Bei Metall denke ich meistens an Eisen, Gold oder vielleicht auch an Platin. Ein Metall, an das ich so gut wie nie denke, ist Palladium. Palladium gehört zu den Edelmetallen und ist seltener als Gold. Gleichzeitig wird es aber auch häufig verwendet, vor allem in der Autoindustrie bei Katalysatoren oder auch zum Beispiel in der Herstellung von Medikamenten. Am Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf forscht Dr. Nora Schönberger mit der Gruppe Pep2Rec daran, Palladium zu recyceln. Das ist bisher ziemlich aufwendig. Wie das funktioniert und welche Rolle künstliche Intelligenz dabei spielen wird, bespreche ich in dieser Folge. Mein Name ist Wieland Mikulajczyk. Wie gut, dass ihr zuhört! Das Forschungsquartett – Wissenschaft bei detektor.fm in Kooperation mit dem Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf. Untertitel im Auftrag des ZDF für funk 2017.
Tagtäglich benutzen wir Gegenstände, die recycelt werden oder wurden – vom Pappkarton über Pfandflaschen bis hin zur Plastiktüte. Und auch Metall wird recycelt. Über Palladium wird dabei meistens nicht gesprochen. Dabei wird es in der Chemie- und Automobilindustrie gebraucht. Was Palladium so besonders macht und wie es wiedergewonnen werden kann, darüber spreche ich heute mit Dr. Nora Schönberger, der Leiterin der Forschungsgruppe Pep2Rec am Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf. Frau Schönberger, herzlich willkommen im Forschungsquartett! Vielen Dank! Schön, dass ich hier sein kann.
Palladium ist ein Edelmetall. Viele haben jetzt vielleicht nicht so ganz im Chemieunterricht aufgepasst oder wurde Palladium übersprungen im Periodensystem. Was für Eigenschaften hat das? Wo wird das eigentlich eingesetzt? Genau, das ist richtig. Palladium ist ein Edelmetall und auch ein Platingruppenmetall. Was es interessant für uns macht, ist, dass es chemisch sehr vielseitig ist. Das hat eine besondere chemische Eigenschaft, die es dem Palladium erlaubt, ein guter Katalysator zu sein. Das ist dadurch, dass es zwischen verschiedenen chemischen Zuständen, den Oxidationsstufen, sehr leicht wechseln kann, aber in den Zwischenstufen stabil genug bleibt, um mit anderen Molekülen reagieren zu können. Und diese chemische Eigenschaft nutzt das Palladium eben, um entweder Bindungen aufzubrechen oder eben auch neue zu knüpfen. Aufgrund dieser Eigenschaft wird Palladium zum Beispiel in der Herstellung von Arzneistoffen eingesetzt oder zur Knüpfung von chemisch komplexen Molekülen, wie sie zum Beispiel in der Pharmazie oder in der Fallenchemie eingesetzt werden. Ein anderer großer Einsatzbereich für Palladium ist auch die Abgasreinigung in Autos, wo das Palladium hilft, schädliche Gase in nicht ganz so schädliche Gase umzuwandeln. Und neuerdings findet Palladium auch sehr viel Anwendung in der Wasserstofftechnologie.
