Supelco^® Produkte kehren in den Weltraum zurück

Mit der Carboxen^® Technologie wird die Herkunft von Planeten nachgewiesen und die Lebensqualität auf der Erde verbessert

Bevor am Morgen des 15. Oktober 1997 die Morgendämmerung über dem Himmel von Cape Canaveral einsetzte, begann Cassini seine siebenjährige, 2,1 Milliarden Meilen lange Reise zur Erforschung des Saturnsystems. An Bord von Cassini sollte die einer Muschel ähnelnden Huygens-Sonde die erste Landung auf Titan, einem der Eismonde des Saturn, durchführen. Ziel dieser Mission war es, Informationen über die Geheimnisse der Saturnringe und ihrer Monde zu sammeln und vielleicht einen Blick auf die Ursprünge unseres Sonnensystems zu erhalten.

Tief im Inneren von Cassini und der Huygens-Sonde befanden sich kleine, perlenförmige Kügelchen aus Kohlenstofftechnologie, die dafür vorbereitet wurden, Gase zu sammeln und für die Analyse zu konzentrieren. Die Carboxen^® Astronauten aus dem Supelco^® Portfolio waren bereit, sich mutig dorthin zu begeben, wo noch keine Adsorptionstechnologie zuvor war. Die gewonnenen Erkenntnisse sollten die grundlegenden Theorien über die Entstehung unseres Sonnensystems verändern.

Die Supelco^® Produkttechnologie sollte in zwei Analysegeräten eingesetzt werden. Das Ionen- und Neutralmassenspektrometer (INMS) auf Cassini war mit Carboxen^® 1004 ausgestattet – einer hochentwickelten, sehr gleichmäßigen, mehrporigen Schicht aus Kohlenstoffkugeln für die Analyse von Wasserstoffisotopen und kleinkettigen Kohlenwasserstoffen. Diese Ergebnisse sollten dazu dienen, die Urknalltheorie zu verfeinern und nach Anzeichen für Lebensformen zu suchen.

Das Gaschromatographie-Massenspektrometer (GC-MS) auf der Huygens-Sonde enthielt Carboxen^® 1017 – ein graphitiertes Kohlenstoffmolekularsieb. Diese Technologie sollte beim 2,5-stündigen Abstieg zur Titanoberfläche eingesetzt werden, während des Abstiegs sollten Proben gesammelt und konzentriert und danach 72 Minuten lang Daten auf der Titanoberfläche gesammelt werden.

"Die Energie im Raum war deutlich spürbar, als wir die Ergebnisse erfuhren", erinnert sich Betz. "Durch den Einsatz von Huygens wurde festgestellt, dass die wichtigsten Gase in der Titanatmosphäre Stickstoff und Methan sind. Durch die Bestimmung des Verhältnisses von Kohlenstoff- und Stickstoffisotopen und die Feststellung des Fehlens von Edelgasen außer Argon konnte die Entwicklung der Titanatmosphäre modelliert werden. Diese Daten stehen im Gegensatz zu denen, die auf Venus und Jupiter gemessen wurden, und spielen eine Rolle bei größeren Diskussionen über die Entstehung der Planeten.

"Es ist erstaunlich, dass die Daten von Titan die Art und Weise, wie wir unser Sonnensystem betrachten, verändern könnten", so Betz. "Wir wissen jetzt, dass Methan und Ethan aus den Wolken regnet und sich in Flüssen und Seen an den Polen sammelt und die feste Oberfläche aus Wassereis besteht, das mit Sand aus Kohlenwasserstoffen bedeckt ist, die aus der Atmosphäre fallen. Dies zeichnet ein ziemlich genaues Bild der frühen Tage der Erdentstehung.“

Bis zur ISS und darüber hinaus...

Cassini beendete seine letzte Mission mit einer Schleife zwischen Saturn und seinen Ringen, bevor es in den Planeten stürzte und weiterhin Daten übermittelte, bevor es wie ein Meteor verglühte und Teil des Planeten selbst wurde.

Aber das war nicht das Ende von Carboxen im Weltraum. Im Jahr 2018 rief die NASA erneut an, diesmal mit einer Mission zur Überwachung der Miniaturatmosphäre an Bord der Internationalen Raumstation (ISS). In Zusammenarbeit mit dem Jet Propulsion Laboratory der NASA wurde Merck gebeten, den Vorkonzentrator für den mit mikro-elektromechanischen Systemen (MEMS PCGC) ausgestatteten Gaschromatographen zu liefern. Diese zukunftssichere Technologie sollte die Analyse kritischer Hauptbestandteile und Spurengase an Bord der ISS, bei Außenbordeinsätzen und in Raumanzügen ermöglichen.

