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Hallo, wir sind CoreSpin – ein Team aus 14 Studierenden der Universität Maastricht mit Mitgliedern aus 16 Nationen und unterschiedlichen fachlichen Hintergründen aus Biologie, Chemie, Ingenieurwesen und Informatik vereint. Uns verbinden die Neugier und der gemeinsame Anspruch, die Lücke zwischen Laborforschung und realer Anwendung zu schließen. Dabei erforschen wir, wie biologische Prinzipien das Ingenieurwesen neu gestalten können.
Unser Projekt bringt biologisches Denken in einen Bereich, der bisher kaum davon geprägt ist: die Thermotechnik. Wir entwickeln eine wärmeleitfähige Nanoschicht, die Wärmetauscheroberflächen beschichtet und Biofouling sowie die Ablagerung von Staub und Sedimenten verhindert.
Ingenieurwesen aus einer neuen Perspektive: Synthetische Biologie
Die synthetische Biologie verändert unseren Alltag – von Lebensmitteln bis hin zu Medikamenten – still und leise. Sie beschäftigt sich mit der gezielten Neukonstruktion natürlicher Organismen, um deren Funktionen zu verbessern oder völlig neue Eigenschaften zu schaffen. An der Schnittstelle von Biologie, Ingenieurwesen, Chemie, Physik und Informatik vereint dieses Forschungsfeld unterschiedliche Disziplinen, um biologische Systeme gezielt zu entwerfen und umzusetzen.
Inspiriert von der Natur eröffnet die synthetische Biologie neue Wege hin zu einer nachhaltigeren und zirkulären Wirtschaft. Durch die Kombination verschiedener Fachrichtungen lassen sich Materialien und Systeme neu denken – selbst in Bereichen, die bislang kaum mit biologischen Ansätzen in Berührung gekommen sind.
Ein solcher Bereich ist die Thermotechnik, in der biologische Konzepte innovative Lösungen für langjährige industrielle Herausforderungen bieten können.
Ausgehend von den außergewöhnlichen Eigenschaften der Spinnenseide entwickeln wir Proteine, die sich direkt an Kupfer binden. Durch gezielte Anpassung der Proteinsequenzen optimieren wir die mechanische Festigkeit, die Wärmeleitfähigkeit und die nanoskalige Struktur.
Rückgrat der modernen Technik: Wärmetauscher
Um das Anwendungspotenzial dieser Innovation zu verstehen, richteten wir unseren Fokus auf eine der meist unterschätzten, aber essenziellen Technologien der modernen Welt: den Wärmetauscher. Sie kühlen Motoren, halten Kühlschränke in Betrieb, regulieren Raumtemperaturen und bilden die Grundlage der Kühlsysteme in Rechenzentren. Tatsächlich durchlaufen über 90 % der in industriellen Prozessen eingesetzten Wärmeenergie mindestens einmal einen Wärmetauscher, bevor der Prozess abgeschlossen ist. Damit sind diese Systeme nicht nur für den reibungslosen Betrieb zahlreicher Anwendungen unverzichtbar, sondern spielen auch eine zentrale Rolle für die Gesamtenergieeffizienz.
Während eines Besuchs im Energiezentrum unseres örtlichen Krankenhauses sprachen wir mit Technikern und Verantwortlichen, die uns auf eine der größten Herausforderungen in diesem Bereich aufmerksam machten: die Verschmutzung der Wärmetauscher. Dieses Gespräch machte das Problem greifbar und verdeutlichte die reale Relevanz unseres Projekts.
