Kein klarer Favorit für Antifouling

Die derzeit populären kupfer-basierten Antifouling-Farben geraten zunehmend ins Visier von Umweltschützern. Es gibt Alternativen, allerdings zeichnet sich noch kein klarer Favorit ab. Volker Bertram gibt einen einführenden Einblick
Fouling, d. h. maritimer Bewuchs an Rumpf und Propeller, breitet sich stufenweise aus: Innerhalb von Stunden bildet sich auf der[ds_preview] benetzten Oberfläche eine erste Schleimschicht, mikrobischer Film aus Bakterien und Einzellern. Diese Schleimschicht erhöht bereits den Widerstand, gilt aber als unvermeidlich. Die erste Schicht erlaubt die Ansiedlung der nächsten Fouling-Stufe. Algen und Pilze formen einen dünnen Film, der bereits für das menschliche Auge ohne Mikroskop sichtbar ist.

Seetang wird bis zu 15cm lang und wächst schnell, bevorzugt nahe der Wasserlinie. Bürstenreinigung stimuliert heute schnelles Nachwachsen innerhalb weniger Wochen.

Als hartes Fouling werden beispielsweise Seepocken und Muscheln bezeichnet. Diese Meeresbewohner zementieren sich an die Außenhaut und können dabei sogar Farbanstriche durchdringen. Sie sind nur mit einigem Kraftaufwand zu entfernen, wobei es zur Schädigung des Anstrichs kommen kann.

Die US Navy benutzt ein einfaches Notensystem zur Fouling-Beurteilung (NN (2006), Waterborne underwater hull cleaning of navy ships, Naval Ships Technical Manual 081, US Navy, http://www.hnsa.org/doc/nstm/ch081.pdf). Nach einem Katalog von Beispielfotos wird Schwere und Ausbreitungsgrad in Zehnerschritten von 0 bis 100 eingeschätzt. So lässt sich schnell und einfach der Foulingzustand in einem Monitoring-System nachverfolgen. Aber wie hängen Oberflächenzustand und Treibstoffmehrverbrauch zusammen?

Die letzten beiden Stufen im Fouling erhöhen den Widerstand erheblich. Der Treibstoffverbrauch kann sich durchaus gegenüber Probefahrtzustand um 30–50% erhöhen. Zum Vergleich: Bei vielen anderen Maßnahmen zur Energieeffizienz reden wir über 3–5% Einsparungspotenzial. Antifouling, das Verhindern von Fouling, ist nicht nur ökologisch sondern auch ökonomisch eine Notwendigkeit für die Schifffahrt. Es besteht weitgehend Konsens, dass wir hier besser werden müssen und können.

Eigentlich weiß jeder in der Branche, dass Antifouling ein wichtiges Thema ist. Will man sich dann etwas mehr mit der Materie beschäftigen, prallt man schnell gegen eine Mauer aus Fachausdrücken: »low surface energy coatings«, »self-polish­ing copolymers«, »surface treated composites«. Hand aufs Herz: Wer mag schon zugeben, dass er den Jargon der Antifouling-Industrie nicht wirklich versteht?

Weder Schiffbauer, noch Schiffsbetriebsingenieure oder Nautiker haben Antifouling auf dem Lehrplan, wenn man von minimalen Feigenblättern in Form von Allgemeinplätzen mal absieht. Im Folgenden soll daher ein kurzer Überblick gegeben werden, um die wichtigsten Alternativen zumindest in groben Zügen zu verstehen.

Lange bekanntes Problem

Fouling war bereits in der Antike ein Problem für die Schifffahrt. Bereits 300 v. Chr. beschreiben griechische Texte den Einsatz von Teer und Wachs zum Schutz von Booten vor maritimen Bewuchs.

