technik In die Röhre geguckt

Nanotechniker haben gewaltige Versprechungen gemacht. Einlösen konnten sie bisher keine einzige davon

Immerhin einer der Väter glaubt noch an die Zukunft seiner Wunderkinder. Beim Stöbern in kleinen Rußhaufen hatte Richard Smalley, Chemiker von der Rice University im texanischen Houston, vor 19 Jahren eine neue Art festen, reinen Kohlenstoffs entdeckt. Für diese Arbeit erhielt er 1996 den Nobelpreis. Seit der Entdeckung hat das C-Element ein drittes Gesicht: neben Diamant und Grafit eine neue Erscheinungsform, die aussieht wie ein Fußball. Die Kohlenstoffatome bilden aus winzigen Fünf- und Sechsecken eine Kugel. Deren Größe entspricht mit wenigen milliardstel Metern Durchmesser gerade mal dem Zehntausendstel eines Staubkorns.

Die „Buckyballs“ machten weltweit Schlagzeilen: Als Garage für Nanoroboter sollten sie dienen, als Verpackungs- und Transportmittel winzige Wirkstoffmengen umschließen und in den menschlichen Körper schleusen. 1991 zeigte sich auch noch, dass sich filigrane Röhrchen mit einer ähnlichen Struktur herstellen ließen. Nun war die Sensation perfekt, die kleinen Röhren wurden zu Emblemen einer neuen Ära. „Kohlenstoff-Nanoröhrchen könnten für die Zukunft der Menschheit Wunder wirken“, jubelte Richard Smalley – und predigt es bis heute.

Mit dem Fahrstuhl ins Weltall

Keinem anderen Material ist in der Vergangenheit so viel zugetraut worden – nur will das Wunder mit den Miniröhren bislang nicht so recht klappen. Die Liste ihrer Eigenschaften liest sich wie ein Kapitel aus dem Guinness Buch der Rekorde: Sie leiten elektrischen Strom mindestens 100-mal so gut wie alles Bekannte, sind 60-mal so reißfest wie Stahl, lassen beinahe beliebig ihren Durchmesser verändern, sind enorm elastisch, halten weitaus mehr Hitze aus als jede andere Form des Kohlenstoffs. Außerdem sind sie extrem spitz und leicht.

Entsprechend spektakulär waren die Visionen der Forscher. Nanoröhrchen sollten Wasserstoff hervorragend speichern, die Kunststoffindustrie revolutionieren und der Menschheit leitfähige, hochfeste Verbundwerkstoffe bescheren. Die Röhrchenbäcker träumten von einer Nanoelektronik, die künftig die Siliziumtechnik ablöst, von neuen Katalysatoren, Sensoren, Brennstoff- und Solarzellen.

Vor vier Jahren begann die Nasa mitzuträumen. Einen Aufzug ins All wollte die US-Weltraumbehörde konstruieren, eine mit der Erde rotierende Raumstation am Äquator vertäuen. Die Bestandteile des Astroseils: Nanoröhrchen. Seither feilen in den USA zwei Risikokapitalfirmen an der Formulierung des Konzepts.

Der moderne Kohlenstoff macht Geld locker. Allein das Bundesforschungsministerium steckte im vergangenen Jahr 121 Millionen Euro in seine Erforschung – 27 Prozent mehr als im Jahr 2002. In den Nanozentren, ob in Brookhaven, Stanford, Shanghai oder Karlsruhe, prangen die filigranen Rohrstrukturen im Großformat auf Postern.

Die Wirklichkeit ist allerdings weniger bunt als die Plakate. Im nordrhein-westfälischen Marl, auf dem sechs Quadratkilometer großen Gelände der Degussa, liegt einer der wenigen Orte dieser Welt, an denen die Röhrchen für einen Massenmarkt verarbeitet werden. Von einer Nanoröhrchen-Euphorie kann in Marl nicht die Rede sein. Im Innern der Gebäude formen emsige Knetmaschinen aus einem profanen Polymer (Polyamid 12) und Röhrenstaub den elektrisch leitenden Spezialkunststoff X-73-95. Dieser kommt in Kraftstoffleitungen amerikanischer Autos zum Einsatz – als Antistatikschicht, die elektrische Aufladungen rund um den fließenden Kraftstoff vermeiden soll. Besonders stolz auf die Rolle des Weltmarktführers für Nanokunststoffe ist man bei Degussa trotzdem nicht. „Wir arbeiten daran, auf die Röhrchen in unseren Kunststoffen wieder verzichten zu können“, sagt Bernd Lohmann.

