Ein Forschungsteam der Universität Bonn in Deutschland hat kürzlich einen neuen Waschmaschinenfilter angekündigt, der von der Kiemenbogenstruktur von Fischen inspiriert ist. In Experimenten konnten mehr als 99 % der Kunststofffasern aus Waschmaschinenabwasser entfernt werden, was eine vielversprechende technische Lösung zur Eindämmung der Mikroplastikverschmutzung darstellt. Die entsprechenden Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „npj Emerging Contaminants“ veröffentlicht. Es hat ein Patent in Deutschland angemeldet und fördert die Patentgestaltung innerhalb der Europäischen Union.
Unter Mikroplastik versteht man im Allgemeinen extrem kleine Kunststoffpartikel oder -fasern, von denen man annimmt, dass sie eine langfristige Gefahr für die Gesundheit von Mensch und Tier darstellen. Untersuchungen haben ergeben, dass eine einzelne Waschmaschine für eine vierköpfige Familie jedes Jahr bis zu etwa 500 Gramm Mikroplastik in die Umwelt abgeben kann, wobei der größte Teil davon durch die Abnutzung der Textilien während des Waschvorgangs entsteht. Diese Partikel gelangen mit dem Abwasser in Kläranlagen und bleiben größtenteils im Schlamm hängen, der häufig als Dünger auf landwirtschaftlichen Flächen ausgebracht wird, wodurch sich Kunststofffasern schließlich im Boden und in weiteren Ökosystemen ausbreiten.
Als Reaktion auf dieses Problem haben viele Hersteller damit begonnen, technische Wege zu erforschen, um Mikroplastik an den Anschlüssen von Waschmaschinen abzufangen. Bestehende Filterlösungen weisen jedoch im Allgemeinen Mängel auf, wie z. B. leichtes Verstopfen, unzureichende Filtrationseffizienz oder hohe Kosten. Dr. Leandra Hamann vom Institut für Organische Biologie der Universität Bonn wies darauf hin, dass einige derzeit auf dem Markt erhältliche Geräte entweder schnell mit Fasern verstopfen und häufig gewartet werden müssen oder dass die Entfernungsrate winziger Kunststoffpartikel nicht optimal ist und es daher schwierig ist, der ihnen gebührenden Rolle in großtechnischen Anwendungen gerecht zu werden.
Um bessere technische Lösungen zu finden, griff das Forschungsteam auf „ausgereifte Designs“ zurück, die bereits in der Natur verfügbar sind. Sie untersuchten systematisch die Filterstrukturen verschiedener Organismen und legten dabei besonderes Augenmerk auf Fische, die als Filtrierer leben, wie Makrelen, Sardinen und Sardellen. Diese Fische schwimmen durch ihr Maul, führen Wasser in ihr Maul und verlassen sich auf ihr Kiemenbogensystem, um Plankton effizient abzufangen. Alexander Blanc, einer der für das Projekt verantwortlichen Forscher, sagte, dass sie eine detaillierte Analyse der Filterfütterungsstruktur durchgeführt hätten, die durch die Kiemenbögen von Fischen über Hunderte Millionen Jahre der Evolution gebildet wurde, und diese als Grundlage für die Entwicklung eines bionischen Filters verwendet hätten, der für die Abwasserbehandlung von Waschmaschinen geeignet sei.
Bei diesen Filterfischen ist das Kiemenbogensystem insgesamt trichterförmig: Die Öffnung befindet sich an einem Ende des Fischmauls und verengt sich allmählich zur Speiseröhre hin. Die Trichterwand besteht aus einer Reihe von Kiemenbögen. Diese bogenförmigen Skelette sind mit kammartigen Kiemenrechen versehen und ihre Oberflächen sind mit kleinen „Dentikeln“ bedeckt, die zusammen eine durchgehende maschenartige Siebstruktur bilden. Wenn der Fisch frisst, dringt Wasser durch diese durchlässige Trichterwand und wird über die Kiemen ausgeschieden, während größere Planktonpartikel durch die Maschenstruktur im Trichter gefangen werden.
