Der Streit um den Assembler

In den Medien und in der Science Fiction taucht sie immer wieder auf: Die "Nanofabrik" oder "Assembler". Die Idee geht zurück auf den amerikanischen Forscher Eric Drexler. Doch sein Ansatz ist nicht nur umstritten, die Realisation ist vielleicht sogar unmöglich. 

Schauen wir einmal, wie Eric Drexler sich die Arbeitsweise eine "Nanofabrik" vorstellt. Als wesentliches Baumaterial dient Kohlenstoff, vor allem in Form von Kohlenwasserstoffen wie Methan. Dazu kommen Stickstoff, Sauerstoff, Silizium, Schwefel, Phosphor, Fluor und Chlor.  Sie alle werden in einer Lösung angeliefert. In der Außenhülle des Assemblers befinden sich nun winzige Luken. In diesen drehen sich etwa fünf Nanometer große Schaufelräder,  die kleine Einbuchtungen aufweisen. Hierin finden nur bestimmte Moleküle des Rohmaterials Platz, beispielsweise Ethylen.

Hat sich ein Ethylen-Molekül aus der Rohstofflösung in einer solchen Einbuchtung angelagert, wird es vom Schaufelrad auf die andere Seite der Assemblerhülle transportiert. Dort lagert es sich am Glied eines vorbeilaufenden Förderbandes an und wird von diesem ins Innere  des Assemblers transportiert, an ein anderes Band übergeben oder durch eine „Mühle“ geleitet. In der wird es vielleicht für die endgültige Reaktion chemisch verändert, indem zum Beispiel ein Wasserstoffatom entfernt wird und ein äußerst reaktionsfreudiges Radikal entsteht. All dies findet natürlich im Vakuum statt.  Der Innenraum des Assemblers ist nicht mit irgendeinem Gas oder einer Lösung gefüllt.

Schließlich gelangt unser Ethylen-Molekül zu einem beweglichen Roboterarm, der etwa 100 Nanometer lang ist und aus vier Millionen Atomen besteht.  Die Spitze des Roboterarms bugsiert das Molekül an die eigentliche „Baustelle“, wo es sich mit anderen Atomen oder Molekülen zu einer festen Struktur verbindet. Dabei handelt es sich um neue Stützbalken, Gehäuse, Kugellager, Förderband-Glieder, Schaufelräder oder Rollen. Lauter nanoskopische Gegenstücke zu den Teilen einer heutigen Industriemaschine. Oder das Molekül wird in die Wand eines makroskopischen Gegenstandes eingefügt, der so Atom für Atom Gestalt annimmt. Ähnlich, wie ein Kristall in der Reaktionskammer eines Labors durch Anlagerung weiterer Atome wächst. Während jedoch beispielsweise ein Opal genau die innere Struktur bildet, die die Natur „vorgesehen“ hat, fügt der Assembler die Atome so zusammen, wie es der Designer in einem CAD-Programm am Computer entworfen hat. Der Assembler produziert also riesige Moleküle, die in der Natur nicht vorkommen. Drexler nennt sie „diamantartig“, weil die Bindungen zwischen den Atomen so berechnet sind, dass sie ähnlich stabil wie in Diamant werden.

Der Assembler arbeitet dabei ohne Bordelektronik. Sein Computer funktioniert rein mechanisch,  und auch die Steuerbefehle an all die Förderbänder, Mühlen und Arme werden mechanisch über eine Art Nanohydraulik weitergeleitet.

Ist man in Nanosystems am Ende dieser Beschreibung angekommen, drängt sich unweigerlich eine nicht ganz unerhebliche Frage auf: Wo kommen eigentlich all die Nanomaschinenteile her? Ein Henne-Ei-Problem tut sich auf. Damit der Assembler all dies bauen kann, muss bereits ein erster Assembler vorhanden sein. Drexler geht davon aus, dass die ersten Bauteile wohl mit biotechnischen Verfahren oder mit Hilfe von Kraftmikroskopen  erzeugt werden könnten. Dennoch: Wie man daraus die allererste Nanomaschine macht, kann auch er im Detail nicht darlegen. Er sagt nur: „Einmal zusammenmontiert, kann man kleine mechanosynthetische Geräte herstellen, die komplexere Strukturen ausführen, angetrieben und gesteuert durch Druckunterschiede.“  Dann ist das Buch zu Ende. Ab hier scheiden sich die Geister.

Für einige Forscher ist Nanosystems seitdem zur Nanobibel geworden. Andere vermissen den nötigen Realismus, der schlüssig die Frage beantwortet, wie man nun genau von ersten Bausteinen zum ersten Assembler kommen kann. Eine dritte Gruppe – sofern sie es gelesen hat – stellt den ganzen Ansatz Drexlers in Frage.

