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Eine Erfindung namens Solarclave könnte dazu beitragen, die Millionen von jährlichen Infektionen zu verhindern, die durch unsachgemäß gereinigte medizinische Geräte verursacht werden. Foto von Oara Neumann
Der Autoklav - ein Gerät, das Dampf erzeugt, um Bakterien abzutöten und medizinische Geräte zu sterilisieren - wurde bereits 1879 erfunden. 134 Jahre später sind schätzungsweise immer noch Hunderte von Millionen Menschen von Infektionen betroffen, die durch nicht ordnungsgemäß sterilisierte medizinische Geräte verursacht werden Jahr, vor allem in den Entwicklungsländern. An Orten mit eingeschränktem Zugang zur Autoklaventechnologie und einer inkonsistenten Stromversorgung werden viele Menschen immer noch operiert. Die Geräte sind voller Bakterien, Viren und anderer Krankheitserreger.
Die gute Nachricht ist jedoch, dass dieses Problem dank eines Geräts namens Solarclave, das von einer Gruppe von Ingenieuren unter der Leitung von Oara Neumann und Naomi Halas von der Rice University entwickelt wurde, bald gelöst werden kann. Ihr Gerät, das in einem heute in Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Artikel beschrieben wird, nutzt die Kraft der Sonne - zusammen mit den einzigartigen Eigenschaften spezifischer Nanopartikel -, um medizinische Geräte und andere Instrumente zu desinfizieren, ohne dass eine externe Stromquelle erforderlich ist.
Die Forscher waren nicht die ersten, die auf die Idee gekommen sind, Geräte mit Solarenergie zu sterilisieren, aber dies ist der erste funktionierende Prototyp, der Standard-Sterilisationstests auf FDA-Ebene bestanden hat. Herkömmliche Autoklaven erzeugen Dampf mit Strom. Bei diesem Gerät werden jedoch Metall- und Kohlenstoffnanopartikel (winzige Partikel mit einem Durchmesser von nur einem Zehntausendstel Zentimeter) verwendet, die in einer wässrigen Lösung verteilt sind.
Die thermodynamischen Eigenschaften der Nanopartikel bewirken, dass sie viel schneller Energie absorbieren als die umgebende Flüssigkeit, wodurch ein großer Temperaturunterschied entsteht, wenn das Sonnenlicht von einer verspiegelten Schale gesammelt und die Wärme in die Lösung geleitet wird. Die Wärme wird dann auf die an die Nanopartikel angrenzenden Wassermoleküle übertragen und direkt in Dampf umgewandelt. Diese Konstruktion ermöglicht die äußerst effiziente Umwandlung von Sonnenenergie in Dampf - nur 20 Prozent der Energie werden zur Temperaturerhöhung der Flüssigkeit verwendet, und die verbleibenden 80 Prozent tragen zur Erzeugung und Aufrechterhaltung des Dampfbades bei.
Anders als wenn Wasser normalerweise gekocht und in Dampf umgewandelt wird, können die Nanopartikel bei 70 Grad Celsius erhebliche Mengen Dampf erzeugen, wenn die Lösung noch weit unter ihrem Siedepunkt liegt (etwas Dampf wurde sogar erzeugt, als die Forscher die Flüssigkeitskapsel hineinlegten ein Eisbad, das knapp über null Grad Celsius liegt). Infolgedessen kann der Solarklave einen normalerweise extrem energieintensiven Prozess - die Sterilisation medizinischer Geräte - nur mit der begrenzten Intensität der Sonnenenergie durchführen.
Die Forscher verwendeten diese Technologie, um zwei verwandte Prototypen herzustellen, die beide vom Netz aus betrieben werden können. Eines ist ein geschlossenes System, das zur Sterilisation von medizinischen Geräten und anderen relativ kleinen Objekten entwickelt wurde. Die andere Methode ermöglicht Inputs und dient der Sterilisation von menschlichen und tierischen Abfällen, um die Ausbreitung von Krankheiten zu verringern, ein anhaltendes Problem in Entwicklungsländern. Die Forscher schätzen, dass bei dreimal wöchentlicher Operation der Urin und der Kot einer vierköpfigen Familie von Erwachsenen verarbeitet werden können.
Die Prototypen wurden auf ihre Wirksamkeit bei der Abtötung von Geobacillus stearothermophilus getestet, einem Bakterientyp, der in heißen Quellen und anderen warmen Umgebungen wächst und daher schwieriger durch Erhitzen zu entfernen ist als die meisten anderen Mikrobentypen. Beide Solarklaven bestanden den Test und töteten innerhalb von 30 Minuten alle Bakterien in der Probe.
In Tests hat der Solarclave Bakterien effektiv abgetötet, was darauf hinweist, dass er medizinische Geräte erfolgreich sterilisieren kann. Bild über Flickr-Benutzer mynameissharsha
Wenn diese Art von Technologie in großem Maßstab hergestellt werden kann, kann sie dazu beitragen, die Anzahl der Infektionen weltweit erheblich zu verringern. Die Nanopartikel werden während des Sterilisationsprozesses nicht verbraucht, so dass sie unbegrenzt wiederverwendet werden können und in jedem Zyklus relativ wenig Wasser verbraucht wird. Die Forscher versuchten außerdem, möglichst kostengünstige Komponenten zu verwenden. Da sich das Gerät jedoch noch im Prototypenstadium befindet, ist es schwer zu sagen, wie hoch der endgültige Preis sein würde.
Abgesehen von Kostenproblemen kann der Solarklave möglicherweise unter allen möglichen Umständen eingesetzt werden, bei denen der Zugang zu Elektrizität die Haupteinschränkung darstellt. Die unmittelbarsten Anwendungen sind die Sterilisation von medizinischen Geräten und menschlichen Abfällen. Die Forscher spekulieren jedoch, dass die gleiche Technologie möglicherweise zur Reinigung von Wasser und zur Eindämmung der Ausbreitung von Bakterien in Lebensmitteln eingesetzt werden könnte. Die bemerkenswerte Effizienz des Designs bei der Dampferzeugung könnte eines Tages sogar für die Stromerzeugung genutzt werden.
