwendungen, die im Zeitalter des Klimawandels immer wichtiger werden.

00:04:30: Sie bekämpfen Treibhausgaseffekte, gewinnen kostbares Wasser und speichern Energie.

00:04:39: Also, was sind diese Moffs?

00:04:42: Mit bloßem Auge sieht man da nur ein Pulver.

00:04:46: Und die Körnchen dieses Pulvers, die sind höchstens so dick wie ein Haar, also schon sehr, sehr klein.

00:04:53: Wenn wir uns jetzt mal vorstellen, wir zoomen da rein, bis wir die kleinsten Teile dieses Materials sehen, also die Atome.

00:05:02: Und Moleküle?

00:05:03: Was sehen wir dann?

00:05:04: Das sind dann Metallatome, zum Beispiel die Atome von Zink oder einem anderen Metall wie Aluminium.

00:05:11: Und diese Atome, die sind in regelmäßigen Abständen miteinander verbunden.

00:05:16: Und zwar durch sogenannte organische Moleküle.

00:05:20: Organische Moleküle.

00:05:21: Das heißt typischerweise, sie enthalten Kohlenstoff und Wasserstoff.

00:05:25: Was wir außerdem sehen, wenn wir daran zoomen, Die Metallatome sind in total regelmäßigen Abständen angeordnet, wie in einer Art Gitter.

00:05:35: Und das bedeutet, eigentlich handelt es sich um Kristalle, künstliche im Labor hergestellte Kristalle.

00:05:43: Bei Kristallen denken die meisten von uns vermutlich an Diamanten oder an Salzkristalle oder an Zuckerkristalle.

00:05:50: Auch deren Atome sind absolut regelmäßig angeordnet.

00:05:55: Beide Mofs sind aber nicht die regelmäßig angeordneten Atome und Moleküle das Interessante, sondern der leere Raum dazwischen.

00:06:06: Die Mofs sind extrem brös.

00:06:09: Bis zu sechzig Prozent des Volumens besteht aus Hohlraum.

00:06:15: Und dieser Hohlraum bietet dann Platz für andere Moleküle.

00:06:18: Das sind dann gewissermaßen die Gäste des Mofs.

00:06:22: Also zum Beispiel für Moleküle von Wasser oder Kohlendioxid oder anderen Gas.

00:06:31: Wir können uns Morphs wie einen Tafelschwamm vorstellen.

00:06:35: Der hat auch ganz viele Hohlräume, die Poren.

00:06:38: Und wegen dieser Poren hat er eine riesige Oberfläche, über die er sehr viel Wasser aufsorgen kann.

00:06:44: Ein Morph ist ganz ähnlich aufgebaut, aber eben winzig, winzig klein.

00:06:49: Auch die Morphs haben viele Poren und damit ganz viel Oberfläche, an der Moleküle anhaften

00:06:55: können.

00:06:55: Und da gibt es zu zahlen, dass sie dreitausend Quadratmeter pro Gramm, das muss sich für den Ort ein Gramm Material, und es hat praktisch eine innere Oberfläche, die so groß wie ein Fußball fällt.

00:07:07: Roland Resel ist Physikprofessor an der Technischen Universität Graz und ein Experte für Kristalle.

00:07:13: Da kann man sich schon vorstellen, was für ein Potenzial das hat.

00:07:15: Das Nobelpreiskomitee hat die Moffs mit der Zauberhandtasche der Hexe Hermine Granger in Harry Potter verglichen.

00:07:22: Von außen ist es eine kleine Handtasche, aber im Laufe der Geschichte zieht Hermine ein Zelt, Kleidung, Schlafsäcke, Bücher und vieles mehr daraus hervor.

00:07:31: Genauso ist es auch bei den Moffs.

00:07:33: Es passt viel mehr hinein, als von außen scheint.

00:07:37: Dabei sind solche Hohlräume in der Natur sehr, sehr selten.

00:07:41: Die Natur will eigentlich von Haus aus keinen großen inneren Po anmachen.

00:07:49: Senagetisch sehr ungünstig.

00:07:50: Die Natur will immer dicht packen alles zusammen.

00:07:53: Deshalb gibt es in der Natur auch fast keine Materialien mit den Eigenschaften von Moffs, weil das einfach eine ziemlich instabile Konstruktion ist.

00:08:04: Aber trotzdem, es gibt ein natürliches Vorbild für Moffs, die Zeolite.

00:08:10: Ähnlich wie die Moffs haben Zeolite, große Hohlräume innen drin und darin könnten sie Gase speichern.

00:08:18: Die Zeolite verwendet man deshalb zum Beispiel für Katalysatoren.

00:08:23: Das sind Substanzen, die chemische Reaktionen möglich machen oder beschleunigen oder auch als eine Art molekulares Sieb, etwa in Kläranlagen oder um Wasser zu enthärten.

