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05.06.2020

Sauerstoff-Engpässe infolge Pandemie verhindern

Weil das Sars-CoV-2-Coronavirus die Lunge angreift, brauchen an Covid-19 erkrankte Personen Luft, die mit Sauerstoff angereichert ist. Mit neuen Ideen und Prototypen für kostengünstige Sauerstoff-Konzentratoren möchten Forschende der ETH Zürich einen weltweiten Sauerstoff-Engpass aufgrund der PandemiePandemie
Unter einer Pandemie versteht man eine sich weit verbreitende und dabei ganze Länder oder Kontinente erfassende Krankheit.
Vermischen sich beispielsweise die Erbinformationen von zwei verschiedenen Influenza-Viren in einem Zwischenwirt (z.B. Schwein), tritt ein neuer Virus-Typ mit noch unbekannten Eigenschaften auf. Dieser so genannte Subtyp kann sich schnell ausbreiten, da die Menschen gegen diesen Erreger weder über natürliche noch infolge einer Schutzimpfung aufgebaute Antikörper verfügen. Der jährliche Grippe-Impfschutz erfasst zwar neue Varianten des Influenza-Virus (d.h. leichteVeränderungen in der Oberflächenstruktur), aber keine komplett neuartigen Subtypen. Bricht eine Pandemie aus, muss daher schnell ein Impfstoff gegen den neuen Subtyp entwickelt werden und/oder ein antiviral wirksames Medikament flächendeckend eingesetzt werden.
vermeiden.

Foto: ETH Zürich, Julian Koch

Je mehr Menschen sich mit Sars-CoV-2 anstecken, umso mehr Fälle mit schwerem Krankheitsverlauf werden auftreten. Bei diesen dringt das Virus in die unteren Atemwege vor und kann dann das Immunsytem zu einer aus dem Ruder laufenden Abwehrreaktion veranlassen. Hauptsymptom ist Atemnot.

„Wenn die Hälfte der Lungenoberfläche beschädigt ist, braucht es doppelt so viel Sauerstoff in der Atemluft, damit der Körper ausreichend mit Sauerstoff versorgt ist“, erklärt Wendelin Stark, Prof. am Institut für Chemie- und Bioingenieurwissenschaften und Leiter des Functional Materials Lab der ETH Zürich. Weil es gegen Covid-19 noch keine wirksamen Medikamente gibt, müssen die Betroffenen die Erkrankung möglichst überstehen, bis die Symptome nach zwei bis drei Wochen wieder abflauen. „Mit Sauerstoff lässt sich Zeit kaufen“, betont Stark.

Mit steigenden Infektionszahlen kann es bei Masken und Beatmungsgeräten weltweit zu einer zunehmenden Knappheit kommen. Stark befürchtet, dass sich mit der raschen Verbreitung des Virus noch ein weiterer Engpass ergibt: „Eine Analyse zeigt, dass es mehr Geräte braucht, die Sauerstoff anreichern können. Vor allem auch in Ländern mit niedrigem Einkommen, etwa im Nahen Osten oder in Afrika, wo nur wenige intensivmedizinische Behandlungsplätze verfügbar sind.“

Die ETH-Forschenden verfolgen zwei verschiedene Strategien. Auf der einen Seite setzen Samuel Hess und Elia Schneider, die beide bei Stark doktoriert hatten, auf eine neuartige Membrantechnologie. Damit können sie unterschiedlich große Moleküle voneinander trennen. „Die Porengröße unserer Membran lässt sich präzise einstellen, das macht unsere Plattformtechnologie vielseitig anwendbar“, berichtet Hess. Unisieve AG, das ETH Spin-off, mit dem Hess und Schneider die Membrantechnologie kommerzialisieren, verfügt bereits über eine Membran, die Sauerstoff von Stickstoff trennt. Nun verarbeitet das Unisieve-Team diese Membran zu Kartuschen, die mittels Druckluft Sauerstoff anreichern können.

Auf der anderen Seite konzipieren Stark und sein Team als Antwort auf die Pandemie möglichst einfache und kostengünstige Sauerstoff-Konzentratoren. „Es motiviert uns, dass wir als Ingenieure einen Beitrag zur Verbesserung der Situation beisteuern können“, meint Stark. „Wir haben schon mehrere Prototypen erstellt, die wir aktuell ausbauen und verbessern“, ergänzt Robert Grass, Starks Ko-Pilot in diesem Projekt. „Auf der Projektwebseite - http://oxygenator.geprojects.tech/ - veröffentlichen wir unsere Baupläne und Videos mit dem Ziel, dass die Sauerstoff-Konzentratoren an einem fast beliebigen Ort der Welt nachgebaut werden können – und zwar mit Materialien, die überall zur Verfügung stehen.“

Wie die kommerziell vertriebenen Geräte enthalten auch die Prototypen von Stark und seinem Team Kolonnen, die mit einem Material namens Lithium-X-Zeolith gefüllt sind. Es hat sehr kleine Poren und eine spezielle chemische Struktur, so dass die Sauerstoffmoleküle in der Luft hindurch kommen, die Stickstoffmoleküle aber festgehalten werden. Es genügt also, pulsweise Luft durch die Kolonne zu pressen, um den Sauerstoff im Gasgemisch anzureichern.

Das Problem ist, dass Lithium-X-Zeolith teuer ist – und nur von hochspezialisierten Firmen angeboten wird. Stark und sein Team haben deshalb – daheim in ihren zu vorübergehenden Forschungslaboren umfunktionierten Hobbyräumen – aus einem Trocknungsmittel und Lithium-Batterien das mikroporöse Material selbst hergestellt. Aus drei guten Laptop-Batterien lässt sich genügend Lithium für eine Patientenstation gewinnen, haben Stark und seine Mitarbeitenden berechnet.

Wer selber Atemgeräte bauen kann, ist nicht auf weltweite Lieferketten angewiesen, auf die in Zeiten der CoronaCorona
-Krise weniger Verlass ist als sonst. Stark setzt deshalb auf lokale Lösungen: „In einkommensschwachen Ländern gibt es eine ausgeprägte Bastel- und Werkstattkultur – und viele geschickte und gescheite Leute. Ich bin zuversichtlich, dass sie mit unseren Anweisungen auch an abgelegenen Orten dezentral Sauerstoff herstellen können.“

Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)