Um 1850 waren Farbanstriche die Standardmethode im Antifouling. Das Grundprinzip war damals wie heute gleich: Im Kontakt mit Seewasser treten Biozide aus, die eine giftige Grenzschicht auf dem Rumpf bilden, um Bewuchs zu verhindern. Dabei muss eine bestimmte Giftkonzentration aufrecht erhalten bleiben, um wirksamen Schutz zu gewährleisten. Die Giftschicht wird bei der Fahrt des Schiffes durchs Wasser weggespült und muss daher regelmäßig von der Farbe erneuert werden. Die Giftstoffe treten in der Regel durch Kontakt und Scherkräfte mit dem Wasser aus. Die Auslaugrate (= Menge an Gift, die pro Zeit ins Wasser eintritt) hängt somit von der Geschwindigkeit des Schiffs ab.

Die ersten Antifouling-Farben waren sogenannte Kontaktfarben. Hier dringt Seewasser in die Farbe ein während der Giftstoff sich auflöst. Es bleibt eine Struktur zurück wie bei einem trockenen Schwamm, mit vielen Hohlräumen, wo vorher die Giftstoffe waren. Dies erhöht die Rauigkeit (wie bei einem trockenen Schwamm) und damit Widerstand und Treibstoffverbrauch. Dazu fällt

die Auslaugrate exponentiell ab. Am Anfang wird viel zu viel Gift ausgeschüttet und am Ende zu wenig, so dass der Schutz dann spürbar abnimmt. So mussten die Schiffe anfangs etwa jedes Jahr ins Trockendock, um einen neuen Anstrich zu erhalten.

Die Lösung hieß zunächst »self-polishing copolymers« (SPC). Hier löst sich die umgebende Farbe (Matrix) ebenfalls langsam im Wasser auf. Da die eingebetteten Giftstoffe und die umgebende Matrix (aus einem Copolymer bestehend) sich gleichmäßig gemeinsam auflösen, bleibt die Oberfläche automatisch glatt. Sie sind »selbst-polierend«. Verschiedene Varianten dieses Grundthemas sind im Laufe der Zeit entwickelt worden, um spezielle Lösungen für Schiffstypen, Geschwindigkeiten und Einsatzgebiete anbieten zu können.

Der Giftstoff der Wahl war lange Zeit TBT (= tributyltin, deutsch Tributylzinnhydrid). Diese Organozinn-Verbindung ist hochgiftig. Daher reichten auch geringe Konzentrationen, um das Schiff vor Bewuchs zu schützen. TBT schützte wirksam für fünf Jahre (also die Zeit, nach der das Schiff ohnehin wieder ins Dock musste) vor Bewuchs und nennenswertem Widerstandszuwachs. Es war zudem relativ preiswert und leicht in der Handhabung. Das Antifouling-Problem schien endlich gelöst zu sein. Aber in den früher 1980er Jahren mehrten sich die Berichte, dass TBT nicht nur ungewünschten Bewuchs am Schiff abtötete. Viele andere Meerestiere, darunter auch Fische, wurden langsam vergiftet. Meeresbiologen und Umweltschützer schlugen Alarm. Mit einiger Verzögerung setzten sich die Bedenken auch bei der Internationalen Seeschifffahrtsorganisation (IMO) durch – TBT wurde zunächst für die Sportschifffahrt verboten, später dann für alle Schiffe. Seit 2008 sind TBT-Farben in Schifffahrt und Meerestechnik weltweit verboten. Eine neue Ära begann.

Kupferfarben – erste Menetekel

Kurzfristig hat die Industrie eine nahe liegende Lösung gewählt – toxische Anstriche auf Kupferbasis. Da TBT 10 bis 20mal giftiger ist als die Kupferverbindungen, brauchen Kupferfarben höhere Auslaugraten als TBT Anstriche. Es wird mehr Farbe gebraucht und der Schutz ist weniger effektiv. Den Kupferverbindungen werden diverse Herbizide und Fungizide (= Gifte gegen Pflanzen und Pilze) beigemischt, um ein Breitbandspektrum an Schutz herzustellen. Diese Beimischungen werden im Fachjargon bisweilen etwas irreführend als »Booster« bezeichnet. Obwohl teurer und weniger wirksam als TBT, wurden Kupferfarben nach dem TBT-Verbot von der Industrie quasi als Standardlösung angenommen. Es kursiert die unbestätigte Schätzung, dass 2010 rund 90% der Weltflotte Kupferfarben einsetzte.