00:08:36: Zeolite sind inorganische Materialien, die zum Teil in der Natur vorkommen.

00:08:41: Und diese Zeolite haben natürlich auch die gleichen Eigenschaften.

00:08:45: Sie haben sehr definierte Bohren und diese Bohren haben ungefähr eine Größe eines Moleküls.

00:08:54: Inorganisch bedeutet, dass ihnen eben diese organischen Moleküle, die Moffs haben, fehlen.

00:09:00: Zeolite kommen dafür natürlich vor, zum Beispiel als Mineralien in vulkanischen Gesteinen.

00:09:05: Es gibt, glaube ich, fünf natürliche Zeolite und fünf, die künstlich hergestellt sind, oder eine sehr geringe Anzahl.

00:09:12: Bei den MOFs geht die Anzahl der möglichen MOFs, die man herstellen kann, ja in die Zehntausende bis in die Hunderttausende.

00:09:20: Das ist genau der Vorteil der MOFs, sagt auch Jonathan Derot.

00:09:24: Die alte Moleküse, wie das sind die Zeoliten, und die MOFs sind so, das Nuke geht auf der Block.

00:09:31: Er ist Chemiker und Professor für Nanomaterialien und forscht an der Universität Basel an Moffs.

00:09:37: So ist es nicht so, dass es nur ein Wundermaterial gibt.

00:09:40: Es gibt ein Konzept.

00:09:42: Moffs sind ein Konzept.

00:09:44: Und dann kann in diesem großen Spielraum, kann man verschiedene Materialen gezielt herstellen für eine Anwendung oder für eine andere Anwendung.

00:09:53: Die Moffs lassen sich nämlich spezifisch anpassen.

00:09:57: Je nachdem, welches Metall und welche Moleküle man verwendet, entsteht ein andere Moff.

00:10:02: Und jeder Moff kann andere Moleküle auffangen.

00:10:05: Und zwar auf zwei verschiedene Arten.

00:10:08: Die eine Art funktioniert durch einen physikalischen Effekt.

00:10:12: Man kann also sagen, dass die Poren der Moffs so ähnlich funktionieren wie Schlüssellöcher, wobei nur ein bestimmtes Molekül den Schlüssel hat.

00:10:21: CO₂ passt dann also in ein CO₂-Mof und ein Wassermolekül in ein Wassermof.

00:10:28: Und die andere Art des Festhaltens, die funktioniert chemisch.

00:10:32: Dabei bilden sich dann zwischen den Gastmolekülen und dem Mof chemische Bindungen.

00:10:38: Das sind mal schwächere, mal stärkere Bindungen, aber sie halten diese Moleküle innen drin fest.

00:11:02: All diese Eigenschaften von Moffs haben auch Oma Yagi fasziniert, aber vor allem ihre Fähigkeit, Wasser aufzunehmen und wieder abzugeben.

00:11:29: Inzwischen forscht Yagi nicht nur im Labor an der University of California an Moffs, er hat auch ein Start-up gegründet, um die Moffs in die reale Welt zu bringen.

00:11:38: Sein Unternehmen heißt Atoko.

00:11:46: In

00:11:53: der Luft, sagt er, sei mehr Wasser als in allen Flüssen und Seen zusammen.

00:11:58: Und mit Hilfe der Moffs will er dieses Wasser aus der Wüstenluft filtern.

00:12:04: Das Erstaunliche ist ja eigentlich, dass Wüstenluft so extrem trocken ist.

00:12:08: Das heißt, die enthält nur zehn bis zwanzig Prozent von dem Wasser, das sie eigentlich aufnehmen könnte.

00:12:16: Staubtrocken also.

00:12:17: Und trotzdem ist das aluminiumhaltige Moff-Pulver in der Lage, nachts Wasser aus dieser Luft aufzunehmen.

00:12:25: Dabei wird die Luft der Wüste durch dieses Pulver durchgeleitet und dabei bleiben Wassermoleküle drin hängen, während der Rest der Luft einfach vorbeiströmt, also Stickstoff vor allen Dingen und Sauerstoff und die anderen Gase der Luft.

00:12:41: Wenn man später das Pulver wieder erhitzt, wird das Wasser freigesetzt.

00:12:46: Und das kann man dann als Trinkwasser nutzen.

00:12:48: Das Start-up von Yagi, Atoko, baut zurzeit einen Prototypen einer Anlage auf.

00:12:54: Die Anlagen, die sollen dann später eine Größe eines Schiffskontainers haben, die werden dann später verkauft.

00:13:02: Die Moffs können aber auch dafür eingesetzt werden, um giftige Stoffe aus Wasser oder Luft herauszufiltern.

00:13:08: Oder eben CO² aus der Atmosphäre.

00:13:12: Wir sind gleich zurück.