Das Problem: Bakterien, Staub und Sedimente auf Wärmetauscheroberflächen
Flüssig-Luft-Wärmetauscher übertragen Wärme von einer Flüssigkeit an die Umgebungsluft. Da sie jedoch in offenen Umgebungen mit Staub, Partikeln und Mikroorganismen betrieben werden, sind sie besonders anfällig für Biofouling, Korrosion und Sedimentablagerungen. Bakterien können sich auf wärmeleitenden Oberflächen anlagern und einen schleimigen Biofilm bilden. Was harmlos klingt, hat gravierende Folgen: Bereits ein Biofilm in der Dicke eines einzelnen Haares kann die Wärmeübertragung auf Kupferoberflächen um bis zu 98 % reduzieren. Zusätzlich fördern diese Mikroorganismen natürliche Korrosionsprozesse, die die Oberflächenstruktur schädigen und die thermische Effizienz langfristig um mehr als 20 % senken. Staub- und Sedimentablagerungen können die Wärmeleitung um weitere 30 % verringern.
Insgesamt beeinträchtigen diese Effekte den Betrieb von Wärmetauschern erheblich. Um den Leistungsverlust auszugleichen, müssen Systeme stärker arbeiten, was den Energieverbrauch erhöht und zusätzliche Treibhausgasemissionen verursacht.
Aktuelle Reinigungsverfahren bieten meist nur eine kurzfristige Abhilfe und setzen häufig auf aggressive Chemikalien, die Gesundheitsrisiken bergen und wertvolle Ressourcen verbrauchen. Zudem führen Wartungsarbeiten zu Stillstandzeiten und zu steigenden Betriebskosten. Daher entscheiden sich viele Unternehmen dazu, alte Komponenten auszutauschen statt sie instand zu halten – mit entsprechend hohem Ressourcenverbrauch und vermeidbarem Abfall.
Die Lösung: Natur und Technologie für eine effizientere Zukunft verbinden
Um die Grenzen bestehender Reinigungs- und Wartungskonzepte zu überwinden, suchten wir nach biologischen Materialien, die sowohl eine hohe Wärmeleitfähigkeit als auch selbstreinigende Eigenschaften aufweisen. Spinnenseide erwies sich dabei als ideales natürliches Vorbild für diese vielfältigen Anforderungen.
Spinnen produzieren unterschiedliche Arten von Seide, die jeweils spezifische Aufgaben im Netz erfüllen. Besonders die sogenannte Dragline-Seide (Major-Ampullat-Seide) hat große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Als tragendes Element des Netzes enthält sie einzigartige Proteine mit außergewöhnlichen Eigenschaften: Sie ist so fest wie Stahl, dreimal zäher als Kevlar und fünfmal elastischer als Nylon. Zudem weist Spinnenseide eine bemerkenswerte Wärmeleitfähigkeit auf – vergleichbar mit der von Kupfer.
Proteinbindung auf Kupferoberflächen
Obwohl Spinnenseide äußerst fest und wärmeleitend ist, besitzen ihre natürlichen Proteine – die Spidroine – keine intrinsische Affinität zu Metallen. Für unsere Anwendung war jedoch eine direkte Bindung an Kupfer essenziell, da dieses Material aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und seiner stabilen Kristallstruktur ideal geeignet ist.
Um diese Bindung zu ermöglichen, integrierten wir ein zusätzliches Cystein in die Proteinsequenz. Die Thiolgruppe dieses Aminosäurerests bildet eine kovalente Kupfer-Schwefel-Bindung und schafft so eine direkte molekulare Verbindung zwischen der Proteinschicht und der Metalloberfläche. Diese Bindung ist entscheidend für die Phononenkopplung – also die Übertragung von Wärmeenergie vom Kupfer in die Spidroinfibrillen. Ohne diese Verbindung würden mikroskopische Luftspalten entstehen, die die Beschichtung zu einer isolierenden Barriere statt zu einer wärmeleitenden Schicht machen würden.
Neben der effizienten Wärmeübertragung trägt diese kovalente Anbindung auch zur Ausbildung der nanoskaligen Oberflächenstruktur bei, die die antibakteriellen Eigenschaften der Beschichtung verursacht.
