ASU recycelt Forschung

Es tut mir leid, dass Ihre Blase platzt, aber Helium ist weltweit Mangelware. Dieses Gas, das leichter als Luft ist, ist dafür bekannt, dass es Partyballons zum Schweben bringt, es hat aber auch viele andere wichtige Verwendungszwecke, darunter medizinische Bildgebung, die Herstellung von Mikrochips und das Testen von Raketen.

Um ihre Versorgung optimal zu nutzen, hat die Arizona State University ihr Magnetresonanz-Forschungszentrum mit einem nachhaltigen System ausgestattet, das das für die Forschung verwendete Helium recycelt. Dort arbeiten Wissenschaftler daran, Themen wie Krebs, Schmerzwahrnehmung und abbaubare Kunststoffe zu verstehen.

Seit fast einem Jahrhundert sind die USA der weltweit größte Heliumlieferant. Während unsere Heliumindustrie in der Vergangenheit von der Bundesregierung betrieben wurde, wandelt sie sich nun in eine private Industrie um. Aufgrund dieses Übergangs und der Schließung der Federal Helium Reserve ist die Heliumproduktion in den USA zurückgegangen. Nun kommt dieses kritische Gas zunehmend aus anderen Ländern wie Katar, Russland und Algerien, aber Preis und Angebot sind aufgrund der Instabilität in nicht stabil diese Regionen.

Helium ist eine nicht erneuerbare Ressource, die tief in der Erde entsteht, wenn radioaktive Stoffe wie Uran zerfallen. Das Helium sprudelt nach und nach nach oben, und während der größte Teil davon die Planetenoberfläche verlässt, bleibt ein kleiner Teil unter dichten Felskuppeln unter der Erde hängen, wo Menschen es extrahieren können.

Die begrenzte Menge an Helium auf der Erde schrumpft ständig, auch weil Heliumgas extrem schwer in Flaschen aufzufüllen ist. Seine Struktur ist so klein, dass wir spezielle Behälter benötigen, um ihn aufzubewahren.

Denken Sie an Geburtstagsballons, die wir mit einer Mischung aus Helium und anderen Gasen füllen. Nach ein paar Tagen liegen die Ballons auf dem Boden, obwohl sie scheinbar immer noch mit Luft gefüllt sind. Das liegt daran, dass das gesamte Helium ausgetreten ist und nur die anderen Gase zurückgeblieben sind.

Sobald Helium in die Luft entweicht, durchquert es die Erdatmosphäre und gelangt in den Weltraum, wo es den Planeten für immer verlässt.

Trotz seiner Assoziation mit Partydekoration und lustigen Streifenhörnchenstimmen hat Helium eine ernste Seite. Aufgrund seiner geringen Größe eignet es sich perfekt für die Prüfung von Lecks in Raketen und Gaspipelines. Es ist nicht brennbar und daher eine sichere Wahl für Fabriken, die Mikrochips in einer mit Gas gefüllten sterilen Kammer herstellen müssen. Und es kann in flüssiger Form nahe dem absoluten Nullpunkt (etwa minus 460 Grad Fahrenheit), der tiefstmöglichen Temperatur, existieren.

Aufgrund seiner Fähigkeit, extrem kalt zu bleiben, ist Helium für Magnetresonanztomographiegeräte von entscheidender Bedeutung. Diese MRT-Geräte – die für die Durchführung detaillierter medizinischer Scans bekannt sind – basieren auf supraleitenden Magneten. Diese speziellen Elektromagnete müssen extrem kalt gehalten werden, damit sie ordnungsgemäß funktionieren, und gehen kaputt, wenn sie eine bestimmte Temperatur überschreiten.

Im Zentrum Maschinen zum Recycling von Helium, darunter ein spezieller Transporttank im Vordergrund und ein Reiniger, ein Verflüssiger und ein Kompressor im Hintergrund. Das Zentrum hofft, mindestens 85 % seines Heliums zurückzugewinnen und zu recyceln. Foto von Andy DeLisle/ASU

Das ASU Magnetic Resonance Research Center verlässt sich bei seiner Arbeit auf MRTs und Kernspinresonanzspektroskopie – wie ein MRT für Atome – und macht Helium zu einer Schlüsselressource.