Der bedächtige Mann ist Forschungsleiter in Marl. Als solcher hat er viele brillante Ideen kommen und verschwinden sehen. „Für ihren Preis müssten die Röhrchen schon etwas ganz besonders gut können.“ Das können sie aber nicht. „Also sind sie schlicht zu teuer“, folgert Lohmann. Elektrische Leitfähigkeit lasse sich schließlich auch mit einfachem, billigem Ruß erreichen. Bis zu 500 Euro kostet das Kilogramm Nanofasern, 3 Euro das Kilo Ruß. Dass man bei Degussa auf Nanoröhrchen ausgewichen ist, lag nur an der besseren Verarbeitungsfähigkeit des Kunststoffs. Und um die Kunden nicht zu verlieren, die eine extrem dünne Schicht haben wollten. Doch irgendwann, ist sich Lohmann sicher, schafft er das Gleiche ohne Nano.

„Den Kunden ist es egal, wie Sie was machen, es muss nur möglichst billig sein.“ Gerade in der Automobilindustrie, wo die Preise für Zulieferer auf die vierte Nachkommastelle genau verhandelt werden, ist dieses Argument schlagend. Und die versprochene enorme Strapazierfähigkeit? Mit einem Satz wischt der Pragmatiker Lohmann auch diesen Traum der Forschung vom Tisch: „Ein bisschen Ruß für die Leitfähigkeit und viele Glasfasern für die Härte.“ Gleichwertig, aber billiger.

Auch in anderen Gebieten, wo die Nanoröhren als Hoffnungskandidaten gestartet sind, ist die Flop-Quote bei der Anwendung hoch. So entpuppte sich die angebliche Fähigkeit der effizienten Wasserstoffspeicherung schlicht als Messfehler. 60 Prozent ihres Eigengewichts an Wasserstoff sollten die Röhrchen speichern können, meinten Physiker der Northwestern University vor sechs Jahren entdeckt zu haben. Dummerweise ließen sich die Ergebnisse nie reproduzieren. Heute steht fest: Allenfalls sechs Prozent nehmen die Strukturen auf. Und das auch nur bei minus 170 Grad Celsius. Das macht sie denkbar ungeeignet für einen Wasserstofftank unter der Rücksitzbank.

Die Liste lässt sich fortsetzen. Als Schmiermittel für Nanomotoren: ungeeignet. An den Metalloberflächen würden die Röhrchen Karbide bilden, das wäre Nanosand im Getriebe. Und die Idee des Raumaufzugs? „Der Fahrstuhl wird 50 Jahre nach dem Zeitpunkt gebaut, an dem die Leute aufgehört haben, über das Konzept zu lachen“, prophezeit Arthur Clark, Arbeitsgruppenleiter bei der Nasa. Noch lachen sie.

Das Problem der Röhrchen ist exemplarisch. Im Grunde wissen das auch die Forscher. „Alles, was nicht von einer Anwendung getrieben ist, hat keine Förderungschance“, sagt Ferdi Schüth, Direktor am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim. Vielleicht findet sich aus diesem Grund am Ende vieler Forschungsanträge der Hinweis auf ein Marktpotenzial von 140 bis 170 Milliarden Dollar – ganz gleich, ob es sich um Forschung am Quantencomputer oder an Nanoröhrchen handelt. Die Zahl entspricht dem Jahresumsatz der Chip-Branche. „Als Forscher ernsthaft zu glauben, dass sich die etablierte Siliziumtechnik so einfach ablösen ließe, ist aber schlicht blauäugig“, kritisiert Mattias Werner die Wissenschaftler. Der ehemalige Direktor des Microtechnology Innovation Teams der Deutschen Bank war fünf Jahre lang als Späher der Finanzwirtschaft nach guten Ideen aus der Wissenschaft unterwegs und arbeitet heute als Unternehmensberater. Er ist sich sicher: „Die Versprechungen im Vorfeld haben den Kohlenstoff-Nanoröhrchen extrem schlecht getan.“

