Ersatz für die Ewigen

Aufgrund der Fluoratome mit ihren üppigen „Elektronenwolken“ sind PFAS extrem wasser-, fett- und schmutzabweisend. Genau diese Eigenschaften nutzt die Industrie. Deshalb haftet das Schnitzel beim Braten in der Teflonpfanne nicht an. Und der PFAS-haltige Pizzakarton weicht nicht durch, obwohl der Teig fettig ist und dampft. Auch der PFAS-beschichtete Teppich bekommt nicht so rasch Flecken.

Heute weiß niemand mehr, in welchen Produkten genau PFAS stecken: in welchem Reinigungsmittel, Lippenstift, Kleidungsstück oder Elektrogerät. Denn welche Chemikalien in der komplexen Fertigung in den unterschiedlichsten Firmen verwendet werden, wird nirgends dokumentiert und ist sogar oft ein streng gehütetes Betriebsgeheimnis – zum Nachteil für Verbraucher. „Konsumenten haben keine Wahlfreiheit. Das ist unerfreulich“, kritisiert der Chemiker Martin Scheringer von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich.

Um alle PFAS zu ersetzen, müsste jede einzelne Anwendung bekannt sein. Denn jedes Produkt hat eigene Anforderungen. „Der Markt für PFAS ist stark fragmentiert – von Medizinprodukten bis zu Schmiermitteln. Man muss in jede einzelne Anwendung hineingehen“, beschreibt Scheringer die Herausforderung. „PFAS sind Allrounder“, ergänzt Andreas Kailer, Werkstoffwissenschaftler beim Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik in Tübingen. „Es gibt leider nicht den einen Ersatzstoff dafür, sondern viele, viele Nischenlösungen.“ Mit Blick auf die Geschichte gilt es außerdem, die sogenannte „regrettable substitution“ zu vermeiden – nämlich schädliche Chemikalien durch andere, ebenfalls schädliche Chemikalien zu ersetzen.

OP-Besteck mit Diamantenschichten

Das Schweizer Unternehmen Oerlikon mit 12.000 Beschäftigten weltweit beginnt damit, dem Einsatz der PFAS ein Ende zu setzen. Oerlikon ist darauf spezialisiert, hauchdünne diamantähnliche Schichten auf Produkte aufzutragen. Die Oberflächen sind enorm hart und kratzfest, vermindern aber auch die Reibung, sodass sie anstelle von PFAS zum Beispiel auch für Dichtungen infrage kommen.

Die diamantähnlichen Schichten von zwei bis drei Mikrometern Dicke entstehen in einem Plasma, einem Gas aus geladenen Teilchen. Im Vakuum wird dafür bei hoher Temperatur ein Lichtbogen zwischen zwei Grafitelektroden gezündet. Kohlenstoffatome gehen dann in geladener Form in die Gasphase über und lassen sich auf einem Trägermaterial, etwa Metall, Kunststoff oder Glas, abscheiden. Wie sauber die Schichtbildung abläuft, hänge von der Vorbereitung des Trägermaterials ab, betont Forschungsmanager Klaus Böbel.

Akkuratesse und viel Energie sind nötig, damit saubere diamantähnliche Schichten entstehen. „Für eine Bratpfanne sind sie nur begrenzt geeignet“, sagt Böbel. Sie sind schlicht zu teuer. Behaupten können sie sich bei Hochpreisprodukten wie OP-Besteck, das mit Hitze schneidet. Das menschliche Gewebe soll bei diesem Vorgang auf gar keinen Fall am Instrument hängen bleiben und verschmoren. Das Anhaften können diamantähnliche Schichten – genauso wie Fluorpolymere – verhindern.

Mit einem abgewandelten Beschichtungsverfahren lassen sich aber auch Pfannen mit einer preiswerteren Kunststoffschicht auf Basis von Silizium- und Kohlenstoffatomen überziehen, die toxikologisch unbedenklich sind, ist Böbel überzeugt. Daran arbeite Oerlikon gerade. Die Schutzschicht sei allerdings noch nicht genauso leistungsstark wie Teflon. Sie könne leichter Kratzer bekommen. „Wenn man heute eine teflonfrei beschichtete Pfanne im niedrigen Preissegment erwirbt, ist immer die spannende Frage, wie lange die Beschichtung hält.“ Dennoch glaubt er an den zukünftigen Einsatz der alternativen Beschichtungen: „Sie werden immer besser.“

Nicht selten sind es altbekannte Lösungen, die bei dem Versuch, PFAS einzudämmen, wieder entdeckt werden. Papierfabriken konnten zum Beispiel schon vor 100 Jahren wasserabweisende Produkte wie das Butterbrotpapier herstellen. Dabei werden die Fasern beim Zerkleinern stark gequetscht, sodass sie kaum noch Wasser aufnehmen können. Solche Spezialpapiere kommen nun wieder vermehrt als PFAS-freie Alternative auf den Markt.