Um seine Versorgung optimal zu nutzen, hat das Zentrum, eine der Kernforschungseinrichtungen der ASU, ein Heliumrückgewinnungssystem installiert, das speziell auf seine Ausrüstung und Bedürfnisse zugeschnitten ist.

Im Inneren der supraleitenden Magnete verdampft das flüssige Helium als Kühlmittel nach und nach zu einem Gas, das aufgefangen und durch Netzwerke speziell versiegelter Kupferrohre transportiert wird, die dem Labor das Aussehen einer Brennerei verleihen. Das Gas sammelt sich in riesigen Säcken, die jeweils bis zu 16.000 Liter fassen können. Sobald die Beutel voll sind, wird das Gas komprimiert und in Mitteldrucktanks gespeichert. Aus den Tanks wird das Helium zu einem Reiniger geleitet, der jeglichen Wasserdampf, Sauerstoff oder Stickstoff entfernt, bevor es in Flüssigkeit umgewandelt wird, sodass das Labor mit reinem flüssigem Helium zurückbleibt, das zur Wiederverwendung bereit ist.

Jeder der 16.000-Liter-Helium-Sammelbeutel von ASU fasst genug Gas, um etwa 1.135 Partyballons zu füllen.

„Unser langfristiges Ziel ist es, mindestens 85 % unseres Heliums zurückzugewinnen und zu recyceln“, sagt Brian Cherry, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Manager des Zentrums. „Alle fünf Wochen muss ich einen meiner Magneten füllen, und wenn ich nicht innerhalb von ein oder zwei Tagen Helium bekomme, sind 4 Millionen Dollar an Ausrüstung weg. Während wir also Geld sparen und recyceln, schützen wir gleichzeitig diese Investition, indem wir uns nicht auf einen volatilen Markt verlassen müssen.“

Andere Universitäten haben eigene Rückgewinnungssysteme installiert, aber Cherry weist darauf hin, dass sich die ASU durch ihr großes Speichertanksystem etwas von anderen unterscheidet. Das Zentrum möchte die Vorteile des Einsatzes eines Rückgewinnungssystems demonstrieren und Kliniken, Labore und andere Einrichtungen dazu inspirieren, ähnliche Systeme einzuführen und die weltweite Heliumversorgung besser zu schützen. Ein Verkaufsargument: die enorme Kostenersparnis.

„Seit Juni 2022 haben wir etwa 2.500 Liter flüssiges Helium – fast 2 Millionen Liter Heliumgas – aufgefangen“, sagt Samrat Amin, der Leiter der Kernforschungsanlagen. Beim heutigen Durchschnittspreis für flüssiges Helium konnte das Zentrum durch das Rückgewinnungssystem bereits rund 55.000 US-Dollar einsparen.

„Die Kosteneinsparungen mit unserem Heliumrückgewinnungssystem machen einen erheblichen Teil unseres Betriebsbudgets aus“, fügt Amin hinzu. „Das System steht nicht nur im Einklang mit den Nachhaltigkeitszielen der ASU, sondern stellt auch unsere langfristige Fähigkeit sicher, wichtige Instrumente bereitzustellen, die Forschern in der gesamten ASU dienen.“

Das ASU-Wiederherstellungssystem wird im Hintergrund arbeiten, um rund 150 Forscher – zusätzlich zu Lehrlaboren, externen Unternehmen und Mitarbeitern – zu unterstützen, die die Kernanlage nutzen.

Ein Probenständer für die NMR-Analyse. Mit der NMR-Bildgebung können Forscher Moleküle in Lösung untersuchen und erhalten so ein realistischeres Bild vom Verhalten von Zellen und Proteinen. Foto von Andy DeLisle/ASU

„Ich mache alles mit NMR-Spektroskopie, daher war das Heliumrückgewinnungssystem für mich absolut entscheidend“, sagt Xu Wang, außerordentlicher Professor an der School of Molecular Sciences, der zuckerbindende Proteine ​​untersucht.