Es gibt aber Grund zur Sorge: Einige »Gladiator«-Organismen haben bereits eine Kupferresistenz entwickelt. Dies

ist Grund zur Sorge, insbesondere im Hinblick auf andere Organismen, die quasi Huckepack auf einer Schicht resistenter Organismen eingeschleppt werden können.

Meeresbiologen schlagen zudem vermehrt Alarm. Die ersten Staaten (Washington in den USA, Schweden) haben bereits Verbote bzw. Beschränkungen für Kupferfarben in der Sportschifffahrt beschlossen. So fing es auch bei TBT an.

Das Vorbeugeprinzip (»precautionary approach«) ist ein juristisches Damoklesschwert in diesem Zusammenhang. Plakativ ausgedrückt verlegt das Vorbeugeprinzip die Beweispflicht auf die Industrie. Betroffen sind zunächst sicherlich die Farbhersteller, aber noch mag niemand garantieren, dass Charterer und Reeder hier völlig aus der Pflicht genommen werden. Die Industrie muss nach dem Vorbeugeprinzip nachweisen, dass eine Substanz unschädlich ist. Die EU hat das Vorbeugeprinzip als flaggenstaatliche Forderung festgelegt. Es wird erwartet, dass es auch auf künftige IMO-Regularien für Antifouling Anwendung finden wird.

Viele Häfen verbieten außerdem die Reinigung von Schiffen in ihren Gewässern. Dies liegt teilweise an der Furcht vor dem Einschleppen fremder Organismen, teilweise aber auch an der Furcht vor einer Kontamination des Hafenschlicks. Die Entsorgung von toxischem Hafenschlick wird zunehmend eine problematische und teure Aufgabe für Häfen.

Man kann nur spekulieren, wann es zu einem globalen Verbot der zurzeitig so populären Kupferfarben kommen wird. Dies mag in ähnlichen Zeitmaßstäben erfolgen wie seinerzeit für TBT. Es werden aber überzeugende Alternativen gebraucht, bevor ein derartiges Verbot sinnvoll ausgesprochen werden kann.

Viele Kandidaten

Im Laufe der Zeit sind viele Alternativen zu toxischen Antifouling-Farben angedacht und patentiert worden. So manche Idee, die zur Zeit ihrer Erfindung nicht praktikabel war, wird heute im Licht heutiger technischer Möglichkeiten erneut unter die Lupe genommen. Zu den Alternativen gehören:

LSE-Farben (low surface energy)

Fouling kann verhindert werden, indem man die mechanische Haftung für Organismen schwierig macht. Je niedriger die Oberflächenenergie einer Substanz ist, desto schwieriger kann man an ihr haften. Das Prinzip ist von Teflonpfannen bekannt. Selbst wenn Fouling nicht ganz verhindert werden kann, so sind solche Oberflächen leicht durch Abwischen oder Abspülen zu reinigen. Schnelle Boote können selbstreinigend sein, aber für Schiffe ist in der Regel externe Reinigung nötig, besonders in Bereichen niedriger lokaler Geschwindigkeit (Bugstrahl-Tunnel oder Seekästen).

Viele LSE-Farben benutzen Fluor-Silikon-Verbindungen. Das macht sie zu chemischen Verwandten von Teflon. Sie enthalten keine Biozide und behalten ihre Wirksamkeit, solange die Farbe nicht zerkratzt oder anderweitig beschädigt wird. Leider sind sie aber auch ähnlich wie Teflon empfindlich und zerkratzen leicht. Danach kommt es dann schnell zu Bewuchs an den beschädigten Stellen. Im rauen Alltag vieler Schiffe nimmt dann im Laufe der Zeit der Schutz deutlich nach und die Treibstoffkosten erhöhen sich entsprechend.