Selbstreinigender Effekt: Wie Oberflächentopografie Bakterien zerstört und Staub abweist
Nach der erfolgreichen Bindung der Proteine an die Kupferoberfläche untersuchten wir, wie sich deren Struktur gezielt funktionalisieren lässt. Durch das Design der nanoskaligen Topografie wollten wir natürliche Oberflächen nachbilden, die sowohl thermisch leistungsfähig als auch resistent gegen bakterielle Besiedlung sind.
Erneut diente die Natur als Vorbild – diesmal die Flügel von Libellen und Zikaden. Diese Insekten verfügen über nanostrukturierte Oberflächen, die die bakterielle Anhaftung durch ein Größenausschlussprinzip verhindern: Sind die Strukturelemente kleiner als die Bakterienzellen, wird die verfügbare Haftfläche drastisch reduziert.
Die Flügel sind mit hochgeordneten Nanopfeilern bedeckt, die senkrecht zur Oberfläche stehen. Wenn sich Bakterien anzulagern versuchen, werden ihre Zellmembranen gedehnt und zerstört, was zur Zelllyse führt. Dieser rein physikalische Mechanismus ermöglicht eine antibakterielle Wirkung ganz ohne Chemikalien oder Antibiotika.
Es wird zudem angenommen, dass derselbe Effekt auch auf Staub und Sedimente wirkt. Die geordnete Nanopfeilerstruktur erschwert deren Ablagerung und verleiht der Oberfläche eine selbstreinigende Eigenschaft.
Der Prototyp: Testplattform unter realistischen Bedingungen
Auf dieser Grundlage entwickelten wir einen experimentellen Aufbau zur Umsetzung unserer bioinspirierten Beschichtung. Der Prototyp dient dazu, Wärmeleitfähigkeit, Fouling-Resistenz und antibakterielle Wirkung unter kontrollierten, praxisnahen Bedingungen quantitativ zu bewerten.
Untersucht wird die Wärmeübertragungseffizienz von Kupfer-Wärmetauscherblechen in drei Zuständen:
- unbehandeltes Reinkupfer
- Kupfer mit Biofilm-Bewuchs
- Kupfer mit modifizierter Spinnenseidenbeschichtung
Ziel ist es, realistische Verschmutzungsszenarien in Flüssig-Luft-Wärmetauschern zu simulieren und den Einfluss der Oberflächenbeschichtung auf die thermische Leistung zu messen.
Der Versuchsaufbau gliedert sich in drei Hauptkomponenten: das Kalorimetriesystem, einen speziell entwickelten Wärmetauscherdeckel sowie die Luftstrom- und Umgebungssteuerung.
Kalorimetriesystem
Ein Kalorimeterbecher ist ein grundlegendes thermodynamisches Messinstrument und besteht aus einem wärmeisolierenden Behälter. In unserem Versuch dient er als primärer Wärmespeicher. Zu Beginn wird er mit 100 °C heißem Wasser befüllt, wobei die Messungen im Temperaturbereich von 80 °C bis 40 °C erfolgen, um einen konstanten thermischen Gradienten sicherzustellen.
Eine Temperatursonde mit einer Genauigkeit von ±0,1 °C wird im Wasser platziert, um die Temperatur kontinuierlich zu erfassen. Der Becher wird mit einem speziell entwickelten Deckel verschlossen, der Verdunstungsverluste minimiert und zugleich als Wärmetauscher zwischen Wasser und Umgebungsluft fungiert.
Wärmetauscher-Aufbau
Der Deckel wurde als modulare Wärmeübertragungsschnittstelle konzipiert und für Proteinversuche unter realistischen Bedingungen optimiert. Er besteht aus drei präzisionsgefertigten Komponenten:
- 15 Aluminiumstäbe (84 mm, M4-Gewinde), die die Wärmeenergie vom Wasser auf die Deckeloberfläche übertragen. Aluminium wurde aufgrund seines guten Verhältnisses von Wärmeleitfähigkeit zu Kosten gewählt.
