Effiziente Umwandlung und Nutzung von Energie
Aufgrund der Ressourcenknappheit der fossilen Brennstoffe ist es eine der wichtigsten Aufgaben der Menschen im 21. Jahrhundert, Wege und Möglichkeiten zu finden, mit der verfügbaren Energie effizient umzugehen und auch Alternativen zu unseren heutigen Systemen zu finden. Zwar bietet die Nanotechnologie bisher keine neuen Ansätze, dennoch hilft sie, bekannte Verfahren deutlich besser zu gestalten und neue Ideen zu realisieren.
Wie breit das Spektrum der Ansätze durch die Nanotechnologie sind, lässt sich gut am Beispiel Automobil zeigen. Der Rollwiderstand der Reifen wird schon seit geraumer Zeit durch neue Gummimischungen mit Rußpartikeln verringert. Durch gezielte Nanostrukturierung lässt sich die Oberfläche dieser Partikel stark vergrößern, was den Rollwiderstand Studien zufolge etwa um 30% verringert, da die Verformung des Reifens und somit die Walkarbeit eingedämmt wird.
Durch neue Lacke und Schmierstoffe, konsequente Leichtbauweise und reibungs-mindernde Oberflächenbeschichtungen im Antrieb, die durch Nanotechnologie möglich wurden, lässt sich der Kraftstoffverbrauch um etwa 28% senken. All diese Aspekte und weitere lassen Energieeinsparungen um etwa 35% und mehr zu.
Überträgt man dieses Optimierungspotential auf weitere Bereiche, etwa der Industrie, ließe sich der globale Energieverbrauch stark reduzieren. Bei allen Bereichen der industriellen Fertigung fallen hohe Energie- und Verschleißkosten an. In jedem Motor, an jedem Gelenk, an jeder Maschine lässt sich ungewollte Reibung und der damit verbundene Energieverlust durch moderne Oberflächen-beschichtungen und verbesserte Schmierstoffe stark vermindern.
Neben der Optimierung bekannter Techniken hilft die Nanotechnologie aber auch bei der dringend notwendigen Entwicklung von Alternativen. Die heutigen Otto- und Dieselmotoren (höchster Wirkungsgrad: ~20% bzw. ~40%) werden langfristig gesehen von anderen System, wie zum Beispiel der Wasserstoff-Sauerstoff-Brennzelle, ersetzt, da diese effizienter sind, keine fossilen Brennstoffe benötigen und auch keine schädlichen Gase ausstoßen.
Moderne Brennstoffzellen erreichen heute schon Wirkungsgrade von mehr als 50% (Spitzenwert: ~70%). Diese Effizienz ist der Forschung der Nanotechnologie zu verdanken. Damit sich das H2 und das O2 wie gewünscht teilen und sich dann unter Freisetzung von Energie wieder zu H2O verbinden, muss die chemische Umgebung optimal sein. Bisher wurden dazu Nanopartikel aus Platin als funktioneller Katalysator verwendet. Zwar ist der Wirkungsgrad hoch, aber das Metall hat zwei Nachteile: einerseits ist es sehr teuer und andererseits tendieren die Platinpartikel aus bisher unerforschten Gründen dazu, im Laufe der Zeit zu verklumpen, was ihre Oberfläche und somit ihre katalytische Wirkung stark mindert. Dieser Effekt tritt nicht auf, wenn man statt des Platins das Edelmetall Ruthenium verwendet. Ruthenium würde zwar eigentlich schnell oxidieren und somit ebenfalls die katalytische Wirkung verlieren, aber mit geringfügigen Selenzusätzen lässt sich dieser Prozess stoppen. Insgesamt haben die Ruthenium-Selen-Nanopartikel zwar nur etwa 50% der katalytischen Wirkung des Platins, sind dafür aber deutlich langlebiger und kosten in der Fertigung etwa 90% weniger.
