Nanotechnologie ist ein Sammelbegriff für eine weite Palette von Technologien, die sich mit Strukturen und Prozessen auf der Nanometerskala befassen. Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter (10^-9 m) und bezeichnet einen Grenzbereich, in dem mehr und mehr quantenphysikalische Effekte eine wichtige Rolle spielen.

Gegenstand und Ziel der Untersuchung

Nanotechnologie gilt als Schlüsseltechnologie, von der Anstöße zu innovativen Entwicklungen in den verschiedensten technologischen Bereichen und gesellschaftlichen Anwendungsfeldern erwartet werden. Hiermit verbindet sich die Hoffnung auf bedeutende Umsatzpotenziale in vielen Bereichen der Wirtschaft, aber auch auf Entlastungseffekte für die Umwelt und auf positive Auswirkungen im Bereich der menschlichen Gesundheit. Andererseits mehren sich die kritischen Stimmen, die auf mögliche negative Folgen für Umwelt und Gesundheit und mit dem Einsatz der Nanotechnologie verbundene ethische Probleme aufmerksam machen.

Angesichts der enormen Chancen, die dieser Schlüsseltechnologie für die zukünftige wirtschaftliche und gesellschaftliche Entwicklung zugeschrieben werden, und der andererseits bestehenden Unsicherheiten über ihre Nutzungsperspektiven und die mit ihrem Einsatz möglicherweise verbundenen Risiken hat der Bundestagsausschuss für Bildung, Forschung und Technikfolgenabschätzung das TAB im Mai 2001 beauftragt, eine umfassende Untersuchung zu »Stand und Perspektiven der Nanotechnologie« durchzuführen.

Ergebnisse

Forschung und Entwicklung im internationalen Vergleich

Der internationale Vergleich der Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten anhand von bibliometrischen Daten und Patentindikatoren zeigt die starke Position Deutschlands im Bereich der Nanotechnologie. Deutschland gehört zu den publikationsstärksten Akteuren in der Nanotechnologie und wird hier nur von den USA und Japan übertroffen. Bei den Patentanmeldungen liegt Deutschland auf Platz 2, hinter den USA, aber vor Japan. Es folgen Frankreich und Großbritannien. Die jährlichen Wachstumsraten der Patentanmeldungen sind allerdings leicht unterdurchschnittlich.

Für die deutsche Forschung gilt es, diese starke Position im Bereich der Nanotechnologie zu behaupten und möglichst weiter auszubauen. Hierzu werden erhebliche Anstrengungen unternommen. Zurzeit entfällt auf Deutschland mehr als die Hälfte der öffentlichen Mittel, die im EU-Raum für die Nanotechnologie bereitgestellt werden.

Überblick über wichtige Anwendungsfelder

Durch die Verfahren der Nanotechnologie lassen sich die Eigenschaften von Stoffen und Materialien sehr gezielt einstellen und für neue Anwendungen maßschneidern. Dies eröffnet Perspektiven für die Herstellung neuer »schaltbarer« Werkstoffe, die mit konventionellen Methoden nicht herstellbar sind.

Potenziale für Anwendungen der Nanotechnologie bestehen in praktisch allen Wirtschaftszweigen, auch in solchen, die eher zu den Lowtech-Branchen gerechnet werden. Insgesamt gesehen ist der Entwicklungsstand von Produkten, Produktideen und Konzepten der Nanotechnologie sehr unterschiedlich. Eine Reihe von Anwendungen befindet sich bereits in der Phase der Realisierung, wobei es sich eher um Top-down-Ansätze handelt. Neuere Anwendungen – eher die Bottom-up-Ansätze – sind erst mittel- bis langfristig zu erwarten.

