Es kommt nicht jeden Tag vor, dass wir die Gelegenheit haben, einen unserer Kunden in Übersee zu interviewen! Bei diesem Korrespondenten handelt es sich um niemand anderen als die renommierte California University of Technology (allgemein bekannt als CALTECH), vertreten durch zwei Forscher, Dr. Israel Kellersztein und Prof. Chiara Daraio von der Abteilung für Maschinenbau und Bauingenieurwesen an der Caltech. In diesem Interview sprechen wir mit den Forschern über ihre bahnbrechende Forschung zur Verwendung von Chlorella als natürliches Baumaterial. Sie erforschen die einzigartigen Eigenschaften von Mikroalgen für nachhaltiges Bauen, getrieben von dem Wunsch, umweltfreundliche Materialien zu schaffen.
Ein Schlüsselaspekt ihrer Forschung ist die Reinheit der Chlorella, die entscheidend ist, um konsistente und zuverlässige Ergebnisse zu erzielen. Aus diesem Grund wählten sie die Chlorella eChlorial, , die für ihre außergewöhnliche Reinheit bekannt ist, und verwenden sie seit mehreren Jahren. Diese Wahl unterstreicht die Bedeutung von hochwertigen Materialien für den wissenschaftlichen Fortschritt. In dieser Diskussion teilen Dr. Kellersztein und Prof. Daraio ihre Motivation, ihre Ergebnisse und die potenzielle Zukunft von Chlorella-Materialien in der Bauindustrie mit.
Wie kam es zu Ihrem Interesse an der Erforschung von Chlorella für Strukturmaterialien?
Unser Interesse an der Untersuchung von Chlorella als natürliches Material für strukturelle Anwendungen entstand aus dem Wunsch heraus, auf Umweltbelange einzugehen und innovative und nachhaltige Lösungen für neue Verpackungs- und Baumaterialien zu erforschen, die nicht auf synthetischen Polymeren basieren.
Wir waren fasziniert von den unverwechselbaren Merkmalen der Chlorella, einschließlich ihrer schnellen Wachstumsrate, ihrer komplexen biochemischen Zusammensetzung sowie der Form und Größe ihrer Zellen. Die Aussicht, zur Herstellung umweltfreundlicher Materialien beitragen zu können, veranlasste uns, Chlorella für strukturelle Anwendungen zu untersuchen.
Was macht Chlorella für die Verwendung in Baumaterialien geeignet?
Die Zellen der Chlorella weisen mehrere Eigenschaften auf, die sie zu einem idealen Kandidaten für strukturelle Anwendungen machen. Chlorella kann schnell und nachhaltig gezüchtet werden, was sie zu einer erneuerbaren und umweltfreundlichen Ressource macht. Die Zellen haben aufgrund ihrer geringen Größe und ihrer Kugelform eine große Oberfläche, was besonders wichtig ist, um die Wechselwirkungen mit anderen Materialien bei der Gestaltung von Verbundstoffen zu fördern.
Eine der wichtigsten Eigenschaften der Chlorella ist ihre Zellwand. Diese dünne äußere Schicht ist für mehrere kritische Funktionen verantwortlich, darunter die strukturelle Unterstützung, der Schutz und die Durchlässigkeit der Zelle. Im Fall der Chlorella ist die Zellwand reich an Zellulose, einem sehr steifen und widerstandsfähigen Biopolymer. Die robuste Zellwand auf Zellulosebasis sorgt für die Steifigkeit und Festigkeit, die für verschiedene Anwendungen erforderlich ist. Die intakte Zellwand und die Beibehaltung der Kugelform der Chlorella sind entscheidend für die Entwicklung effizienter Strukturmaterialien aus Chlorella-Zellen. Diese Eigenschaften machen Chlorella zu einem vielversprechenden Material für die Schaffung von starken, leichten und langlebigen Strukturmaterialien.
Warum ist die Reinheit von Chlorella für die Verwendung in Strukturmaterialien wichtig?
Zusätzliche Bestandteile oder Verunreinigungen in Chlorella können ihre Eigenschaften, einschließlich der mechanischen Leistung, erheblich beeinträchtigen. Als Wissenschaftler und Ingenieure ist es unser Ziel, Materialien mit gleichbleibenden mechanischen Eigenschaften zu entwerfen. Im Fall von Materialien aus Chlorella versuchen wir, Strukturen herzustellen, die sich immer gleich verhalten.
