„Am Anfang hatten wir ein Patent, eine Entwicklung. Aber niemand interessierte sich dafür”, erzählt Prof. Norbert Schwesinger mit einem Schmunzeln auf den Lippen. Heute kann er darüber lächeln, denn seine Forschung steht mittlerweile kurz vor der Anwendung. Mehrmals im Jahr reist der Professor vom Fachgebiet für Mikrostrukturierte Mechatronische Systeme der TU München zur Firma Dior nach Paris, um seiner Erfindung den letzten Schliff zu geben: einer Mini-Kosmetikfabrik fürs heimische Bad. Auf Knopfdruck lassen sich duftende Gesichtscremes und Körperlotionen frisch zubereiten, unmittelbar bevor sie auf die Haut gelangen. Frisch gemischt quillt die weiße Masse aus einem Flakon.
Im Pumpkopf des Flakons sitzt ein winziger Mikromischer: ein fingernagelgroßes Plättchen, das die Creme in Bruchteilen einer Sekunde zusammenmixt. Das Fläschchen besteht aus zwei Kammern. Aus einer wird die ölige, aus der anderen die wässrige Phase angesaugt und in den Mischer gepresst. In dessen Inneren sind zwischen hundert und einigen Tausend Kanäle eingeätzt. Sie sind mit bloßem Auge kaum sichtbar und mit 75 sowie 250 Mikrometer Querschnitt gerade mal so dick wie ein Haar.
Die Kanalstruktur ist typisch für alle Mikroapparate, ob Reaktor oder Mischer. In den zarten Äderchen prallen verschiedene Stoffe aufeinander, vermengen sich und reagieren manchmal auch miteinander. Damit unterscheiden sich die Mikrobauteile grundsätzlich von ihren großen Verwandten: Bislang brodeln in den Fabriken chemische Gemische in riesigen Kesseln, oder meterlange Rührschaufeln verquirlen Flüssigkeiten. Doch die neuen Mikroapparate können in ihren winzigen Rillen genauso gut wie ihre großen Kollegen mischen oder neue Stoffe kreieren. Je nach Anwendung sind sie dabei maximal mannshoch oder auch nur so groß wie ein Daumennagel.
Zu den kleinsten unter den Mikroapparaten gehört Schwesingers Mischer aus Silizium. Der Professor zeigt den milchigen Klecks auf seiner Hand. Auf den ersten Blick unterscheidet sich die Creme in Nichts von den herkömmlichen Produkten aus der Tube. „ Erst nach mehr als einer halben Stunde würden sich die Öl- von den Wassertröpfchen der Creme trennen wie der Rahm von der Milch. Doch bis dahin ist sie längst in die Haut eingezogen”, erläutert Schwesinger.
Das Produkt aus dem wundersamen Flakon enthält keine Stabilisatoren. Diese chemischen Zusätze verbinden Öl und Wasser in Kosmetika dauerhaft miteinander. Allerdings haben sie sonst keinen Nutzen. Im Gegenteil: Manche Menschen reagieren allergisch auf die Stoffe. Mit einem Anteil von bis zu 90 Prozent tragen sie meist den Löwenanteil in Lotionen und Cremes. Durch den winzigen Mixer im Pumpkopf sind solche Zusätze überflüssig. Die Haltbarkeit von einer halben Stunde genügt für den kurzen Weg von der Hand in die Haut.
Schwesinger stellt das Pumpfläschchen sachte vor sich auf den Tisch. Gemeinsam mit dem Kosmetikhersteller Dior hat er diesen Prototypen gebaut. Der Mikromischer alleine beansprucht nur einen Bruchteil des Preises für Behälter und Verpackung, je nach Stückzahl kostet er zwischen 50 Cent und 1,50 Euro. So hofft Dior, dem Kunden bei der morgendlichen Toilette bald frisch gemixte Cremes in die Hand geben zu können. Bis dahin muss noch ein letztes Problem ausgeräumt werden: „Kleine Mengen Öl und Wasser bleiben in den Kanälen hängen, entmischen sich dort allmählich und treten am nächsten Morgen dann ungemischt aus”, erläutert Schwesinger. Sollte die Minifabrik im Flakon auch diese Hürde nehmen und auf den Markt kommen, wäre es das erste Mal, dass sich ein Mikroapparat in einem Alltagsprodukt verbirgt.