Oberflächenfunktionalisierung und -veredelung

Die Nanotechnologie befindet sich im Bereich Oberflächenfunktionalisierung und -veredelung bereits in einem relativ fortgeschrittenen Stadium. Teilweise schon in der industriellen Anwendung befinden sich quasi »selbstreinigende« Oberflächen und Nanoschichten, die sich durch verbesserte mechanische und tribologische Eigenschaften auszeichnen. Auch optisch-funktionale Oberflächen für Fassaden, Kraftfahrzeuge, Solarzellen etc. (z.B. Antireflexbeschichtungen) befinden sich im Einsatz. Durch den Zusatz von Nanopartikeln in konventionelle Lacke können neue und verbesserte Farbeffekte erzielt werden. Über schaltbare bzw. in der Farbe veränderbare Lacke und »selbstausheilende« Lacke wird diskutiert.

Chemie, Katalyse

In der chemischen Industrie werden katalytische Nanopartikel bereits eingesetzt. Hauptanwendungsgebiete der Nanotechnologie in der chemischen Industrie sind die Katalyse, die Erzeugung von Füllstoffen, Pigmenten, Beschichtungen und Schmierstoffen, die Mikro-/Nanoreaktionstechnik, Membrane und Filter sowie Pharmazie und Kosmetik.

Beispielsweise wird es in Zukunft verstärkt möglich sein, Katalysatoren mit hoher Selektivität für gewünschte Reaktionen maßzuschneidern. Nanoreaktoren (z.B. molekulare Kapseln) ermöglichen eine völlig neue Art der räumlichen Prozesskontrolle zur Herstellung komplexer Strukturen. Nanoporöse Membranen (Bio)Filter sind vielfältig einsetzbar z.B. zur Abwasseraufbereitung.

Energieumwandlung und -nutzung

Mit dem Einsatz der Nanotechnologie kann die Effizienz der Energieumwandlung erhöht werden. Dabei stehen materialseitige Verbesserungen im Vordergrund (z.B. Photovoltaik, Brennstoffzellen). Ein weiterer Schwerpunkt ist die verlustarme Speicherung von Energie (z.B. Speicherung von Wasserstoff in Nanoröhren aus Kohlenstoff). Nanomaterialien können auch zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Batterien, Akkus und Kondensatoren genutzt werden. Darüber hinaus bestehen Hoffnungen auf Supraleitfähigkeit von Nanoröhren bei Raumtemperatur (zum verlustarmen Stromtransport).

Konstruktion, Bauwesen

Entscheidende Materialgrößen können durch die Einführung charakteristischer Strukturgrößen im Nanometerbereich gezielt verbessert werden. Beispielsweise verbessert das Einbringen von nanoskaligen Teilchen in Metallen oder Kunststoffen deren mechanische Eigenschaften zu Spezialeinsatzzwecken (z.B. Leichtbau, Hochtemperaturanwendungen) oder in Massenanwendungen (z.B. KunststoffVerkleidungen). Wesentliche Eigenschaftsverbesserungen sind auch bei Baustoffen durch Beimischen von NanoZusatzstoffen möglich (z.B. Hochleistungsbetone, »schmiedbare« Keramiken).

Nanosensoren und Aktuatoren

Eine Vielzahl von Sensoren wird durch die Nanotechnologie erst ermöglicht, z.B. Magnetfeldsensoren in Airbag-Systemen und Leseköpfen von Computer-Festplatten. Den höchsten Entwicklungsstand haben zurzeit Quantentrog-Infrarot-Photodetektoren. Im Arznei und Lebensmittelbereich werden kommerziell Markierungen (»Thermolabels«) auf Nanotechnologiebasis angeboten, die durch Verfärbung Temperaturüber- oder -unterschreitung anzeigen. Ein Beispiel für Biosensoren sind sog. Lab-on-a-Chip-Systeme.