Aufgrund der Gestaltung der Trichterform und der Richtung des Wasserflusses blockieren diese eingefangenen Partikel nicht die Sieboberfläche, sondern rollen an der Innenwand des Trichters entlang und laufen schließlich am Eingang der Speiseröhre zusammen, wo sie beim Schlucken des Fisches „entleert“ werden, wodurch eine natürliche Selbstreinigung erreicht wird. Das Forschungsteam wies darauf hin, dass dieser Funktionsmechanismus der „Querstromfiltration“ die beiden Vorteile einer hohen Filtrationseffizienz und Verstopfungsresistenz bietet, was genau die Eigenschaften sind, die ein idealer Mikroplastikfilter erfordert. Daher konzentrierten sie sich darauf, diese Trichtergeometrie und Maschenstruktur im bionischen Design nachzubilden, sodass die Fasern entlang der Filteroberfläche rollen können, anstatt frontal zusammenzustoßen, wodurch das Verstopfungsrisiko erheblich verringert wird.
Im Hinblick auf die konkrete technische Umsetzung kopierte das Team die wichtigsten geometrischen Parameter des Fischkiemenbogensystems und passte und kombinierte die Optimierung der Sieböffnung und des Trichteröffnungswinkels systematisch an. Die Forscher nutzten eine Kombination aus Experimenten und Computersimulationen, um eine Reihe von Parameterkombinationen zu finden, die die meisten Mikroplastikfasern einfangen können, ohne dass es zu einer schnellen Verstopfung kommt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Filter unter dieser Konstruktionsbedingung mehr als 99 % des Mikroplastiks im Waschmaschinenabwasser entfernen kann und die gesamte Struktur keine komplexen mechanischen Komponenten erfordert, sodass sie für eine kostengünstige Serienfertigung geeignet ist.
Der neue Filter ist als eigenständiges Bauteil konzipiert, das in die Waschmaschine integriert werden kann. Das mittlere Filterelement ist für die Nachbildung des Trichter- und Siebsystems des Kiemenbogens zuständig, während die Außenhülle die regelmäßige Reinigung und Verbindung mit der gesamten Maschinenrohrleitung ermöglicht. Während des Betriebs sammeln sich die eingeschlossenen Kunststofffasern im Filterauslassbereich an und werden durch Absaugen mit höherer Frequenz entfernt, um eine Ansammlung und einen erneuten Rückfluss zu verhindern. Die Forschung geht davon aus, dass das Back-End diese nassen Fasern durch mechanische Kompression und andere Methoden zu Kunststoffbriketts mit geringerem Wassergehalt komprimieren kann. Benutzer müssen sie nur einmal nach Dutzenden Wäschen herausnehmen und die festen Partikel im normalen Hausmüll entsorgen.
Derzeit ist diese Technologie in Deutschland zum Patent angemeldet und fördert einen umfassenderen Schutz des geistigen Eigentums auf EU-Ebene. Neben der Universität Bonn ist auch das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT) maßgeblich an dem Projekt beteiligt. Die entsprechende Transformationsarbeit wird gemeinsam vom Transferzentrum enaCom der Universität Bonn und PROvendis, der Technologietransfer-Serviceagentur des NRW-Hochschulnetzwerks, vorangetrieben. Das Forschungsteam hofft, dass Haushaltsgerätehersteller diese Art von bionischen Filtern in künftige Generationen von Waschmaschinen integrieren können, um die Mikroplastikemissionen von Textilien aus der Quelle deutlich zu reduzieren und einen direkten und praktikablen technischen Weg zu bieten, um die Belastung der Umwelt durch Mikroplastik zu verringern.
Die wissenschaftliche Gemeinschaft warnt in den letzten Jahren davor, dass Mikroplastik in der Umwelt schwerwiegende und möglicherweise langfristige Gesundheitsgefahren für den menschlichen Körper darstellen kann. Relevante Analysen haben das Vorhandensein von Mikroplastikpartikeln in der Muttermilch, der Plazenta und sogar im Gehirngewebe festgestellt, was in der Öffentlichkeit weit verbreitete Besorgnis über deren potenzielle Toxizität und chronische kumulative Auswirkungen hervorgerufen hat. In diesem Zusammenhang wird die Reduzierung der Mikroplastik-Emissionen aus der Quelle als ebenso entscheidend angesehen wie die nachgelagerte Governance, und die aus den Kiemenbögen von Fischen abgeleitete „bionische Lösung“ spiegelt den einzigartigen Wert natürlicher Inspiration in der Umwelttechnologie wider.
Zusammengestellt von /ScitechDaily