Bisweilen haben die kleinen Mischer und Reaktoren vor allem im Chemielabor ihren Platz. Dort lassen sich in ihnen neue Stoffe oder zumindest solche mit neuen Eigenschaften erschaffen. So stellt Sergio Freitas, Doktorand im Institut für Pharmazeutische Wissenschaften an der ETH Zürich, in Mikroreaktoren Medikamente her. Er beschäftigt sich mit Wirkstoffen, die üblicherweise im Körper so rasch abgebaut werden, dass sie nicht wirken können. „ Deshalb müssen wir sie schützen und mit einem bioabbaubaren Kunststoffmantel umhüllen. Solche Mikrokugeln gewinne ich aus einem Mikromischer des Instituts für Mikrotechnik (IMM) in Mainz” , erklärt Freitas.
Zwar lassen sich auch im Becherglas Medikamente verkapseln, doch das bereitet Probleme: Dort haben die Kugeln unterschiedliche Größen. Im Mikromischer kann man über die Dicke der Kanäle und die Fließgeschwindigkeit genau einstellen, wie groß die Kugeln sein sollen. Zu dicke Kugeln entstehen gar nicht erst, weil sie sich nicht durch die engen Kanäle zwängen können. Die Größe der unsichtbaren Medizinkapseln ist entscheidend. Sind sie zu groß geraten, lassen sie sich dem Patienten nicht unter die Haut spritzen. Sind sie zu klein, werden sie im Körper zu rasch abgebaut. Meist sollen die Wirkstoffe über mehrere Monate hinweg an einem Ort zur Stelle sein. Zum Beispiel verpackt Freitas’ Kollegin, die Doktorandin Vera Luginbühl, einen Stoff, der die Knochen nach einem Bruch rascher wieder zusammenwachsen lässt. Die unsichtbaren Kugeln werden dem Patienten zum Beispiel in den gebrochenen Arm gespritzt. In Kürze sollen die Mikrokugeln der Schweizer Forscher in klinischen Studien getestet werden.
In wenigen Fällen ist den Mikroreaktoren bereits der Sprung in die chemische Produktion geglückt. So stellt die Firma Clariant seit gut einem Jahr in einer Anlage aus drei Mikroreaktoren auf dem Gelände des Industrieparks Höchst bei Frankfurt ein gelbes Pigment für den Tintenstrahldruck her. „Etwa drei Tonnen des gelben Pulvers entstehen jährlich in einer Reaktoreinheit so groß wie eine Zigarrenkiste”, erklärt Dr. Detlef Wehle, bei Clariant verantwortlich für Technologie- und Innovationsmanagement. Das Produkt aus dem Mikroreaktor unterscheidet sich von dem aus der normalen Anlage: Die Teilchen sind kleiner und in ihrer Größe einheitlicher, deshalb haben sie eine kräftigere Farbe. „Außerdem sind sie reiner, weil weniger unerwünschte Nebenreaktionen in den schmalen Kanälen ablaufen können”, ergänzt Wehle.
Zurzeit produziert die herkömmliche Großanlage noch 10- bis 20-mal mehr als die Mikroreaktoren. Denn es ist schwierig, mehr als drei solcher Mikroapparate parallel zu schalten und so den Ausstoß zu erhöhen: Die Flüssigkeits- oder Gaszufuhr muss dazu in gleich starke, stabile Ströme aufgeteilt werden. Weicht nur einer kurz von seinem Soll ab, bricht das System zusammen. Sinnvoller ist es, jeden einzelnen Reaktor zu vergrößern. Die Reaktion läuft dabei nach wie vor in kleinen Kanälen ab, lediglich deren Anzahl wird erhöht – beispielsweise von 500 auf 5000. „Um an die von einer herkömmlichen Großanlage produzierte Menge heranzukommen, wäre ein Mikroreaktor so groß wie ein Kühlschrank nötig”, sagt Wehle.
Am Platzbedarf für die Fabriken ändert sich durch die Mikroreaktoren nichts. Denn auch sie brauchen wuchtige Pumpen, meterlange und teils dicke Leitungen sowie güterwagongroße Lagertanks. „Das eigentliche Herz, den Reaktor, wird man in dem Gewirr aus Rohren, Fässern und Silos suchen müssen”, meint Wehle.
Doch nicht die Größe beeindruckt die Fachwelt an der Anlage bei Clariant, sondern dass sich in winzigen Kanälen ein fester Stoff, ein Pulver transportieren lässt. Vor einigen Jahren noch galt das als unmöglich. Die haarfeinen bis fadendicken Kanäle müssen unweigerlich verstopfen, wenn bei der Reaktion ein fester Stoff entsteht, so die gängige Meinung. „Erst beginnen die Wände der Kanäle zu verkrusten, der Durchgang wird enger, und schließlich sitzt ein Pfropfen fest”, beschreibt Dr. Bernd Penth das Szenario. Da bei den meisten chemischen Prozessen auch Pulver verarbeitet werden, drohte diese Schwachstelle zum Fallstrick für die Mikroapparate zu werden. Erst als einige findige Ingenieure das Problem in Angriff nahmen, schafften die kleinen Bauteilen allmählich den Aufstieg.