Um dies zu erreichen, muss die Chlorella so rein wie möglich sein. Andernfalls werden die Eigenschaften des Endmaterials durch Verunreinigungen beeinträchtigt, die schwach mit den Zellen der Chlorella interagieren können, was zu Diskontinuitäten und Defekten führt. Die Reinheit der Chlorella ist entscheidend, da sie die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit der erhaltenen Strukturen gewährleistet, was sie als Strukturmaterial effektiv macht.
Was sind die Vorteile von Materialien auf Chlorella-Basis gegenüber herkömmlichen Materialien?
Synthetische Polymermaterialien wie Polyethylen oder Polypropylen werden aus Rohstoffen gewonnen, die aus fossilen Brennstoffen wie Erdöl oder Erdgas hergestellt werden. Dieser Produktionsprozess ist sehr energieintensiv. Außerdem sind synthetische Polymere nicht biologisch abbaubar, was bei ihrer Entsorgung zu einer Umweltverschmutzung führt, da sie schädliche Chemikalien und Schadstoffe in die Umwelt freisetzen.
Biologisch abbaubare Polymere wie Polymilchsäure bieten eine Alternative, sind aber mit hohen Extraktions- und Produktionskosten verbunden. Darüber hinaus kann der Anbau natürlicher Pflanzen zur Gewinnung von Monomeren den Einsatz von Düngemitteln bedeuten, was zu Umweltverschmutzung und Konkurrenz um Nahrungsmittelressourcen führt. Die Abholzung von Wäldern trägt, wie im Fall von Holz, zur globalen Erwärmung bei, indem sie die Bodentemperaturen erhöht.
Die Verwendung von Chlorella als natürliche Ressource für die Gestaltung von Materialien hat viele Vorteile. Sie fördert den Umweltschutz, die Ressourcenschonung und die Eindämmung des Klimawandels.
Chlorella, absorbiert mehr Kohlendioxid als Landpflanzen. Sie kann in verschiedenen Umgebungen gedeihen, ohne mit landwirtschaftlichen Flächen zu konkurrieren.
Welchen Herausforderungen sehen Sie sich bei der Entwicklung von Chlorella als nachhaltiges Material gegenüber?
Mikroalgen sind seit langem ein Forschungsthema in den Biowissenschaften und dienen als Modellsystem, um u. a. die Mechanismen der Zellproliferation und der photosynthetischen Aktivitäten zu verstehen. Im Bereich der Materialwissenschaften sind die Mikroalgen eine neue Klasse von Ressourcen für die Entwicklung neuer Biomaterialien mit strukturellen Fähigkeiten dar.
Die Zellen von Mikroalgen bestehen aus verschiedenen Materialien, darunter Proteine, Lipide und Polysaccharide, was sie zu einem komplexen System macht. Darüber hinaus sind die Morphologie und die Eigenschaften der Zellwand komplex, was weitere Forschung erfordert, um vollständig zu verstehen, wie Materialien auf Chlorella-Basis verarbeitet und verbessert werden können.
Dazu gehört die Untersuchung potenzieller Wechselwirkungen zwischen Chlorella-Zellen und natürlichen oder synthetischen Verstärkungen sowie das Verständnis der Auswirkungen verschiedener Verarbeitungsparameter wie Druck, Temperatur oder Viskosität bei der Gestaltung dieser Materialien.
Wie sieht die Zukunft der Chlorella in der Bau- und Verpackungsindustrie aus und welche Maßnahmen ergreifen Sie, um diese Zukunft zu erreichen?
Wir gehen davon aus, dass nicht nur Chlorella, sondern auch andere Mikroalgenstämme an verschiedenen Anwendungen beteiligt sein werden, darunter auchVerpackung und Bauwesen. Vorläufige Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die mechanischen Fähigkeiten dieser Materialien mit denen von Basispolymeren wie Polypropylen oder Polyethylen vergleichbar sind. Darüber hinaus bieten Algenmaterialien ein Potenzial für verschiedene Funktionalitäten, die über die mechanischen Eigenschaften hinausgehen, wie z. B. Wärme- oder Schallisolierung.
Derzeit werden erhebliche Anstrengungen unternommen, um Verarbeitungsmethoden zu entwickeln, insbesondere den 3D-Druck, der ein nachhaltigeres Verfahren bietet, mit dem komplexere Formen entworfen werden können. Darüber hinaus werden Forschungsarbeiten durchgeführt, um das Formpressen von Spirulina oder aus Abwasser gewonnenen Algen zu untersuchen.