00:13:18: Das wahre Leben ist, frei entscheiden zu können.

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00:13:44: Diese Moffs sind ja sehr populär, weil es gibt Klimadruck, es gibt die Klimawandel, die wir beseitigen möchten.

00:13:53: Und es gibt jetzt MOVs, die sehr effizient CO² aufnehmen können.

00:13:57: Deshalb, sagt Jonathan Diro, haben Startups und Investoren auch ein Interesse an der Technologie entwickelt.

00:14:03: Die Grundidee ist CO², also Kohlendioxid entweder aus Abgasen zu holen, zum Beispiel Abgasen von Zementfabriken oder das CO² direkt der Luft zu entziehen.

00:14:16: Dafür hat man ein spezielles MOV-Pulver, das zu Pellets gepresst wird.

00:14:23: Und die dienen dann als Filtermaterial.

00:14:26: In den Anlagen werden die Abgase durch den Filter gepresst und die CO-Zwei-Moleküle bleiben im Filter hängen.

00:14:36: So macht das zum Beispiel auch die Firma Climeworks aus der Schweiz, die große Anlagen in Island hat.

00:14:43: Die Firma entzieht dort nämlich der LuftCO-Zwei, das dann anschließend in den Untergrund gepumpt wird, um es zu speichern.

00:14:50: Diese Technik dort ist allerdings ziemlich anspruchsvoll, denn die Luft enthält ja nur weniger als ein halbes Promill CO² und deswegen kostet die ganze Sache dort ziemlich viel Energie.

00:15:03: Vor den Startups liegen also noch einige Herausforderungen bei der Entwicklung von MOF-Anwendungen für den Alltag.

00:15:09: Und gleichzeitig beschäftigt Forscher wie Dero und seine Kollegen vor allem eins.

00:15:14: Die Stabilität, es gibt nicht nur CO-Zweienabgas, es gibt auch Swaypoloxid, Tickstoffoxid, Wasser.

00:15:21: Und die Morphs müssen das vertragen.

00:15:24: Und das ist noch eine wichtige Hürde, würde ich sagen.

00:15:28: All diese Sachen können den Morph beächen.

00:15:30: Denn die Morphs dürfen sich nicht einfach auflösen.

00:15:33: Denn dann würden ja alle Stoffe,

00:15:35: die in den Hohlräumen

00:15:36: gespeichert sind, sofort wieder freigesetzt werden.

00:15:38: Weil in dem Materialchemie gibt es so ein Gesetz fast, das ... leicht zu machen ist leicht zu brechen.

00:15:46: Und schwierig zu machen ist auch schwierig zu brechen.

00:15:49: Also jetzt in der Morph umfällt, alles was einfach zu machen war, ist schon gemacht, aber das ist auch einfach zu brechen.

00:15:56: Und jetzt müssen wir die schwierige Material machen, weil die haben dann eine viel bessere Chance, stabil zu sein in realer Kondition.

00:16:13: Sven, während Forscher im Labor an stabileren Morphs tüfteln, versuchen schon einige Start-ups die ersten kommerziellen Anwendungen daraus zu bauen.

00:16:22: Und da gibt es ja auch ganz viele Ideen, wir haben einige gehört.

00:16:26: Was sagst du jetzt?

00:16:27: Wie weit sind diese Anwendungen in der realen Welt denn wirklich?

00:16:32: Also echte Anwendungen gibt es bisher wirklich nur eine Handvoll.

00:16:36: Das beste erfolgreiche Beispiel ist vermutlich Die Firma New Matte in Amerika, die nutzt nämlich einen Muff, um giftige Gase zu speichern, die verwendet werden, um Elektronikbauteile zu produzieren, also in diesen Rheinräumen der Elektronikfirmen.

00:16:56: Und für dieses Produkt hat die Firma New Matte schon zahlende Kunden.

00:17:01: Das ist aber wirklich eher die Ausnahme.

00:17:03: Viele andere Anwendungen sind aber, wenn es hoch kommt, in der Phase von Prototypen.

00:17:09: Und das gilt zum Beispiel für die Gewinnung von Wasser aus der Luft.

00:17:13: Das gilt auch für die Földerung von CO² aus Abgasen und Luft und auch für andere Anwendungen.

00:17:21: Wenn wir dieses CO² aber aus der Luft filtern, was machen wir denn dann mit diesen vollgefüllten Morphs?

00:17:27: Wie werden die denn entsorgt?

00:17:29: Das ist bei den Morfs eigentlich nicht anders als bei anderen Filtermaterialien.

00:17:36: Am Ende muss die Substanz, die man aus der Umwelt herausfiltert, natürlich irgendwo entsorgt werden.

00:17:41: Also CO² wird typischerweise in den Untergrund gepumpt, in geologische Schichten, aus denen es nicht mehr oder nur nach sehr langer Zeit entweicht.