Eine solche Lösung hat Bernd Penth ausgetüftelt. Er vermarktet sie in seiner Firma Synthesechemie im saarländischen Lebach. Mit einem genial einfachen Trick gelang es ihm, Verstopfungen zu verhindern: Er benutzt einen T-förmigen Reaktor. Die beiden Flüssigkeiten, die miteinander reagieren sollen, sausen in Tausenden winziger Kanäle längs der Arme des „T” aufeinander zu und treffen als feine Strahlen in der Mitte zusammen. Unweigerlich würde nun innerhalb einer Sekunde der feste Stoff ausfallen. Deshalb befindet sich dort ein freier Raum, eine Schlucht, durch die ständig ein starker Gasstrom bläst. So werden die Teilchen, sobald sie entstehen, mit Wucht aus dem Reaktor herausgeschleudert. Mit dem Reaktor der Synthesechemie werden wenige Nanometer kleine Partikel für Sonnencremes, Autolacke und Holzlasuren hergestellt. Derart kleine Teilchen gelingen bislang nur in Penths Reaktor.
Neben der Synthesechemie haben sich weitere Firmen darauf spezialisiert, Mikroapparate herzustellen und an die Kunden in der chemischen Industrie zu verkaufen. Mehrere Dutzend kleine und mittelständische Unternehmen bieten die kleinen Bauteile mittlerweile an. In Metall, Glas, Keramik oder Kunststoff, in Form eines Plättchens, Zylinders, Würfels oder Quaders – je nach Aufgabe zeigen sich die Apparate in neuer Gestalt.
So liefern die Winzlinge nicht nur gleich große Teilchen, Kugeln und Körner, sondern sie besitzen auch eine Stärke auf anderem Terrain: Sie lassen sich sekundenschnell erhitzen und abkühlen. Ein haushoher Kessel braucht dafür viele Stunden. Auf diese Wendigkeit der Mikroreaktoren hat es Chemieingenieur Peter Pfeifer vom Institut für Mikroverfahrenstechnik am Forschungszentrum Karlsruhe abgesehen. Er untersucht, wie sich mit den Apparaten Wasserstoff in einem Brennstoffzellen-Auto bereitstellen lässt. „Große Systeme sind hier viel zu träge. Wer vor einer Ampel steht und Gas gibt, will nicht erst eine halbe Minute später losfahren”, sagt Pfeifer. Im Mikroreaktor der Karlsruher Forscher dauert es nur Sekunden, bis Wasserstoff aus dem Reaktor in Richtung der Brennstoffzelle schießt. Dünne Wände und kurze Wege lassen ihn schnell warm werden und wieder erkalten. Dadurch kann er rasch auf den Fußdruck des Fahrers reagieren.
Dass die Inspiration der Forscher noch lange nicht am Ende ist, zeigt eine Idee des französischen Chemikers Hervé This. Er sieht die Mikroapparate im Dienst der Kochkunst. Mit ihnen lassen sich völlig neue Gerichte komponieren, glaubt er. „Dazu muss man wissen, dass der Geschmack von der Konsistenz abhängt. Wenn man mit ihr spielt, spielt man auch mit dem Geschmack”, erklärt der Chemiker vom College de France in Paris. In einem Mikromischer wurden erste Versuche mit Kartoffelbrei, Wasser und Öl beim IMM in Mainz gemacht. Die Art der Mischung wird zum Rezept, der Experimentierfreude des Kochs sind keine Grenzen gesetzt. Er kann zwischen den Zutaten und deren Menge wählen und so am Rezept feilen. Tomatenmark auf Leitung 1, Creme fraîche auf Leitung 2 und ein Schuss Essig auf Leitung 3 – das könnte Teil der Gourmetküche des 21. Jahrhunderts sein. Statt großer Bottiche surren in der Küche Mikromischer, und als Vorspeise gibt es „ Soupe à la microréacteurs”.
KOMPAKT
• Schon bald könnten in manchem Badezimmer Fläschchen stehen, die mit Mikromischern Creme aus Wasser und Öl frisch zubereiten. • Im Chemielabor ersetzen miniaturisierte Reaktoren mehr und mehr große Kessel und Reagenzgläser. • Mit den Mikroreaktoren lassen sich neuartige Medikamente und besonders intensive Farbpigmente herstellen.
Susanne Donner
