Algen
Wundermittel aus dem Wasser
Energielieferanten: Sarah Rocke züchtet Algen in Bioreaktoren mit möglichst geringem Energieaufwand. Bild: KIT
Als schmackhafte Zutat im Sushi oder als lästige Plage im Gartenteich, so sind Algen bislang bekannt. Wissenschaftler wollen sich damit nicht begnügen: Sie erproben ihre Verwendung für den Treibstofftank, für Kosmetikprodukte – und sogar für Weltraumflüge
Die riesigen Glasbehälter sind das erste, was im Labor von Clemens Posten ins Auge fällt: Sie leuchten in grellem Grün, und blubbernd steigen Blasen in ihnen auf. "Das", sagt der Biologe, "sind unsere Bioreaktoren." In den High-Tech-Glaskästen baut er mit seinem Team Algen an. Die gelten unter Forschern als Hoffnungsträger unter den Energiepflanzen. Daher suchen sie nach einer besonders effizienten Art der Zucht.
Die Biologen wollen dabei ausnutzen, dass Algen wie kleine Kraftwerke funktionieren: Sie nehmen jede Menge des Treibhausgases CO2 auf und wandeln es in Sauerstoff um. Einige Algenarten können sogar Wasserstoff produzieren. Wenn es gelingt, die Algen energiesparend zu züchten, könnte das für die grüne Energie einen Meilenstein bedeuten. Denn die Mikroorganismen können ihre Biomasse innerhalb eines einzigen Tages verdoppeln - und: Sie können das ganze Jahr über geerntet werden und verbrauchen vor allem keine wertvollen Ackerflächen, auf denen auch Lebensmittel angebaut werden könnten.
Clemens Posten möchte Algen als Astronautennahrung und CO2-Recycler ins All schicken. Bild: KIT
Der Haken daran: Um aus Algen Kraftstoffe zu produzieren, wird bisher mehr Energie verbraucht, als die Algen letzten Endes produzieren. Das liegt hauptsächlich an den Bioreaktoren, in denen sie wachsen: "Vor allem die Pumpen zu betreiben, die die Nährstoffe und das CO2 durch Einblasen von Luft im Bioreaktor verteilen, kostet viel Energie", erklärt Clemens Posten, der den Bereich Bioverfahrenstechnik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) leitet. Mit seinem Team entwickelt er deswegen eine spezielle Membran, die den Bioreaktor umgibt und die Pumpen ersetzen soll. "Durch die dünne Membran kann das CO2 gleichmäßiger zu den Algen gelangen", erläutert der Ingenieur. "Man könnte das System mit unserer Lunge vergleichen: Wenn wir einatmen, diffundiert der Sauerstoff durch unsere Lungenbläschen in die Blutgefäße. Die Algen atmen stattdessen durch die Membran CO2 ein."
Für ihre Algen haben die Karlsruher Wissenschaftler um Clemens Posten eine ganz besondere Anwendung im Blick: Schon bald, so ihre Hoffnung, könnten sie Astronauten als vitamin- und proteinreiche Nahrung dienen, sie mit Sauerstoff versorgen und das ausgeatmete CO2 recyceln. Um diesem Ziel näher zu kommen, experimentieren die Forscher schon jetzt mit Algen, die sie ins All schicken wollen. Davor müssen sie aber einige Schwierigkeiten lösen: "Die erhöhte kosmische Strahlung könnte die Algen schädigen", fürchtet Clemens Posten. "Und ihnen fehlt das Sonnenlicht zum Wachsen." Künstliches Licht aus LEDs könnte da Abhilfe schaffen. Dafür erforscht das Team gerade, bei welchem Licht die Algen optimal wachsen. Ein weiteres Problem ist die Schwerelosigkeit: Die eingeblasene Luft steigt nicht im Wasser auf, so dass Nährstoffe und CO2 nicht umgewälzt werden können. Auch hier kommt die neue Entwicklung der Karlsruher zum Einsatz. "Unsere Membran sorgt sogar bei Schwerelosigkeit für einen geregelten Stofftransport und kann einen Teil der aufwendigen Pumpen ersetzen", sagt Posten. Nach den ersten Experimenten auf der Erde testen die Wissenschaftler das System jetzt bei Parabelflügen am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt. Wenn die Algen diese Flüge überstanden haben, folgen Tests auf Satelliten oder der Internationalen Raumstation ISS.
Buntes Treiben: In Ulrike Schmid-Staigers Labor produzieren Algen den Farbstoff, der Lachse rosa werden lässt. Bild: Fraunhofer IGB
Die Karlsruher sind nicht die einzigen Forscher, die sich mit Algen beschäftigen. Auch Ulrike Schmid-Staiger setzt große Hoffnungen in die Mikroorganismen. Sie arbeitet in Stuttgart am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB. "Wir sind an der Nutzung einzelner Inhaltstoffe von Algen interessiert", sagt Schmid-Staiger. Mit ihrem Team sucht sie nach Möglichkeiten, um diese Stoffe effizient mit Hilfe der Algen herzustellen. Astaxanthin ist eine solche Substanz, der Schmid-Staiger auf der Spur ist. "Das ist ein Farbstoff, der als Futtermittelzusatz in der Fischzucht eingesetzt wird und unter anderem für die typische rosa Farbe von Lachsen verantwortlich ist", sagt sie. Astaxanthin wird aber auch in Kosmetikprodukten und in Nahrungsergänzungsmitteln verwendet. Da die Algen den Farbstoff vor allem zum Schutz vor UV-Strahlung bilden, entwickeln die Stuttgarter Wissenschaftler Bioreaktoren, die unter freiem Himmel stehen können.
Ein weiteres Ziel ist es, Eicosapentaensäure (EPA) aus Algen zu gewinnen - das ist eine Fettsäure, die für die menschliche Ernährung unersetzlich ist und zudem entzündungshemmend wirkt. "Derzeit wird EPA aus Fischöl gewonnen", sagt Ulrike Schmid-Staiger. "Darin kommt sie aber im Gemisch mit einer anderen Fettsäure vor." Die Trennung ist aufwendig, und es besteht die Möglichkeit einer Verunreinigung mit giftigen Schwermetallen. Die Algen könnten das künftig ändern: Wir arbeiten an einem Verfahren, um diese Fettsäure aus der Zellmembran von Algen herauszulösen", sagt Schmid-Staiger.
Ob als Energiepflanze, als Nahrungsmittel oder als Farbstoff: Dass Algen das Zeug zu einem wahren Wundermittel haben, darin sind sich die Wissenschaftler einig.
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