Wir bauen Palladium ja an sich ab. Warum ist es problematisch, wenn wir Palladium jetzt einfach so verbrauchen? Warum muss das jetzt recycelt werden? Genau, also das Palladium ist ein sogenannter kritischer Rohstoff. Das bedeutet, es ist relativ selten in der Erdkruste und wird auch nur in wenigen Regionen der Welt in größeren Mengen gefördert. Das heißt, es ist also vergleichsweise wenig verfügbar, aber wie gerade gesagt, für die Industrie unglaublich wichtig – also vor allem für die Automobilindustrie, die Chemie und auch die Elektrotechnik. Und wenn wir jetzt Palladium in der Industrie einfach verbrauchen und nicht wiederverwenden, dann verlieren wir es ja quasi. Und das hat dann verschiedene Konsequenzen. Zum einen ist, wie gesagt, die Förderung von Palladium – das ist Bergbau. Das heißt, das ist unglaublich energie- und ressourceneffizient. Man muss ganz viel Stein aufbrechen, um eine kleine Menge an reinem Palladium, das dann eben zum Beispiel in der chemischen Industrie eingesetzt wird, gewinnen zu können. Und das geht mit unglaublichen Umweltbelastungen einher. Und zum anderen hat man natürlich, dadurch dass das Palladium nur in wenigen Regionen der Welt wirklich effektiv gefördert werden kann, eine gewisse wirtschaftliche und geopolitische Abhängigkeit, die wir uns einfach – also die wollen wir natürlich nicht. Die Industrie möchte gerne unabhängig und sicher planen und agieren können. Und das sorgt aber eben auch dafür, dass die Preise stark schwanken. Also alles hat einen Einfluss. Und nicht zuletzt ist das Recycling eben auch sehr entscheidend, weil in den meisten Anwendungen Palladium tatsächlich in ganz kleinen Mengen eingesetzt wird. Und das verteilt sich dann aber in so komplexen Mischungen und geht eben ganz oft dann auch in ganz klein, in niedrig konzentrierten, verloren und gelangt so in die Umwelt. Und Palladium ist ein guter Katalysator. Das heißt, das macht mit vielen Stoffen was und kann dann eben auch Effekte, wenn es irgendwie in die Natur kommt oder bei uns in der Nähe deponiert werden muss, gesundheitliche oder umweltschädliche Auswirkungen haben.
Es gibt ja jetzt bereits ein Verfahren, um Palladium zu recyceln. Dazu benutzt man eigentlich Kunstharze, habe ich nachgelesen. Warum forschen Sie jetzt an einem völlig neuen biologischen Ansatz? Also wenn wir schon was haben, warum müssen wir das Rad noch mal erfinden? Ja, also die Kunstharze, die werden tatsächlich auch ganz besonders in der chemischen und pharmazeutischen Industrie eingesetzt, weil sie dazu in der Lage sind, das Palladium super stark und fest zu binden. Das ist ein großer Vorteil, weil nach so einer chemischen Synthesereaktion muss das Palladium ganz sorgfältig abgetrennt werden, um eben solche giftigen Effekte oder sekundäre katalytische Reaktionen, die dann wieder das Syntheseprodukt verändern, zu vermeiden. Und dafür sind die Kunstharze bestens geeignet. Aber wenn man dann das Palladium von den Kunstharzen ja wieder runterlösen möchte, dann geht es nicht so leicht, eben weil das Palladium so stark gebunden ist. Das heißt, man muss dann entweder mit starken Säuren ran, und die Kunstharze oder den Siliziumsupport, auf dem der Palladiumbinder aufgebracht ist, den muss man dann entweder auflösen, und es wird sogar verarscht, oder die Rückgewinnung ist sonst andernfalls nicht so effizient. Und das hoffen wir, dass wir das eben mit einem peptidbasierten Verfahren ändern können. Weil wir auf der einen Seite in der Lage sind, Peptide zu entwickeln, die ebenfalls mit sehr großer Bindungsstärke das Palladium binden können. Aber gleichzeitig haben wir die Möglichkeit, eben auch wieder einen Loslassmechanismus in die Peptide einzubauen, die es uns eben erlaubt, das Palladium umweltfreundlicher und nachhaltiger zurückzugewinnen. Und im besten Fall am Ende die Peptide für das nächste Palladiumrecycling wiederzuverwenden.
