Moleküle im Gänsemarsch

Moleküle

Milliarden Menschen haben keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser. Die Erfindung des dänischen Biochemikers und Unternehmers Peter Holme Jensen könnte ihnen helfen und die weltweite Wasserversorgung revolutionieren.

 

HB I Berlin

 

Lösungen für die großen Probleme dieser Welt können auch im Kleinen liegen. So weit im Kleinen, dass man sie nicht einmal unter dem Mikroskop erkennt. Wie bei der Technik, die dem dänischen Biochemiker Peter Holme Jensen die Nominierung für den Europäischen Erfinderpreis 2014 eingebracht hat.

 

Jensen hat eine Filtermembran entwickelt, die winzige Poren enthält, durch die nur absolut reines Wasser dringt. Die Poren bestehen aus einzelnen Proteinen, also biologischen Molekülen, „Aquaporine“ genannt. Diese haben höchst erstaunliche Eigenschaften. Und sie könnten helfen, die globale Versorgung mit sauberem Wasser erheblich zu verbessern.

 

Weltweit sind über drei Milliarden Menschen von mangelnder Abwasserentsorgung betroffen, fast eine Milliarde von Trinkwasserknappheit. Und die Tendenz steigt, denn die Weltbevölkerung wächst. Gleichzeitig werden die Gewässer der Erde nicht sauberer: Düngemittel, Pestizide, Medikamentenreste, Industrie- und Haushalts- Abwässer – unsere Flüsse und Grundwasserreservoirs sind vielen Belastungen ausgesetzt. Wo also soll das dringend benötigte saubere Trinkwasser herkommen?

 

Im Wesentlichen gibt es zwei Möglichkeiten: Das verschmutzte Süßwasser gründlich reinigen oder Meerwasser entsalzen. Beides wird natürlich längst gemacht. Doch beides ist mit herkömmlichen Methoden teuer und energieaufwendig.

 

Vor gut zehn Jahren hatte Peter Holme Jensen deshalb eine Idee: Warum machen wir es nicht wie die Natur? In allen Lebewesen werden täglich Unmengen an Wasser höchst effektiv gefiltert, nämlich von den Zellen. Wo immer der Austausch und die Reinigung von Flüssigkeiten notwendig sind, beim Menschen etwa in der Niere, pflastern besagte Aquaporine die Zellwände. Sie sind so klein, dass sie erst 1992 entdeckt wurden. 2003 gab es den Chemie-Nobelpreis für die Erklärung, wie sie funktionieren.

 

Ein Aquaporin – inzwischen sind elf Varianten des Proteins bekannt – besteht aus gut 260 Aminosäuren und hat in der Mitte eine Art Durchgangskanal, der sich wie eine Sanduhr nach innen verjüngt. Er ist außen zwei und innen 0,3 Nanometer schmal, nur extrem kleine Moleküle passen durch, und auch nur, wenn sie sich wie im Gänsemarsch aneinanderreihen.

 

So wie etwa das Wassermolekül. Es besteht lediglich aus drei Atomen, einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatomen. Die meisten Verschmutzungen und Minerale, die im Wasser gelöst sind, sind auf molekularer Ebene dagegen deutlich komplexer – und daher zu groß für das Nadelöhr.

 

Doch auch ähnlich kleine Moleküle wie Wasser können in der Regel nicht passieren. Denn sie liegen in der Wasserlösung meist ionisiert, also geladen vor. Und an der engsten Stelle des Kanals gibt es zusätzlich eine elektrische Barriere, die nur neutrale Elemente überwinden. „Unterm Strich gelangt eigentlich nichts außer Wasser durch den Kanal“, sagt Peter Holme Jensen.

 

Obwohl dies nur Molekül für Molekül geschieht, rauschen pro Sekunde eine Milliarde Wasserteilchen durch jeden Kanal. Eine Membran von einem Quadratmeter Fläche, dicht durchsetzt mit Aquaporinen, kann daher zig Liter Wasser pro Stunde filtern, wenn man entweder einen hydraulischen Druck anlegt und es durch die Membran presst, oder – ganz ohne Energieeinsatz – die Kraft der Osmose ausnutzt: Wasser fließt von einer Lösung mit niedrigem Salzgehalt auf der einen in eine mit höherem Salzgehalt auf der anderen Seite – ganz von selbst. Das Wasser wird also quasi aus der verschmutzten Lösung herausgesaugt.

 

Als damals die Amerikaner Peter Agre und Roderick MacKinnon für die Entschlüsselung dieser Vorgänge den Nobelpreis erhielten, war Peter Holme Jensen frisch gebackener Doktor der Biochemie mit einer Arbeit über Proteinchemie. Als Doktorand hatte er einige Jahre am Institut der Brauerei Carlsberg gearbeitet – beim Bierbrauen spielen Proteine eine große Rolle –, danach als Forscher an der Universität Kopenhagen gearbeitet, parallel bei einem Pharmaunternehmen angeheuert und zwei eigene kleine Pharma-Startups mit Spezialisierung auf Proteine gegründet. „Ich war ein begeisterter Wissenschaftler, aber im Grunde meines Herzens immer ein Unternehmer“, sagt er.

 

Beste Voraussetzungen also, um das Potenzial der neu entdeckten Aquaporine zu erkennen. Gemeinsam mit seinem Freund Morten Østergaard Jensen, der diese Eiweiße parallel zu Agre und MacKinnon erforschte, gründete Jensen 2005 die Firma „Aquaporin“, um seine Idee weiterzuentwickeln. „An der Universität wäre das nicht möglich gewesen“, sagt der heute 43jährige. „Dort machen Forscher oft ein zu großes Geheimnis aus ihren Erkenntnissen. Innerhalb eines Unternehmens aber ziehen alle an einem Strang – auch wenn Experten aus verschiedenen Disziplinen zusammenkommen.“

 

Jahrelang haben sie getüftelt, um die in einer Art Brauereikessel per Fermentation gewonnenen und vermehrten Proteine in Kunststoff- Membranen auf Polymerbasis einzubauen. Nun ist ihre Technologie „Aquaporin Inside“ reif für die Anwendung.

 

Einstweilen liegen die primären Einsatzgebiete bei Klär- und Meerwasserentsalzungsanlagen. Beim Klären werden Salze, Keime, Medikamentenspuren, jegliches organisches Material, gelöste Gase, ja sogar einzelne Protonen herausgefiltert – beziehungsweise nur das reine Wasser aus der Ausgangsbrühe extrahiert. Den verbleibenden Schmutz muss man deponieren. Aber deutlich weniger als bei herkömmlicher Klärung.

 

Unterm Strich brauche seine Technologie im Vergleich zur Meerwasserentsalzung per Destillation etwa 1000 bis 5000 Mal weniger Energie, denn für die Destillation muss das Wasser erhitzt werden – allenfalls mit Solarenergie ist das wirklich sinnvoll. Selbst im Vergleich zu anderen Osmose- Verfahren, die mit rein künstlichen Membranen arbeiten, liegt die neue Membran um einen Faktor zehn besser in Sachen Energieverbrauch.

 

Und bei den Kosten stellt der Hersteller eine Ersparnis im zweistelligen Prozentbereich bis zu 70 Prozent in Aussicht. „Wenn wir die Membranen in industriellen Mengen produzieren, kosten sie nur noch rund einen Euro pro Quadratmeter“, so Jensen.

 

Handelsblatt 15.05.2014       

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