00:17:50: Bestezide muss man auf andere Weise entsorgen.

00:17:53: Das ist bei den Morfs nicht anders als bei anderen Materialien.

00:17:58: CO² oder Pestizide aus Wasser oder Luft herauszufiltern, sind ja nur zwei mögliche Anwendungen.

00:18:05: Aber es gibt ja tausende verschiedene Morphs.

00:18:08: Was können die denn noch?

00:18:09: Ja, die gibt es.

00:18:10: Es gibt noch viele weitere.

00:18:12: Man kann mit Morphs grundsätzlich auch Gase speichern wie Wasserstoff.

00:18:17: Man kann auch Antibiotika aus der Umwelt filtern.

00:18:22: Die Sache ist nur, dass diese Anwendungen immer noch in der Entwicklung stecken.

00:18:26: Es ist aber gut möglich, dass sie in Zukunft tatsächlich auf den Markt kommen.

00:18:30: Auch gibt es schon Versuche in der Forschung, die MOVs dafür zu nutzen, um Medikamente direkt im Körper frei zu setzen.

00:18:39: Also an Ort und Stelle, wo sie gebraucht werden.

00:18:42: Aber bis man das tatsächlich kommerziell nutzen kann, das ist noch ein weiter Ferne.

00:18:47: Trotzdem klingt das schon alles sehr faszinierend, was man mit diesen Substanzen, mit diesem einfachen Pulver alles machen kann.

00:18:55: Ich frage mich nur, man braucht doch sehr viel dieses Pulvers für diese Anwendungen.

00:19:02: Lassen sich Morphs überhaupt industriell in einer so großen Menge produzieren?

00:19:07: Das ist zumindest kein grundsätzliches Problem.

00:19:10: Die Rohmaterialien für die Moffs sind reichlich verfügbar.

00:19:15: Da gibt es keine Engpässe.

00:19:17: Aber im Moment ist es noch so, dass die Herstellung der Moffs noch ziemlich teuer ist.

00:19:24: Vor allen Dingen im Vergleich zu anderen Materialien, die vielleicht in Konkurrenz stehen.

00:19:29: Das heißt, es lohnt sich eventuell gar nicht, mit Moffs Wasser aus der Luft zu filtern, weil es einfacher Filtermöglichkeiten gäbe.

00:19:37: Das ist in der Tat die Frage, ob es sich oder in welchen Fällen sich das lohnen würde.

00:19:43: Also in vielen arabischen Ländern zum Beispiel gewinnt man Leitungswasser industriell in riesigen Mengen mit großen Entsalzungsanlagen.

00:19:53: Die brauchen zwar unglaubliche Mengen an Energie, aber momentan ist es so, dass diese Methode zur Herstellung von Leitungswasser wesentlich kostengünstiger ist.

00:20:03: Findest du also, dass unsere Experten etwas zu optimistisch sind, was die Möglichkeiten von MOFs angeht?

00:20:10: Naja, das ist wirklich noch eine ganz offene Frage.

00:20:13: Manche Fachleute in dem Gebiet, die glauben, dass der Markt für die Anwendungen von MOFs in den nächsten Jahren geradezu explodieren wird.

00:20:22: Ich bin Fan der MOF Forschung, aber bei der Anwendung zögere ich noch, mich zu sehr der Begeisterung

00:20:29: hinzugeben.

00:20:30: Vielen Dank, Sven.

00:20:31: Vielen

00:20:31: Dank, Lena.

00:20:34: Themenwechsel.

00:20:35: Die Kolleginnen

00:20:35: und Kollegen vom Podcast NZZ-Aktzent bauen aus.

00:20:39: Ab dem siebten Februar erscheint jeden Samstag eine zusätzliche Folge.

00:20:44: Und die dreht sich ganz um unsere Korrespondenten in aller Welt.

00:20:48: Und dann habe ich mir gedacht, wenn die jetzt uns einfach parken würden, dann wären wir wahrscheinlich tatsächlich einfach ausgeliefert.

00:20:57: In der ersten Samstagsfolge von NCZ-Akzent erzählt unser Italien-Korrespondent Lucy Bernhard unter anderem von einer Begegnung mit der Mafia in Neapel und er besucht stolze italienische Handwerke.

00:21:10: Hört rein bei NCZ und überall dort, wo es

00:21:13: Podcasts gibt.

00:21:14: Den Link stelle ich euch in die Show notes.

00:21:17: Dort könnt ihr auch den Quantensprung Newsletter abonnieren und habt alle wichtigen Fakten aus dieser Folge auf einen Blick gesammelt und zusätzlich gibt's noch weiteren Lesestoff.

00:21:26: Das war Quantensprung, ein Podcast über Forschung, die bewegt.

00:21:30: Ich bin Lena Waldler.

00:21:31: Wir hören uns wieder nächste Woche.