Der Waschmaschinenfilter nach dem Vorbild von Fischkiemen nimmt Form an: Die Uni Bonn hat ihr nun Forschungsprojekt zum Patent angemeldet. In ersten Tests konnte der neu entwickelte Filter mehr als 99 Prozent der Plastikfasern aus dem Abwasser von Waschmaschinen entfernen. Die Ergebnisse sind nun in der Zeitschrift "npj emerging contaminants" erschienen. Wie der Filter funktioniert.
Im Laufe der Evolution haben die genannten Fischarten eine Technik hervorgebracht, die der Querstrom-Filtration ähnelt: Ihr Kiemenreusensystem hat die Form eines Trichters, der am Maul der Fische am breitesten ist und sich zu ihrem Schlund hin verjüngt.
Die Wände des Trichters werden von den Kiemenbögen geformt. Diese sind ihrerseits mit kammartigen Strukturen besetzt, den Rechen, auf denen wiederum kleine Zähnchen sitzen. So entsteht eine Art Maschengewebe, das von den Kiemenbögen aufgespannt wird.
Selbstreinigung: Plankton rollt in Richtung Schlund
"Bei der Nahrungsaufnahme strömt das Wasser durch die durchlässige Trichter-Wand, wird gefiltert, und das partikelfreie Wasser wird durch die Kiemen wieder in die Umgebung abgegeben", erläutert Dr. Alexander Blanke vom Institut für organismische Biologie der Universität Bonn. "Das Plankton ist dazu allerdings zu groß; es wird durch die natürliche Siebstruktur zurückgehalten. Dank der Trichterform rollt es dann Richtung Schlund und sammelt sich dort, bis der Fisch schluckt und dadurch das System entleert und reinigt."
Dieses Prinzip verhindert, dass der Filter verstopft - die Fasern treffen nicht senkrecht auf den Filter, sondern rollen an ihm entlang Richtung Schlund. Zugleich ist der Prozess sehr effektiv: Er entfernt fast das komplette Plankton aus dem Wasser. Beides sind Punkte, die ein Mikroplastik-Filter ebenfalls erfüllen muss. Die Forschenden haben das Kiemenreusensystem daher nachgebaut. Dabei haben sie sowohl die Maschengröße der Siebstruktur als auch den Öffnungswinkel des Trichters variiert.
Dr. Leandra Hamann und Dr. Alexander Blanke. - © Peter/Rühr/Uni Bonn
Der Filter erzielt eine hohe Effizienz
"Wir haben so eine Kombination von Parametern gefunden, bei der unser Filter mehr als 99 Prozent des Mikroplastiks aus dem Wasser abscheidet und dennoch nicht verstopft“, sagt Dr. Leandra Hamann. Zu diesem Zweck setzte das Team nicht nur auf Experimente, sondern auch auf Computersimulationen. Der Filter nach Vorbild der Natur enthält keine aufwändige Mechanik und sollte sich daher sehr kostengünstig herstellen lassen.
Das Mikroplastik, das er aus dem Waschwasser fischt, sammelt sich im Filterausgang und wird von dort einige Male pro Minute abgesaugt. Man könne es danach zum Beispiel in der Maschine pressen, um so das enthaltene Wasser zu entfernen, meint die Wissenschaftlerin, die inzwischen an die University of Alberta im kanadischen Edmonton gewechselt ist. Alle paar Dutzend Wäschen könne man das so entstandene Plastik-Pellet dann entnehmen und im Restmüll entsorgen.
Ziel: Filter in Waschmaschinen verbauen
Die Universität Bonn und das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT hat die Technologie in Deutschland bereits zum Patent angemeldet; die EU-weite Patentierung wird angestrebt. Die Forschenden hoffen nun, dass Hersteller den Filter weiterentwickeln und in künftigen Waschmaschinen-Generationen verbauen werden. So ließe sich die Verbreitung von Mikroplastik aus Textilien zumindest ein Stück weit eindämmen.