Regelmäßige Reinigung

Ein Patent aus dem Jahr 1862 sah vor, Schiffe mit mechanischen Automaten mit rotierenden Klingen zu reinigen. Diesen Vorschlag kann man als frühe Version heutiger Robotersysteme zur mechanischen Reinigung der Außenhaut ansehen. Reinigungsstrategie und Anstrich können nicht voneinander losgelöst gewählt werden. Kupferfarben geben Giftstoffe unter Reibung im Wasser frei. Also wird Bürsten oder Wischen mehr Giftstoffe freisetzen und jede Reinigung zu einem schnelleren Verschleiß der Farbe führen. LSE-Farben werden durch hartes Bürsten beschädigt und sollten eher häufig weich vom Biofilm gesäubert werden. Harte Oberflächenbeschichtung ist dagegen für häufige, auch kräftige Reinigung geeignet. Surface Treated Composite (STC) Beschichtungen enthalten kleine Glasplättchen. Die Beschichtung wird glashart, lässt sich aber wie eine Farbe auftragen. Die Beschichtung an sich schützt nicht vor Bewuchs, aber sie erlaubt häufige Reinigung. »Häufig« kann hier durchaus alle zwei Wochen bedeuten. Die STC-Farben gibt es; was fehlt, ist schnelle und preiswerte Unterwasserreinigung als komplementäre Technologie. Jüngste Entwicklungen bei der Unterwasser-Roboterreinigung sind in dieser Hinsicht hochinteressant. Es wird aber noch Jahre dauern, bevor derzeitige Prototypen zur Serienreife kommen und weit verfügbar sind.

Biologisch inspirierte Oberflächen

Natürliche Oberflächen von z. B. Haifischen oder Lotusblumen verhindern durch ihre Oberflächenstruktur das Haften von Organismen. Es gibt verschiedene Ansätze, diesen Effekt künstlich in Oberflächenbeschichtungen nachzuempfinden. Der »Lotuseffekt« für wasserabweisende und schmutzabweisende Farben wird bei sogenannten Antigraffiti-Anstrichen bei Häusern benutzt. Für maritime Anwendungen hat sich der Begriff »Nano-Coatings« durchgesetzt. Nano-Coatings sind ein Wachstumsmarkt für die maritimen Farbhersteller, aber einer der großen Farbhersteller sagte in persönlicher Kommunikation, dass die Performance der Nano-Coatings noch nicht besser ist als die guter LSE-Farben. Das Fraunhofer-Institut arbeitet an einem Lack mit mikroskopisch feinen Rillen, so genannten »Riblets«, die der Haifischhaut nachempfunden sind. Großflächige Beschichtung geschweißter Stahlflächen wurde bereits erfolgreich getestet. Zu den noch ungelösten Problemen gehören langfristiger Verschleiß, Wiederauftragung und Auftragung an stark gekrümmten Oberflächen. »Flocked Surfaces« ahmen Robbenpelze nach. Ein Teppich aus Mikrofasern verhindert dann mechanisch die Ansiedlung von Makrofouling. Derartige Systeme wurden erfolgreich in den Niederlanden getestet.

Metallbeschichtung

Metallbeschichtung als Antifouling-Maßnahme hat eine lange Geschichte. Die alten Griechen benutzen Bleiplatten. Im 19. Jahrhundert wurden Kupferplatten auf Holzschiffe der Marine und einige schnelle Clipper genagelt. Nur wenige konnte sich diese teure Maßnahme leisten. Aber Kupfer und Eisen (oder Stahl) vertragen sich nicht. Zusammen mit Seewasser kommt es zu galvanischer Korrosion. Mit dem Siegeszug des Stahlschiffs in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts verschwand dann die Kupferbeschichtung erst einmal für lange Zeit in der Schublade. Erst in den 1980er Jahren gab es vereinzelt Ansätze, Metallbeschichtungen zum Antifouling von Schiffen wieder zu erforschen. Forschungsteams aus Japan und den USA konnten zwar mit einigen Legierungen zumindest zufriedenstellenden Schutz erreichen. Zur Beschichtung muss aber der gesamte Rumpf in ein Metallbad eingetaucht werden. Neben den hohen Kosten lässt dies zumindest zur Zeit Metallbeschichtung als eine Sackgasse erscheinen.