Diese Proteine ​​sind an vielen biologischen Prozessen beteiligt. Wang hat erforscht, wie zuckerbindende Proteine ​​die Symptome der Lyme-Borreliose sowie die Aktivierung weißer Blutkörperchen beeinflussen.

Zuletzt untersuchte seine Forschungsgruppe ein zuckerbindendes Protein, das von über 80 % der Gehirntumorzellen produziert wird und das Wachstum von Tumoren beschleunigt.

Associate Professor Wade Van Horn untersucht Proteine, die in den Membranen gefunden werden, die Zellen umgeben. Diese Proteine ​​transportieren Informationen zur und von der Zelle und sind wichtig für Prozesse wie die wirksame Bindung von Medikamenten an Zellen.

Er erforscht, wie eine neue Klasse nicht süchtig machender Schmerzmittel mit Zellrezeptoren interagiert. Ziel ist es, Möglichkeiten zu schaffen, vorherzusagen, welche Medikamentenvarianten am besten wirken, ohne sich zu Beginn des Prozesses auf teure klinische Studien verlassen zu müssen.

Es gibt andere Methoden und Maschinen zur Untersuchung molekularer Strukturen, die keine supraleitenden Magnete und daher Helium verwenden. Das Problem besteht darin, dass sie erfordern, dass die Moleküle an einer festen Position und Umgebung bleiben.

„Der Unterschied bei der NMR besteht darin, dass unsere Studien in Lösung erfolgen“, sagt Van Horn. „Wir können sehen, wie sich die Proteine ​​wie in einem biologischen Kontext bewegen.“

Diese Bewegungsfreiheit bedeutet, dass Wissenschaftler ein realistischeres Bild davon bekommen können, wie sich Zellen und Proteine ​​verhalten.

Da NMR-Geräten eine so entscheidende Rolle zukommt, kommen die Forscher nicht umhin, Helium zu benötigen. Aus diesem Grund haben Wang und Van Horn die Initiative ergriffen, einen Antrag zu stellen, als die National Institutes of Health die Finanzierung von Heliumrückgewinnungssystemen für NMR-Einrichtungen ankündigten. Jetzt können sie weiterhin Helium verwenden, und zwar gut.

„Ich denke, dass wir in naher Zukunft möglicherweise nicht genug Helium beschaffen können, selbst wenn wir bereit sind, steigende Preise zu zahlen“, sagt Wang. „Dieses Heliumrückgewinnungssystem wird für die Nachhaltigkeit der gesamten Anlage von entscheidender Bedeutung sein.“

Brian Cherry, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Manager des ASU Magnetic Resonance Research Center, lädt Proben zur Analyse in ein automatisiertes NMR-Gerät. Wissenschaftler nutzen die NMR-Bildgebung unter anderem für die biomedizinische Forschung und Materialforschung. Foto von Andy DeLisle/ASU

Das Wiederherstellungssystem unterstützt nicht nur die biomedizinische Forschung. Timothy Long, Professor an der School of Molecular Sciences, verwendet dieselben Maschinen wie Van Horn und Wang, um nachhaltige Kunststoffe und andere Materialien zu entwickeln.

Nach Angaben des Umweltprogramms der Vereinten Nationen produzieren Menschen jedes Jahr rund 400 Millionen Tonnen Plastikmüll. Um dieser Umweltbelastung zu begegnen, braucht die Welt dringend neue Arten umweltfreundlicher Materialien.

Long arbeitet an der Entwicklung von Polymeren und Verbundwerkstoffen mit wünschenswerten, nachhaltigen Eigenschaften. Das Ziel besteht darin, Kunststoffe herzustellen, die aus von der Natur inspirierten Molekülen stammen, weniger Ausgangsmaterial benötigen und leicht recycelt werden können und dabei dennoch genauso gut oder sogar besser als herkömmliche Kunststoffe sind.