- Ein CNC-gefräster Aluminiumdeckel mit 15 Gewindebohrungen für die Stäbe sowie sechs gefrästen Führungen auf der Oberseite, die den Wärmeübergang sicherstellen.
- Sechs 1 mm starke Kupfer-Wärmetauscherplatten, die in den Führungen positioniert sind und die Wärme an die Umgebungsluft abgeben.
Alle Kontaktflächen zwischen Stäben, Deckel und Kupferplatten werden mit Wärmeleitpaste und Hochtemperaturkleber verbunden, um den thermischen Übergangswiderstand zu minimieren.
Designphilosophie und Randbedingungen
Bei der Konstruktion standen Fertigbarkeit und Modularität im Vordergrund. Aufgrund des begrenzten Budgets setzten wir auf handelsübliche, lokal verfügbare Standardmaterialien. Lediglich der Deckel erforderte eine individuelle CNC-Bearbeitung, was Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit erleichterte.
Zentrale Designkriterien waren:
- Kompatibilität mit dem Standard-Kalorimeterbecher durch eine zweistufige Geometrie (100 mm Außendurchmesser, 75 mm Passfläche) zur Minimierung von Wärmeverlusten
- Von unten montierte Stabanordnung für einen gleichmäßigen Wärmetransport
- Austauschbare Kupferplatten zur flexiblen Anpassung der Versuchsparameter
Experimentelle Auslegung
Die Kupferplatten dienen als Testoberflächen zur Bewertung unserer antifouling- und wärmeleitenden Proteine. Je nach Versuchsaufbau werden sie:
- unbehandelt als Referenzprobe eingesetzt
- gezielt mit Biofilm und Sedimenten verschmutzt
- mit den entwickelten Proteinen beschichtet.
Dieser modulare, thermodynamisch optimierte Aufbau ermöglicht eine quantitative Bewertung des Einflusses biologischer Beschichtungen auf die Wärmeübertragung – ein erster Schritt hin zu nachhaltigen, bioinspirierten Materialien für Wärmetauscher.
Luftstrom- und Umgebungssteuerung
Der gesamte Versuchsaufbau wird in einer geschlossenen Kunststoffkammer aufgestellt, um externe Störeinflüsse zu minimieren. Diese Kammer befindet sich in einem Abzug, der konstante Umgebungsbedingungen hinsichtlich Temperatur und Luftfeuchtigkeit gewährleistet. Ein DC-Axiallüfter erzeugt einen definierten Luftstrom über die Kupferplatten und simuliert erzwungene Konvektion.
Zwei Sensoren erfassen die Versuchsbedingungen: ein Temperatursensor zur Messung der Zulufttemperatur sowie ein Drucksensor zur Überprüfung eines konstanten Volumenstroms. So wird sichergestellt, dass alle Teilversuche unter identischen Randbedingungen stattfinden.
Vom Prototyp zur industriellen Anwendung
Bislang ist es uns gelungen, die entwickelten Proteine erfolgreich zu exprimieren und an Kupferoberflächen zu binden. Im nächsten Schritt evaluieren wir die antimikrobiellen Eigenschaften der Nanostruktur sowie deren Skalierbarkeit.
Mithilfe unseres modularen Prototyps testen wir die Wärmeleitfähigkeit beschichteter Kupferplatten unter kontrollierten Bedingungen hinsichtlich Luftstrom, Feuchte und Verschmutzung. So lassen sich Verbesserungen bei der Wärmeübertragung, der Biofouling-Resistenz und der Dauerhaftigkeit im Vergleich zu unbehandelten oder verschmutzten Oberflächen quantifizieren.
Langfristig planen wir, unsere Proteinbeschichtung auf Wärmetauscher im industriellen Maßstab anzuwenden – etwa in HVAC-Systemen und Rechenzentren. Mit einer Technologie, die biologische Lösungen erstmals gezielt in diesem Bereich einsetzt, verfolgt CoreSpin ein klares Ziel: die Energieeffizienz der Zukunft nachhaltig zu verbessern.
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