Informations- und Kommunikationstechnik

Der Marktdurchbruch zur Nanotechnologie in der Informations- und Kommunikationstechnik könnte sich in zwei Schritten vollziehen: Zunächst wird im Zuge der »Top-down-Miniaturisierung« die Grenze zur Nanotechnologie überschritten. Kontinuierlich verschiebt sich gegenwärtig die technisch beherrschte Größenordnung von Chipstrukturen in die Nanometerdimension. Die Nutzung von quantenmechanischen Effekten spielt eine immer größer werdende Rolle für die Realisierung kleinerer, schnellerer oder anderweitig besserer Bauelemente (z.B. magnetische Speicherbausteine, Einzel-Elektronen-Transistoren oder photonische Bauelemente).

Im zweiten Schritt könnten zukünftig »Bottom-up-Nanoelektronik« und »Nanosystemtechnik« hinzutreten, in denen »echte« Nanotechnologien eingesetzt werden, etwa solche, die Selbstorganisationsprozesse für den Aufbau von Schaltkreisen und Systemen nutzen. Neben der molekularen Elektronik – z.B. Bauelemente auf Basis von KohlenstoffNanoröhren oder organischen Makromolekülen – könnten längerfristig auch neuartige Rechner-Architekturen möglich werden (z.B. DNA-Computing und Quanten-Computing).

Lebenswissenschaften

Nanotechnologie und Lebenswissenschaften sind zwei Felder, die in einem äußerst interessanten Wechselspiel zueinander stehen. Einerseits wird Nanotechnologie eingesetzt, um Ziele der Biowissenschaften zu erreichen, andererseits profitiert Nanotechnologie von Erkenntnissen und Verfahren aus den Biowissenschaften.

Im Überblick lässt sich konstatieren, dass sich für die nächsten Jahre marktfähige Anwendungen vor allem in der Medizin bei Implantaten, Transplantaten und Systemen zur Verabreichung von Wirkstoffen sowie in den Bereichen Ernährung und Kosmetik abzeichnen. Einige nanotechnologische Produkte überzeugen durch ein neuartiges Leistungsspektrum bzw. hohe Wirksamkeit.

Mögliche Anwendungen sind unter anderem in der Analytik und Diagnostik (z.B. Diagnosechips für biomedizinische Analysen), der nanotechnologischen Herstellung von Wirkstoffen, dem ortsgenauen Wirkstofftransport (z.B. Nanopartikel als Transportsysteme für Wirkstoffmoleküle) sowie der Herstellung biokompatibler Materialien und Oberflächen (z.B. für Implantate und Transplantate) zu finden.

Industriebranchen

Zu den Anwendungen in ausgesuchten Industriebranchen gehören die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrtindustrie, das Bauwesen, die Textilindustrie, die Energiewirtschaft und die chemische Industrie. Exemplarisch wird hier die Automobilbranche herausgegriffen:

Anwendungsbeispiel Automobil

Im Automobilbau der Zukunft wird nanotechnologische Kompetenz zu den Kernfähigkeiten gehören, die erforderlich sind, um die internationale Wettbewerbsfähigkeit dieser für die deutsche Volkswirtschaft so wichtigen Branche zu erhalten. Das Spektrum nanotechnologischer Innovationsbemühungen im Automobilbau reicht von bereits eingesetzten Komponenten über konkrete Entwicklungsaktivitäten bis hin zu Ideen mit allenfalls langfristiger Realisierbarkeit.

Es gibt praktisch kein Bauteil mehr, bei dem nicht mit Nanotechnologie gearbeitet wird, bzw. nanotechnologische Entwicklungen eine Rolle spielen. Beispiele sind:

• Nanopartikel als Füllstoff in Autoreifen (realisiert, Weiterentwicklung),
• Antireflexbeschichtungen (realisiert),
• nanopartikelverstärkte Kunststoffe und Metalle (Entwicklungsphase, zum Teil realisiert),
• nanotechnologisch modifizierte Klebetechniken und Haftvermittler (in Entwicklung),
• katalytische Nanopartikel als Zusatz in Kraftstoffen (Forschungsstadium),
• nanoporöse Filter zur Minimierung der Emission von Partikeln im Nanometerbereich (Zukunft),
• hydrophile Oberflächenschichten als Antibeschlagschichten (Zukunft),
• »selbstausheilende« Lacke, z.B. durch Selbstorganisation (allenfalls langfristig).