Sie haben gerade schon die Peptide angesprochen. Das sind winzige Eiweißketten. Aber wie funktioniert das genau? Können Sie das so ein bisschen erklären, wie ein Eiweiß jetzt Palladium verschmilzt? Oder wie funktioniert das? Also das funktioniert so: Peptide sind, wie gesagt, kurze Eiweißketten. Das bedeutet, das ist im Prinzip eine kurze Sequenz von Aminosäureketten. Und die Aminosäuren, aus denen eben unsere Eiweiße, unsere Proteine und auch die Peptide bestehen, da gibt es unterschiedliche, und die haben unterschiedliche Eigenschaften. Und je nachdem, in welcher Reihenfolge man diese unterschiedlichen Aminosäuren anordnet, kann man den Peptiden verschiedene Eigenschaften verleihen und ihnen sozusagen was beibringen. Und wir können in unseren Laboren den Peptiden beibringen, um die Metalle und eben auch das Palladium mit großer Kraft und großer Genauigkeit zu binden.
Kann man das Verfahren eigentlich auch bei anderen Metallen als Palladium benutzen? Also Sie haben gerade gesagt, man kann den Peptiden so ein bisschen was beibringen. Können die auch einen anderen Trick als Palladium zu binden? Ja, genau. Also man kann die Peptide grundsätzlich – wir haben die Hypothese jetzt noch nicht probiert, aber wir haben verschiedene Metalle ausprobiert, noch nicht alle, aber einige industrierelevante. Und das ist sozusagen die große Stärke von unserer Technik, dass wir die Peptide sehr flexibel an unterschiedliche Materialien anpassen lassen können. Und dabei – und das ist eben besonders – können wir den Peptiden auch beibringen, zwischen eigentlich chemisch sehr ähnlichen oder Metallen mit chemisch ähnlichen Eigenschaften auch zu unterscheiden. Und das ist natürlich insbesondere für eine Recycling-Anwendung, wo man Metalle oft aus komplexen Mischungen, wie zum Beispiel im Elektroschrott, rückgewinnen will, eine unheimliche Stärke unserer Technologie.
Der Vorgang, den Sie jetzt beschrieben haben, ist ja an sich ein natürliches biotechnisches Verfahren. Sie setzen aber auch auf künstliche Intelligenz. Wo kommt denn die KI bei Ihnen zum Einsatz? Also im Moment setzen wir tatsächlich noch keine künstliche Intelligenz ein. Das ist aber der Plan, sozusagen für eine spätere Phase der Nachwuchsgruppe. Und jetzt gerade schaffen wir die Grundlage, um uns später dann mit Hilfe von der KI viele Arbeitsschritte ersparen zu können. Und in meinem Team, wie Sie schon sagen, kombinieren wir diesen experimentellen biotechnologischen Ansatz zur Peptid-Identifizierung oder zum Peptid-Design mit aktuell einem rationalen Design-Ansatz. Das heißt, wir nutzen die Daten aus unserem Labor und unsere Erfahrungen mit der Entwicklung von metallbindenden Peptiden, um das Ganze in den Computer zu übersetzen und Programme zu schreiben, die uns dabei helfen, die Peptide zu entwickeln. Also unser Wissen, was wir aus den Experimenten lernen, übersetzen wir in ein Computerprogramm. Und dieses Computerprogramm arbeitet sozusagen numerisch und kann unsere Peptide so evaluieren, dass es die Wahrscheinlichkeit, dass die tatsächlich dann am Ende im Labor funktionieren oder in der Technologieanwendung, vorhersagen kann. Das ist sozusagen der Punkt, an dem wir jetzt gerade sind. Und in Zukunft können wir mit diesem rationalen Design, was aktuell noch viel Handarbeit beziehungsweise einzelne Computerprogramme ist, können wir damit dann eine künstliche Intelligenz trainieren, die in der Lage ist, auf große kurierte Datensätze, die aktuell leider noch nicht existieren, aber da arbeiten wir dran. Und anstatt dass wir es eben händisch machen, können uns unsere Peptidsequenzen, die mit hoher Wahrscheinlichkeit Palladium binden, vorhersagen. Und dann kommt es tatsächlich so, dass man sagt: „Okay, ich möchte ein Peptid, das das und das kann.“ Und dann würde die KI sagen: „Ja, mach doch das im Labor.“ Und dann ist eine hohe Wahrscheinlichkeit da, dass das funktioniert. Genau, die Vision ist, dass der Computer, die KI, das Computerprogramm uns eine Peptidsequenz vorschlägt, die wir dann testen und am Ende in eine Technologie umsetzen können.