Ski frei von Fluorpolymeren

Genauso verhält es sich beim Skiwachs: Noch vor wenigen Jahren enthielten alle Produkte PFAS, berichtet der Chemiker Markus Zennegg von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt in Dübendorf. Er hat kürzlich überprüft, ob die fluorhaltigen Produkte inzwischen aus dem Sortiment verschwunden sind. Schließlich lassen sich PFAS im Skisport leicht mit Wachsen auf Basis von Paraffinen ersetzen, die es früher schon gab.

Im März 2025 besuchte Zennegg ein sportliches Großereignis, den Engadiner Skimarathon. Rund 13.500 Athleten aus 60 Ländern schnallten sich dort ihre Langlaufskier an. Kaum waren die Sportler gestartet, nahm Zennegg Proben sowohl aus der Loipe als auch fernab davon. Seine Hoffnungen waren groß. Denn der Internationale Skiverband hatte PFAS-haltige Wachse am 1. Juli 2023 für seine Wettbewerbe, zu denen auch der Engadiner Skimarathon gehört, verboten. Wer damit durch die Ziellinie fährt, disqualifiziert sich sogar.

Trotz des Reglements erlebte der Forscher eine böse Überraschung: Zennegg fand hohe Gehalte von fluorierten Carbonsäuren der Kettenlängen 6 bis 14, wie sie für Skiwachse typisch sind. Die Mengen lagen am Beginn der Loipe so hoch, dass es bedenklich sei, wenn sie mit dem Schmelzwasser in den nahe gelegenen Silsersee rinnen, warnt er. Und auch Kühe, die ab dem Frühjahr auf den Flächen weiden, würden dann so viel PFAS aufnehmen, dass eine Grenzwertüberschreitung in ihrem Fleisch wahrscheinlich wäre.

Vermutlich seien ahnungslose Breitensportler Schuld, die ebenfalls diese Loipen nutzen, sagt Zennegg. Denn ein Wachsblock reiche viele Jahre, und ältere Produkte enthielten eben durchgängig PFAS. Ab in den Restmüll damit, fordert er deswegen anlässlich seiner Untersuchungsergebnisse. Die zehn besten Teilnehmer des Marathons fuhren im Übrigen auf fluorfrei gewachsten Skiern, wie der Forscher mit Messungen belegte. Für einen Platz auf dem Siegertreppchen sind die PFAS-haltigen Wachse also definitiv nicht nötig.

Krabbenschalen in Outdoorkleidung

Berühmt geworden ist Teflon in den 1970er-Jahren unter anderem mit der sogenannten Goretex-Jacke. Bei Experimenten in seiner Garage entdeckte der Sohn des Chemikers Bill Gore, dass sich Teflon zu sehr dünnen Lagen ziehen lässt. Eine Membran entsteht. Wassertropfen können sie nicht durchdringen, Wasserdampf aber sehr wohl. Goretex-Membranen in Outdoorjacken sind aller PFAS-Kritik zum Trotz bis heute weit verbreitet. Sie halten Bergsteiger warm und trocken. Der US-Hersteller WL Gore & Associates hat 2020 eine fluorfreie Produktlinie vorgestellt. Die Membran in diesen Jacken besteht aus einem speziellen Polyethylen und soll angeblich genauso robust und atmungsaktiv sein. Die Jacken kosten allerdings deutlich mehr, in etwa das Doppelte.

Forschende suchen unterdessen weiter nach einem sowohl guten als auch bezahlbaren Ersatz für Outdoorbekleidung. Fraunhofer-Forscher experimentieren beispielsweise mit Chitosan aus Krabbenschalen. Jährlich fallen in der EU bis zu 250.000 Tonnen dieses Abfallprodukts an. Das Pulver wird mit Pflanzenölen gemischt und die Mixtur unter Hitze und Druck als Schutzschicht auf die Textilien aufgebracht. Die naturstoffbasierte Imprägnierung ließe sich durch das Bügeln immer wieder aktivieren.

Doch von einer Bio-Outdoorjacke ist die Forschung noch ein gutes Stück entfernt. Im ersten Schritt testeten die Forschenden das Chitosan an Garnen, die zu Stoffen gewebt werden. Diese werden ebenfalls, ohne dass diese Zutat ausgewiesen wird, mitunter mit PFAS beschichtet, damit sie auf den Webmaschinen nicht so leicht reißen und zerfasern. Chitosan erwies sich hier als ebenbürtiger Schutz. Allerdings gibt es in der industriellen Fertigung bereits fluorfreie Ersatzstoffe wie Produkte aus Kartoffelstärke oder Wachs.

Kohlenwasserstoffe für Schmiermittel

Mitunter ist es sehr leicht, Ewigkeitschemikalien zu ersetzen. „PFAS aus einem Schmieröl für ein Fahrrad zu verbannen, ist schnell erledigt – es ist da schlicht überflüssig“, sagt der Werkstoffwissenschaftler Tobias Amann vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik in Freiburg. Häufig seien jedoch Forschung und Entwicklung notwendig, um Alternativen zu finden: „Im Motor eines Autos dauert das Jahre.“

Amann hat eigens einen Prüfstand gebaut, um PFAS-haltige Schmierstoffe, die in vielen Motoren und Getrieben vorkommen, durch fluorfreie Produkte zu ersetzen. Doch von den meisten Herstellern bekam er bisher gar keine Ware, räumt er ein. „Die haben erst einmal PFAS-freie Muster geschickt, die noch nicht auf dem Markt sind.“ Einzig die Firma Interflon in Nettetal hebt Amann positiv hervor. Sie habe PFAS aus fast der gesamten Produktpalette bereits herausgenommen.