Folgen und Herausforderungen

Wirtschaft

Mit der Nanotechnologie verbindet sich die Hoffnung auf bedeutende Umsatzpotenziale in fast allen Branchen der Wirtschaft. Zwar steckt die Marktdurchdringung von nanotechnologischen Verfahren und Produkten noch in den Anfängen, jedoch hat eine Reihe von Produkten und Verfahren bereits den Weg in den Markt gefunden. Bereits heute sind deutliche Einflüsse nanotechnologischer Erkenntnisse auf Milliardenmärkte z.B. bei der Pharmakaherstellung, medizinischen Diagnostik, Analytik oder bei chemischen und biologischen Katalysatoroberflächen zu erkennen.

Letztlich ist die Hebelwirkung der neuen Technologie als entscheidend für ihre wirtschaftliche Bedeutung anzusehen. D.h. wesentlich sind nicht der direkte Umsatz und die Gewinne, die mit Nanotechnologieprodukten selbst erzielt werden, sondern die vielfältigen Auswirkungen der Technologie in verschiedensten Anwendungsbereichen.

Gesundheit und Umwelt

Für die Bereiche Gesundheit und Umwelt werden durch den Einsatz von Nanotechnologien sowohl positive als auch negative Auswirkungen diskutiert. Zu den positiven Folgen nanotechnologischer Entwicklungen für die Gesundheit zählen u.a. die Entwicklung neuer Diagnose- und Therapieverfahren, erhebliche Erkenntnisfortschritte in den Biowissenschaften und im Verständnis biologischer Prozesse sowie die Entwicklung besserer Medikamente und Agrochemikalien.

Entlastungseffekte für die Umwelt können sich durch die Einsparung von stofflichen Ressourcen, die Verringerung des Anfalls von umweltbelastenden Nebenprodukten, die Verbesserung der Effizienz bei der Energieumwandlung, die Verringerung des Energieverbrauchs und die Entfernung umweltbelastender Stoffe aus der Umwelt ergeben.

Mögliche negative Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt beziehen sich vor allem auf die mögliche unkontrollierte Freisetzung von Nanopartikeln. Ihr Ausbreitungsverhalten und ihre Auswirkungen auf die Umwelt, insbesondere potenzielle Langzeitfolgen, sind bisher kaum bekannt. In diesem Bereich besteht ein erheblicher Forschungsbedarf.

Ethische und gesellschaftliche Aspekte

Bisher wurden mögliche ethische und gesellschaftliche Folgen des verstärkten Einsatzes der Nanotechnologie nicht sehr intensiv erforscht. Dennoch lassen sich schon jetzt einige grundsätzliche Überlegungen hierzu anstellen.

Dies betrifft z.B. die Veränderung des Menschenbildes und des Verhältnisses Mensch/Maschine, wenn nanotechnologische Artefakte im menschlichen Körper Funktionen übernehmen (z.B. Neuroimplantate) oder diesen mit externen Maschinen oder anderen Körpern vernetzen. Auch Fragen des Schutzes der Privatsphäre und des Datenschutzes werden hier berührt. Ein anderer Aspekt sind Probleme der Verteilung und der gerechten Nutzung der Früchte technischen Fortschritts zum einen innerhalb technisch weit entwickelter Gesellschaften, zum anderen mit Blick auf weniger entwickelte Gesellschaften (»Nanodivide«). Zu klären bleibt auch, welchen sicherheitspolitischen Handlungsbedarf militärische Anwendungen der Nanotechnologie mit sich bringen.