So fing das Forschungsprojekt an: Bericht aus dem Jahr 2021
Mikroplastikfilter: Fischkiemen als Vorbild
Die Natur diente neuer Technologie schon oft als Vorbild: Roboter krabbeln wie Spinnen, Schwimmanzüge imitieren die Hautschuppen von Haifischen oder Schutzbekleidung wird den Panzern von Krebsen nachempfunden. Die Natur könnte nun abermals als Inspiration dienen und eine neue Technologie für die Textilpflegebranche hervorbringen: einen Waschmaschinenfilter nach dem Vorbild von Fischkiemen.
Hinter dem Projekt "FishFlow" stecken Biologen der Universität Bonn, die gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheit- und Energietechnik (UMSICHT) und der Firma Hengst aus Münster eine effiziente. Sie suchen eine nachhaltige und haltbare Lösung für Mikroplastikabrieb beim Waschen.
Jeder Deutsche setzt im Jahr 4 kg Mikroplasik frei
Nach Schätzungen des Fraunhofer UMSICHT setzt jeder Deutsche jährlich rund 4 kg Mikroplastik frei. Die Partikel gelangen über Luft, Boden und Gewässer auch in Organismen. Eine Quelle ist die Waschmaschine: Durch Abrieb von Synthetikfasern während des Waschens strömen mit dem Abwasser winzige Kunststoffpartikel in die Umwelt, so die Forschenden. Pro Waschgang könnten so mehrere Hundert Milligramm synthetische Mikrofasern je Kilogramm Wäsche in die Umwelt entweichen. Im Fokus der Forschenden stehen deshalb Filtertechnologien, die die Verbreitung der unter fünf Millimeter kleinen Kunststoffteilchen unterbinden.
Filter: Fischkiemen als Vorbild
Das Team der Universität Bonn nimmt nun das Maul von Fischen als biologisches Vorbild für die neuartigen Filter. "Es gibt viele filtrierende Tiere. Aber der Apparat der Fische – von den Kiemenbögen bis zur Weiterleitung der Nahrung in den Verdauungstrakt – weist im Vergleich die höchste Ähnlichkeit zu den Verhältnissen in der Waschmaschine auf", sagt Professor Dr. Alexander Blanke vom Institut für Evolutionsbiologie und Ökologie der Universität Bonn.
Welche bionischen Filter sind am effizientesten? "Wir haben verschiedene Fische hinsichtlich ihrer Kiemengeometrie vermessen", berichtet Leandra Hamann, die im Team von Blanke promoviert. Aus diesen Werten erstellen die Forschenden Computermodelle der Kiemen, führen Simulationen durch und bauen sie am 3-D-Drucker nach. Daraus gewinnt das Team Daten, welche Filtergeometrien am effizientesten arbeiten. Die bionischen Modelle der Kiemenstrukturen werden im Anschluss sowohl im Strömungskanal als auch in der Waschmaschine getestet.
Welche Tiere Partikel filtern
Hamann forscht schon seit Jahren an der Gruppe der "Suspensionsfresser". Dabei handelt es sich um sehr verschiedene Organismen, von Schwämmen über Fische bis zu Flamingos. "Die Strategien, wie diese Tiere Partikel aus dem Wasser filtern, sind sehr unterschiedlich", sagt die Wissenschaftlerin. Sie hat sich einen Überblick über 35 verschiedene Filterfunktionsarten verschafft. Verlängerte Kiemenrechen mit Dentrikeln z.B. von Sardellen schnitten vielversprechend ab und dienen nun mit als Vorbild für die neuartigen Filter. Diese sollen eine Rückhalteeffizienz von mehr als 90 Prozent aufweisen, so das Ziel der Forschenden.
Um den Transfer vom biologischen Vorbild zum technischen Prototypen zu schaffen, hat sich das Forschungsteam interdisziplinär aufgestellt, die Mitglieder kommen aus der Biologie, den Materialwissenschaften und den Ingenieurwissenschaften. Da der Filter einen Beitrag zum Umweltschutz leisten soll, spielt auch die Nachhaltigkeit der Filterproduktion selbst eine wichtige Rolle: "Wir werden schon früh bei der Produktentwicklung eine Ökobilanz durchführen, um den ökologischen Nutzen zu bewerten", sagt Dr. Ing. Ilka Gehrke vom Fraunhofer UMSICHT.
Das Projekt "FishFlow" wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für ein Jahr mit rund 500.000 Euro gefördert, davon fließen rund 300.000 Euro an die Universität Bonn.