„Es wäre aber niemandem geholfen, wenn das Getriebe mit den neuen Schmierstoffen nur ein paar Monate hält“, mahnt Amann. Er schaut deshalb ganz genau hin: Wie viel Energie ist nötig, damit das fluorfrei geschmierte Getriebe anläuft. Wie groß sind der auftretende Widerstand und der Verschleiß? Und er will herausfinden, ob sich die Chemie der Schmierstoffe verändert.

Bisher hat ihm keiner der Kooperationspartner verraten, durch welche Substanzen sie PFAS ersetzen. „Das ist ein streng gehütetes Geheimnis.“ Der Fachliteratur zufolge eignen sich hochverzweigte Kohlenwasserstoffe mit möglichst viel Methylgruppen besonders gut. Auch Siloxane auf Basis von Silizium- und Sauerstoffatomen kommen infrage.

Obwohl die Substitutionsbemühungen ziemlich in ihren Anfängen stecken, glaubt Chemiker Scheringer von der ETH Zürich: „Letztlich sind kurz- und mittelkettige PFAS in vielen Konsumprodukten vergleichsweise leicht zu ersetzen. Das sehen wir indirekt daran, dass die Industrie an diesen Anwendungen nicht festhält.“ Anders sieht es bei langkettigen Fluorpolymeren und fluorierten Gasen aus. Die Marktvolumina lägen hier im Bereich von Millionen bis Hunderttausend Tonnen pro Jahr.

Verzichtbare Gase?

Fluorierte Gase stecken in Kälte- und Klimaanlagen, ausgerechnet auch in vielen der für die Energiewende so nötigen Wärmepumpen. Obwohl es seit einigen Jahren bewährte fluorfreie Alternativen wie etwa Propan gibt, hat sich das harmlosere Kältemittel trotz guter Leistung nicht durchgesetzt. Es ist derzeit in etwa jedem dritten Neugerät enthalten, obwohl der Staat es mit einem fünfprozentigen Bonus fördert. Immerhin gibt es einen positiven Trend: Fluorierte Gase sind seit 2021 in Wärmepumpen rückläufig.

Bauteile aus Fluorpolymeren, vor allem Dichtungen, verbergen sich in jedem Fahrzeug, Schiff, Flugzeug und sogar Windrad. Aber auch hierfür gibt es Alternativen. Bei der einen oder anderen Anwendung kann beispielsweise Polyetheretherketon (PEEK) weiterhelfen. Das ist ein seltener Kunststoff, der sehr hohe Temperaturen, Drücke und aggressive Chemikalien aushält. Toxikologische Bedenken gibt es bislang nicht. „Nach allem, was wir wissen, ist er auf jeden Fall besser als die PFAS“, betont Martin Scheringer. Das Material kostet allerdings rund fünfmal so viel wie Teflon. Da Bauteile mit PEEK jedoch dünner und leichter gefertigt werden können, wird auch etwas weniger Kunststoff benötigt. In Fahrzeugen und Flugzeugen hat PEEK die PFAS in einzelnen Anwendungen bereits zurückdrängen können. „Weiteres Potenzial, PFAS zu ersetzen, besteht bei Anlagen zur Förderung von Öl und Gas, als Kabelummantelung und auch im Bereich von Kochgeschirr“, erklärt John Grasmeder, Forschungsmanager bei der britischen Firma Victrex, die PEEK global vermarktet.

Im Unterschied zum weichen Teflon ist PEEK jedoch sehr starr. Zu einer hauchdünnen Membran mit definierten Poren, wie sie in Outdoorjacken und Brennstoffzellen stecken, lässt sich dieser Ersatzstoff nicht so einfach ziehen. Die Chemiker bei Victrex arbeiten derzeit daran, die Polymerstruktur so zu verändern, dass PEEK sich auch für solche Anwendungen eignet. Sulfoniertes PEEK sei weicher, berichtet Grasmeder, aber es gebe noch Herausforderungen: Elektronen und Ionen müssten eine solche Membran in kontrollierter Weise passieren können.

In einem Punkt sticht PEEK gegenüber den PFAS hervor. Es kann an dem Material gezerrt und gezogen werden, ohne dass es bricht – eine Eigenschaft, die sonst eher Metalle haben. Deshalb soll PEEK künftig Seekabel ummanteln, die den Strom von schwimmenden Windrädern an Land transportieren, kündigt Grasmeder an. Vielleicht ist es das Beste, was einem Ersatzstoff passieren kann, dass er in einer Anwendung unersetzlich wird. ■