"Diese Entwicklung erforderte einen großen Technologiesprung", erinnert sich Dr. Leidy Peña Duque, Senior Scientist von Adsorption Technologies. "Die NASA wollte die aktuellen Luftüberwachungssysteme in fast jeder Hinsicht verbessern: kleinere und leichtere Einheiten, häufigere Überwachung und Dauerbetrieb. Die Astronauten sind auf die Daten dieser Systeme angewiesen, und selbst kleine Ungleichgewichte in den atmosphärischen Verhältnissen können schnell schwerwiegende Folgen haben. Unsere Technologien mussten ausfallsicher sein und gleichzeitig eine ganze Reihe von Leistungszielen erfüllen.“

Das Team verwendete Carboxen 1000, eine Monoschicht aus hochreinen, synthetischen Kohlenstoffkugeln mit einer Größe von 177 bis 250 µm und einem Porendurchmesser von nur 10 bis 12 Å. Auf dieser winzigen Monoschicht, die auf einem Chip von der Größe einer kleinen Münze untergebracht ist, werden Gase um den Faktor 4000 konzentriert – ein gewaltiger Sprung im Vergleich zu den Fähigkeiten des vorherigen Systems.

"Dieses neue System misst die wichtigsten Gase im Abstand von zwei Minuten und liefert so nahezu in Echtzeit einen Überblick über die Atmosphäre, die in die Lungen der Astronauten eindringt", erklärt Duque. "Vorherige Systeme konnten nur im Abstand von 3 bis 5 Stunden Messungen durchführen. Darüber hinaus kann die NASA jetzt einmal pro Woche Spurengase testen. Dieser zuverlässige Begleiter hat nur ein Drittel der Masse des Vorgängers und liefert die Daten automatisch. Die Astronauten wissen genau, was sie einatmen und können sofort eingreifen, wenn sich ein Parameter ändert."

Vom Weltraum bis zur Behandlung von Krebs und darüber hinaus

"Diese kleinen Kohlenstoffkügelchen haben ein enormes Potenzial und spielen hier auf der Erde ebenfalls eine wichtige Rolle", so Duque weiter. "Da sie im Labor synthetisiert werden, haben sie ein Reinheits- und Morphologieprofil, das dem natürlicher Aktivkohle weit überlegen ist, sodass sie in den schwierigsten Aufreinigungsprozessen eingesetzt werden können.“

Carboxene werden heute in der modernen Biologikaproduktion eingesetzt, zuletzt bei der Aufreinigung monoklonaler Antikörper (mAk) zur Behandlung von Krebs und Autoimmunkrankheiten. Wirtszellproteine (host cell proteins, HCP) sind ein Bioprodukt der mAk-Produktion. Sie können jedoch bei Patienten eine unerwünschte Immunreaktion hervorrufen, wenn sie nicht aus der letztendlichen Behandlung entfernt werden. HCP mit niedrigem Molekulargewicht sind aufgrund ihrer physiochemischen Eigenschaften und ihrer unspezifischen Assoziation mit Antikörpern besonders schwer zu entfernen. Hinzu kommt, dass durch die vorgelagerte Verarbeitung stark schwankende pH- und Leitfähigkeitsbedingungen geschaffen werden, durch die viele Aufreinigungsverfahren ungeeignet werden.

"Dank der hohen Anpassungsfähigkeit von Carboxenen kann die Aufreinigung bei extremen pH-Werten sowie unter hydrophilen und hydrophoben Bedingungen erfolgen. Darüber hinaus sind sie so effektiv, dass nachgeschaltete Ionenaustauschverfahren ggf. nicht erforderlich sind. Dies könnte für die Verbesserung der Sicherheit und Wirksamkeit von mAk eine bahnbrechende Veränderung darstellen.“

"Dies ist erst der Anfang der Reise von Carboxenen und sie sind nur ein Teil eines breiten Portfolios im Bereich der Kohlenstofftechnologie der Marke Supelco^®,“ fährt Duque fort. "Wir untersuchen gegenwärtig ihre Verwendung in Batteriekapazitätsanwendungen zur Unterstützung von Edelmetallkatalysatoren. Mit der Präzision von Carboxenen können wir die Menge der benötigten Edelmetalle reduzieren. Dies wird von entscheidender Bedeutung sein, wenn wir diese endlichen Quellen einsetzen, um uns auf den Weg zu einem nachhaltigeren Verkehr und zur Energiespeicherung zu machen."

Carboxene haben uns im Weltraum gute Dienste geleistet. Sie wirbeln jetzt im Saturn herum – und messen darüber hinaus emsig die Luft, die Astronauten atmen. Aber während sie ihre Mission hier auf der Erde fortsetzen, lebensrettende Krebstherapien aufreinigen und die nachhaltige Energierevolution vorantreiben wissen wir, dass dies nur einzelne Schritte auf ihrer Reise sind. Wohin könnten uns diese kleinen Kohlenstoffkugeln im nächsten Schritt führen?