Natürliche Frostschutzmechanismen für technische Anwendungen
Strommasten und -kabel, Flugzeugtragflächen, Windräder oder Rollläden werden durch die witterungsabhängige Eisbildung in ihrer Funktion stark beeinträchtigt und müssen aufwendig und oft kostenintensiv vom Eis befreit werden. Auch die Qualität von beispielsweise Tiefkühl-Brötchen leidet unter Eiskristalle, die beim Einfrieren entstehen und Gefrierbrand auslösen.
Vorbild Natur
Einige Pflanzen und Tiere halten jedoch auch Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts stand. So beispielsweise die Winterflunder. Sie lebt im nördlichen Eismeer bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser. Überlebenskünstler unter frostigen Bedingungen sind jedoch vor allem Antarktisfische. Sie überleben in Gewässern bei Temperaturen um minus zwei Grad Celsius. Das Wasser gefriert durch den hohen Salzgehalt bei diesen Temperaturen nicht. Die Körperflüssigkeiten der Fische enthalten jedoch keinen solch hohen Salzgehalt, als dass der Gefrierpunkt herabgesetzt würde. Hier helfen den Fischen sogenannte Antifrost-Eiweiße (Proteine). Diese senken den Gefrierpunkt des Blutes.
Auch Pflanzen, wie z.B. die Kieselalge Fragilariopsis cyliindrus überlebt im Meereis der Polarregionen. Bei Pflanzen sorgen die Antifrost-Proteine dafür, dass winzige Eiskristalle nicht weiter wachsen können.
Proteine
Proteine sind die Bausteine des Lebens: Sie sorgen als Enzyme für den Stoffwechsel, sie steuern Wachstum und Kommunikation von Zellen und Lebewesen, sie formen Hüllen und Gerüststrukturen, und sie bewirken die Abwehr von Krankheitserregern.
Proteine bzw. Eiweiße sind Makromoleküle aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und manchmal Schwefel. Es handelt sich um miteinander verknüpfte Aminosäuren. Makromoleküle mit mehr als 100 Aminosäureteilen bezeichnet man als Proteine. Um ihre Funktion ausüben zu können, müssen diese Aminosäureketten in einer bestimmten Weise räumlich gefaltet sein. Sie bilden komplizierte räumliche Strukturen, die man in Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstrukturen einteilt. Bei Hitze oder starkem Druck bricht diese Faltung jedoch auf. Oberhalb von Temperaturen von mehr als 40 Grad Celsius denaturieren (gerinnen) Proteine.
Anti-Freeze-Proteine
Die Anti-Frost-Proteine schwimmen im Blut und anderen Körperflüssigkeiten der Tiere und binden winzige Eiskristalle. Ebenso, wie Frostschutzmittel, die man ins Auto gibt, senken sie zum einen den Gefrierpunkt der Flüssigkeit. Doch die Anti-Frost-Proteine verhindern auch, dass winzige Eiskristalle weiter wachsen. Die Proteine binden an die Eiskristalle und besetzen so die Oberfläche der Eiskristalle. Man spricht in diesem Zusammenhang von so genannten funktionalen Oberflächen, die in diesem Fall nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip funktionieren. Somit können sich keine weiteren Wassermoleküle mehr anlagern. Damit verhindern die Anit-Frost-Proteine, dass das Blut durch zu viele Eiskristalle dickflüssig wird.
Forscher haben auch herausgefunden, dass diese Frostschutzproteine gleichzeitig auch Anti-Schmelz-Proteine sind. Denn die Bindung zwischen den Eiskristallen und den Proteinen ist so stark, dass auch das Schmelzen verlangsamt wird. Wissenschaftler nennen diese Phänomen „überhitztes Eis“. Damit ist Eis gemeint, das bei Temperaturen existiert, bei denen es eigentlich schmelzen sollte. Aus diesem Grund findet man bei den Fischen auch in den Sommermonaten Eiskristalle in der Blutbahn.
Technische Anwendungen
Forscher arbeiten daran, den diesen Frostschutzeffekt auf technische Produkte zu übertragen. Sollte es gelingen dieses Prinzip der Anti-Freeze-Proteine auf technische Oberflächen, wie z. B. Flugzeugen zu übertragen, so können die aufwendigen und kostenintensiven Enteisungsverfahren mit Glykol-Wasser-Gemischen reduziert werden. Dies würde nicht nur Kosten sparen, sondern auch der Umwelt gut tun. Ein weiterer Anwendungsbereich sind Lacke, in die Anti-Frost-Proteine integriert werden und so effektiv zum Frostschutz beitragen. Neben der Eigenschaftsoptimierung von Oberflächen gibt es noch weitere Einsatzgebiete für diese Technologie. Beispielsweise könnten die natürlichen Proteine Speiseeis zugesetzt werden, damit es schön cremig bleibt.
Quellen:
- Deutschlandfunk, 23.09.2014: Frostschutzmittel im Fisch
- Alfred-Wegener-Institut, 20. 03.2012: Antifrost-Eiweiße einer Eisalge sollen Tiefkühl-Brötchen vor Gefrierbrand schützen
- Fraunhofer-Gesellschaft, 28.06.2007: Pressemeldung: Natur als Vorbild: Proteine schützen vor Frost
Fraunhofer Magazin 1/2008: Natürlicher Frostschutz (PDF)