Wir sind mit der KI ja schon so ein bisschen in die Zukunft geguckt. Aber was ist jetzt Ihre Vision für das Ende des Forschungsprojekts? Werden wir Palladium im industriellen Maßstab nachhaltig recyceln können? Oder gibt es noch ein anderes Ziel? Ja, also wir haben jetzt noch etwas mehr als drei Jahre, bis wir mit der Nachwuchsgruppe am Ende sind. Meine große Vision dafür ist, dass wir so weit sind, ein neues peptidbasiertes Trennverfahren zur Rückgewinnung von Palladium entwickelt zu haben. Aber realistisch ist es so, dass wir an diesem Zeitpunkt noch nicht so weit sein werden, dass das Verfahren industriell eingesetzt werden kann. Also dafür sind die verbleibenden drei Jahre Entwicklungszeit nicht ausreichend. Aber unser Ziel ist ganz klar, dass wir dafür die Grundlage schaffen, um das in die Industrie übersetzen zu können. Also wir wollen zeigen, dass der Ansatz funktioniert, wo die Vorteile liegen und wo eben dann auch der konkrete Mehrwert für die Industrie im Vergleich zum Beispiel zu den Kunstharzen liegen würde. Und darüber hinaus wollen wir eben auch auf einer grundsätzlichen Ebene große Fortschritte machen. Das heißt, wir möchten dahin kommen, dass Peptide für ressourcentechnische Fragestellungen grundsätzlich nachhaltig und wirtschaftlich sinnvoll hergestellt werden können. Also nicht nur die Designentwicklung, sondern dass das Peptid, das Rohstoff, auch ökonomisch und auch ökologisch sinnvoll in Weise zur Verfügung gestellt werden kann. Und dabei ist ein wichtiger Punkt für uns, dass das alles in einem Zeitraum stattfindet, dass der Entwicklungsaufwand, bis ein neues Peptid für ein bestimmtes Zielmetall oder einen bestimmten Abwasserstrom aus der Industrie genutzt werden kann, dass der Entwicklungsaufwand geringer wird. Genau, und daran arbeite ich auch mit meinem Team.
Was heißt kürzer? Auf welche Zeitspanne stehen Sie da so? Also dauert das dann ein Jahr, ein halbes, einen Monat, eine Woche? Also ich denke, wenn wir von dem Zeitpunkt an, an dem wir wissen, wir brauchen jetzt ein Peptid für eine ganz bestimmte Anwendung, zu wir haben ein Peptid und können das in eine Anwendung überführen, in ein Trennverfahren, wenn in der Zwischenzeit nur ein halbes Jahr vergeht, dann wäre das sehr wünschenswert. Aktuell ist es noch deutlich länger. Das sagt Dr. Nora Schönberger, Leiterin der Forschungsgruppe Pep2Rec am Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf. Vielen Dank für das spannende Gespräch! Ganz herzlichen Dank, es hat mir viel Spaß gemacht. Außerdem an dieser Stelle auch ein großer Dank für die Produktion der Folge. Die kam diese Woche von Benjamin Serdani. Das war es mit dem Forschungsquartett für diese Woche. Jeden Donnerstag erscheint eine neue Folge und wir freuen uns, wenn ihr wieder reinhört und wenn ihr einem wissenschaftsbegeisterten Menschen davon erzählt. Ich bin Wieland Mikulajczyk. Vielen Dank fürs Zuhören, bleibt neugierig und bis zum nächsten Mal! Das Forschungsquartett – Wissenschaft bei detektor.fm in Kooperation mit dem Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf.
Foto: André Wirsig für das HZDR