Per Widerstand zum Erfolg

In den vergangenen Jahren hat es lediglich eine Idee geschafft, zur „Killerapplikation“, wie Werner es nennt, zu werden. Zur gleichen Zeit, als die Buckyballs mit großem Rummel auf die wissenschaftliche Bühne traten, begann eine Innovation aus Jülich den Massenmarkt zu erobern. Mitte der achtziger Jahre hatten Forscher dort den Riesenmagnetowiderstand entdeckt – einen Effekt, bei dem sich der elektrische Widerstand eines dünnen Sandwichs aus verschiedenen Metalllagen mit Hilfe eines Magnetfelds steuern ließ. Keine zehn Jahre später war der Riesenmagnetowiderstand Standard für sämtliche Festplatten und Leseköpfe. In jedem Computer tut er heute seinen Dienst. Doch der Siegeszug geschah im Stillen, beinah unbemerkt von der Öffentlichkeit. Weil Preis und Leistung stimmten.

Ähnliches ist von den Nanoröhren nicht zu behaupten. In einer Studie über deren Marktpotenzial kam die niederländisch-spanische Beraterfirma Willems & van den Wildenberg kürzlich zu einem eindeutigen Ergebnis: Überall dort, wo die Röhrchen in hoher Qualität und in großen Mengen gebraucht werden, müssten sie billiger werden. Andernfalls seien die Chancen, gegen bestehende Materialien zu konkurrieren, gering. Bisher wurde ein solcher Preisrutsch bei gleichzeitiger Produktionssteigerung, der so genannte Scale-up, von den Herstellern der Röhrchen zwar oft versprochen, ereignet aber hat er sich nie.

Statt als Wunder der Menschheit in die Geschichtsbücher könnten die Nanoröhrchen in die Walhalla der gescheiterten Technikrevolutionen eingehen. Dort teilten sie das Schicksal etwa von Hochtemperatursupraleitern, die im großen Stil Kupferkabel ablösen sollten, aber bisher allenfalls in kleineren Nischen gelandet sind. Fast alle Kabel sind noch immer aus normalem Kupfer.

Auch für die Kohlenstoff-Nanoröhrchen tun sich bloß Nischen auf. Am Einsatz als Schalter, Transistoren und kleine, leitende Verbindungsstücke in spezieller Elektronik – so genannte vias – tüfteln Infineon, Intel und IBM. Als Sensor könnte man sich die Röhrchen bei Philips vorstellen. In Batterien und Flachbildschirmen, glauben die Unternehmensberater Willems & van den Wildenberg, könnten die Röhrchen einst zum Einsatz kommen. Doch bei allem gilt: Das Marktvolumen ist klein. Von Ablösung der Siliziumtechnologie ist nirgends die Rede.

Selbst auf Spezialfeldern droht Konkurrenz aus dem eigenen Revier. Nanoröhrchen, die nicht aus Kohlenstoff bestehen, sind im Kommen. Materialforscher an der Pennsylvania State University konnten zeigen, dass Wasserstoffsensoren mit Nanoröhrchen aus Titan funktionieren. Bei IBM wird an Schaltkreisen mit Röhrchen aus Bornitrid gearbeitet. Der entscheidende Vorteil: Sie sind weniger Allround- als vielmehr Spezialtalente und verhalten sich berechenbarer als die Kohlenstoff-Kollegen. Während die Letzteren, je nach Wachstumsart und Struktur, den Strom äußerst unterschiedlich leiten, liefern die Bornitrid-Röhren immer gleich gute Eigenschaften.

In ihrer Studie haben die niederländisch-spanischen Unternehmensberater ein Szenario entworfen. Im „pessimistischen Fall“, schreiben sie, blieben die Kohlenstoff-Nanoröhrchen wissenschaftlich hoch interessant – aber arbeitslos. Trotzdem ließe sich mit ihnen noch auf drei Arten Geld verdienen. Erstens verkauft man Vorlesungen über die Wissenschaft der Röhrchen. Zweitens stellt man Geräte für die Forschung her. Und drittens: Man verfasst als Unternehmensberater Berichte über ihre Zukunft.