Insgesamt gesehen sollte die weitere Entwicklung der Nanotechnologie daher flankiert werden von kontinuierlicher Forschung zu ethischen und politischen Fragestellungen.

Handlungsbedarf

Die Voraussetzungen für die erfolgreiche Weiterentwicklung der Nanotechnologie und die breite wirtschaftliche und gesellschaftliche Nutzung ihrer Potenziale müssen geschaffen bzw. verbessert werden. Hieraus resultiert vielfältiger Klärungs und Handlungsbedarf. Da sich die Nanotechnologie – insgesamt gesehen – noch in einem relativ frühen Stadium der Entwicklung befindet, kommt den Anforderungen an staatliches Handeln besondere Bedeutung zu.

Die Nanotechnologie muss in der öffentlichen Forschungsförderung ein prioritärer Bereich bleiben, damit die deutsche Forschung ihre derzeit starke internationale Position im Bereich der Nanotechnologie behaupten kann. Das Anwendungspotenzial und der ökonomische und gesellschaftliche Nutzen sollten als Beurteilungskriterien für öffentliche Förderung stärkeres Gewicht erhalten.

Der Stand der Forschung über die potenziellen Umwelt- und Gesundheitswirkungen der Herstellung und Anwendung nanotechnologischer Verfahren und Produkte ist unbefriedigend. Erhebliche verstärkte Forschungsanstrengungen sind hier dringend erforderlich, da sich aus dem fehlenden Wissen um die Umwelt- und Gesundheitsfolgen Hemmnisse für die Markteinführung von Nanotechnologien ergeben könnten.

Forschung zu gesellschaftlichen und ethischen Aspekten der Entwicklung und verbreiteten Anwendung der Nanotechnologie sollte bereits jetzt initiiert werden. Fragen des Datenschutzes (insbesondere im medizinischen Bereich) und des Schutzes der Privatsphäre sollten regelmäßig hinsichtlich relevanter nanotechnologischer Neuentwicklungen wissenschaftlich untersucht und öffentlich diskutiert werden.

Die umfassende Information der Öffentlichkeit ist Voraussetzung einer rationalen gesellschaftlichen Auseinandersetzung mit der Nanotechnologie. Anzustreben wäre eine zentrale Informationsstelle für die breite Öffentlichkeit zum Thema Nanotechnologie. Dabei könnte auf die Informationsangebote der einzelnen Kompetenzzentren und auf andere nationale, europäische und außereuropäische Informationsportale zurückgegriffen werden.

Aus den Fortschritten in der Nanotechnologie – und aus der zunehmenden Konvergenz verschiedener Technologie- und Forschungsbereiche – entstehen neue Anforderungen an die Bildungspolitik. Interdisziplinäre und transdisziplinäre Ansätze in Ausbildung und Nachwuchsförderung in der Nanotechnologie und verwandten Technologiebereichen müssen kontinuierlich und verstärkt gefördert werden. Sozial- und geisteswissenschaftliche Technikforschung sollte dabei mehr als bisher einbezogen werden. Der nanotechnologische Qualifizierungsbedarf verschiedener Berufsgruppen ist vertieft zu untersuchen und gegebenenfalls durch geeignete Qualifizierungsangebote abzudecken.

Politische Entscheidungen über die Notwendigkeit nanotechnologiespezifischer Regulierungen werden in absehbarer Zeit getroffen werden müssen. Für solche Entscheidungen sind die sachlichen Grundlagen zu schaffen. Dazu gehört – neben einer wesentlich verbesserten Datenbasis zu den Auswirkungen nanotechnologischer Verfahren und Produkte auf Umwelt und menschliche Gesundheit – eine systematische und umfassende Analyse des derzeitigen für Anwendungen der Nanotechnologie relevanten Rechtsrahmens. Die Einrichtung eines den weiteren Anwendungsprozess der Nanotechnologie begleitenden entscheidungsunterstützenden Monitoring-Programms sollte erwogen werden.