„Wir nutzen die Kernanlage des Magnetic Resonance Research Center jeden Tag, wahrscheinlich 600 Mal im Monat, und diese Anlage ist für unsere Arbeit absolut entscheidend. Die NMR-Spektroskopie verrät uns im Wesentlichen die molekulare Struktur dessen, was wir hergestellt haben“, sagt Long, der auch Direktor des Biodesign Center for Sustainable Macromolecular Materials and Manufacturing ist. „Es ist wirklich das erste Experiment, das wir durchführen müssen, bevor wir etwas anderes tun.“

Die molekulare Struktur eines Materials bestimmt seine physikalischen Eigenschaften, wie zum Beispiel die Haltbarkeit. Diese Eigenschaften wirken sich dann auf die Leistung des Materials aus, beispielsweise auf seine Fähigkeit, rauen Bedingungen standzuhalten. Anhand der molekularen Struktur kann Long erkennen, ob ein Material in der Lage ist, das zu tun, was es soll. Die Kenntnis der molekularen Struktur gibt den Wissenschaftlern auch eine Art bewährtes Rezept an die Hand, mit dem andere das Material nachbauen können.

„In meinem Forschungszentrum machen wir uns Sorgen über das Ende der Lebensdauer von Kunststoffen und die Nachhaltigkeit dieser Materialien. Aber wir müssen uns auch Sorgen um die Nachhaltigkeit der von uns verwendeten Analysetools machen“, sagt Long. „Ich denke, dieses Recyclingsystem veranschaulicht in jeder Hinsicht den Fokus der Universität auf Nachhaltigkeit.“

Bei Nachhaltigkeit geht es um mehr als den klugen Umgang mit Ressourcen. Es geht auch darum, sicherzustellen, dass die Gemeinschaften in den Gebieten gedeihen, in denen wir diese Ressourcen sammeln.

Kirk Jalbert, Assistenzprofessor an der School for the Future of Innovation in Society, untersucht die öffentliche Auseinandersetzung mit Umweltwissenschaften und -politik. Kürzlich arbeitete er mit Gemeinden im Norden Arizonas zusammen, um Workshops zu entwickeln, die den Bewohnern die Möglichkeit geben, fundierte Entscheidungen über die Heliumgewinnung in ihrem Gebiet zu treffen.

Geologische Untersuchungen zeigen, dass die Four Corners-Region wahrscheinlich eine reiche Heliumquelle wäre. Da sich die Heliumgewinnungsindustrie nun auf private Betriebe verlagert, haben Öl- und Gasunternehmen neue Anreize, ihre Ausrüstung und ihr Fachwissen zu nutzen, um von fossilen Brennstoffen auf Helium umzusteigen. Dies bedeutet, dass in Arizona Potenzial für eine neue Heliumgewinnungsindustrie besteht.

Dies könnte die Wirtschaft des Staates ankurbeln und anderen wichtigen Branchen wie der Luftfahrt und der Halbleiterfertigung zugute kommen. Allerdings müssen Förderunternehmen und Gemeinden zusammenarbeiten, um sicherzustellen, dass auch die Menschen, die in der Nähe von Förderstandorten leben, davon profitieren.

Eine Möglichkeit, Umweltgerechtigkeit zu fördern, sind laut Jalbert Vereinbarungen zum Nutzen der Gemeinschaft. Durch diese Vereinbarungen werden Unternehmen rechtlich für Dinge wie den Wasserschutz, die Entschädigung für sinkenden Immobilienwert, die Subventionierung der Hausratversicherung oder die Bereitstellung von Spenden für Schulen oder Straßenverbesserungen verantwortlich gemacht.

„Mein Argument ist, dass, wenn dies von diesen Betreibern verlangt wird, sie wissen, dass sie in Gemeinden mit einer sozialen Verpflichtung auftreten müssen“, sagt Jalbert. „Wenn wir alle unsere seltenen Ressourcen auf diese Weise behandeln würden, wären wir als Gesellschaft wahrscheinlich eher in der Lage, den tatsächlichen Wert dieser Ressourcen zu berücksichtigen.“

Das in dieser Geschichte beschriebene Heliumrückgewinnungssystem und die Forschungsbemühungen wurden teilweise vom National Institute of General Medical Sciences finanziert, das zu den National Institutes of Health gehört.

Top-Illustration von Hannah Kalas

Kommunikationsspezialist, ASU Knowledge Enterprise

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