Es ist nicht so, dass winzige Maschinen den Realisten in der Nanogemeinde keinen Gedanken wert sind. Es gibt durchaus erste Ansätze für Maschinenteile. Nehmen wir das Drexler’sche Schaufelrad, das bestimmte Moleküle aussortieren und in den Assembler transportieren soll. Es verfügt ja über Einbuchtungen, in denen sich nur eine Art Molekül anlagern kann. Etwas Derartiges kann man inzwischen mit der Technik des „molekularen Prägens“ herstellen. Der Chemiker Günter Tovar vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik erzeugt in der Hülle von Polymer-Nanopartikeln Abdrücke eines speziellen Moleküls. Die Partikel sollen als medizinische Biosensoren eingesetzt werden, indem an diesen Abdrücken biologische Moleküle andocken.

Auch Stützbalken oder Gehäuse, wie sie Drexler vorschweben, sind vorstellbar. In Kapitel 10 haben wir bereits gesehen, dass sich aus Peptiden kleine Container herstellen lassen, dass aus DNS-Strängen ausgedehnte Gerüste geformt werden können.

Selbst für die Schwungräder, die ein Laufband antreiben könnten, können wir ein erstes, rudimentäres Beispiel finden. Alex Zettl von der Universität Berkeley hat im Sommer 2003 einen winzigen Elektromotor vorgestellt. Eine 300 Nanometer lange, rechteckige Siliziumplatte ist an einer Kohlenstoffnanoröhre befestigt, die als Schaft dient und zwischen zwei Elektroden hängt. Legt man eine Spannung von fünf Volt an, rotiert das Plättchen. Zettls Gruppe gelang dabei eine volle Umdrehung um 360 Grad. 

Es gibt durchaus noch weitere bescheidene Ansätze in Richtung Nanomaschinenbau. Trotzdem gleicht das Feld bislang mehr einem dahingeworfenen Puzzle, das noch niemand richtig angefasst hat. Das liegt nur zum Teil daran, dass man noch nicht weiß, wie man alles miteinander verbinden könnte. Einige Forscher zweifeln prinzipiell an der Machbarkeit eines Assemblers. Einer der entschiedensten Kritiker ist Richard Smalley, einer der Entdecker der Buckyballs. Er hält die Idee schlicht für unphysikalisch. Um all die Atome an der Baustelle selbst zu kontrollieren – und Drexler betont ja, dass sich in der „Mechanosynthese“ kein Atom unkontrolliert bewegen könne –, müsste jedes mit einem eigenen Arm in Schach gehalten werden. Die Arme des Assemblers, argumentiert Smalley, müssten ihrerseits immer noch aus Atomen bestehen. Damit wären sie genauso dick wie die Bausteine, die sie eigentlich bewegen sollen. Smalley nennt dies das „Fat Fingers Problem“. Auch wenn Richard Feynman 1959 gesagt habe, es sei viel Platz im Nanokosmos – „so viel Platz gibt es nun auch wieder nicht“, wendet Smalley ein.

Drexler hat auf diese Kritik wiederum mit einem offenen Brief  reagiert, in dem er Smalley vorwirft, seine Ideen falsch wiederzugeben, um sie dann lächerlich machen zu können. Die von ihm skizzierten Arme sind zwar etwa 30 Nanometer dick , laufen aber – ähnlich wie beim Rastertunnelmikroskop – in einer hauchdünnen Spitze zu. Das Problem dürfte weniger die Spitze sein, die die Atome bewegt, als der vergleichsweise riesige Schaft.

Smalley hat noch einen weiteren Einwand erhoben: das „Sticky Fingers Problem“. Die Atome könnten an der Spitze hängen bleiben, weil die Van-der-Waals-Kraft, eine schwache Anziehung zwischen Atomen oder Molekülen, sie bindet. Dann hätte der Roboterarm dasselbe Problem, wie jemand, der versucht, einen Kaugummi von der Schuhsohle zu bekommen. Das Biest bleibt einfach kleben.

Das Sticky-Fingers-Problem dürfte sich als zentral herausstellen. Denn Drexlers molekulare Nanotechnik setzt ganz explizit nicht auf Selbstorganisation beim Zusammenbau der  Assemblerteile, sondern auf eine „Positional Assembly“, also einen punktgenauen Zusammenbau. Drexler kann nur auf seine Computermodelle verweisen. Experimentelle Ergebnisse, die Smalley widerlegen würden, hat er nicht.

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