Luft- oder Gasteppich

Im letzten Jahrhundert gab es diverse Patente zur Gaseinleitung (Chlorgas, Dampf) unter den Rumpf. In jüngster Zeit macht Luftschmierung bei Schiffen zur Verminderung des Widerstands Schlagzeilen. Es bleibt abzuwarten, welchen Effekt Luftblasenteppiche auf Fouling am Schiffsboden haben, aber die Option ist auf alle Fälle impraktikabel für die vertikalen Seitenwände.

Elektrische Systeme

Bereits 1891 patentierte Edison seine Ideen für ein elektrisches Antifouling-System. 1907 wurde erstmalig in den USA ein Patent ausgestellt, das vorsah, ein Schiff durch eine Grenzschicht aus Gasen zu schützen, die durch Elektrolyse gewonnen werden sollten. Das war zunächst lange Zeit nicht praktikabel. Dann wurde diese Idee in den 1960er Jahren in Japan wieder aufgenommen. Anfang der 1990er führte Mitsubishi Heavy Industries kommerziell ein elektrisches Antifouling-System namens »Magpet« vor. Durch Elektrolyse wird Seewasser aufgespalten und eine ionisierte Chlorschicht lagert sich an einer positiv geladenen Außenhaut an. Der dünne Film schützt die Außenhaut. Werden die chemisch instabilen Ionen durch die Fahrt des Schiffes weggespült, so reagieren sie wieder zu Seewasser.

Es kommt also nicht zu einer langsamen Vergiftung des Seewassers. Auf der Außenhaut wird eine dreilagige Farbschicht aufgetragen. Die mittlere Schicht leitet Strom sehr gut und erzeugt die nötige positive Polung der Außenhaut, wobei etwa stündlich zwischen Steuerbord und Backbord gewechselt wird. Das System funktioniert nur in Salzwasser. Wahrscheinlich deswegen und aufgrund hoher Kosten wurde es nicht vom Markt angenommen.

Ultraschall-Systeme

In den 1960er Jahren wurden Antifouling-Systeme auf Basis von Ultraschall in Norwegen, England und Japan untersucht. Hochfrequente Vibrationen zerstören die Zellstrukturen des Bewuchses. Allerdings werden viele Ultraschallgeräte über den Rumpf benötigt, die ständig mit Energie versorgt werden müssen. Ultraschallsysteme sind erfolgreich bei Yachten eingesetzt worden, wobei Oszillatoren im Abstand von etwa 6m angeordnet wurden.

Für große Handelsschiffe ergibt dies eine hohe Anzahl an Oszillatoren, die ein Netzwerk an Kabeln brauchen zur Stromversorgung. Wartung und Reparatur sind da schwierig zu realisieren.

Biofarben

Viele Meereslebewesen schützen sich vor Fouling, d.h. Bewuchs durch andere Meeresorganismen – offensichtlich ohne bleibenden Schaden an den Meeren anzurichten. Die Forschung versucht die Schutzmechanismen zu verstehen und dann künstlich nachzumachen. Allerdings steckt unser Wissen noch in den Kinderschuhen. Derartige Biofarben sind zurzeit Spekulation.

Keine klare Lösung

Es gibt keine klare Lösung für Antifouling, die leicht anwendbar, haltbar, wirksam und ökologisch ist. Aber es gibt Alternativen, die sich für eine Zeit nach den Kupferfarben anbieten. Es wird noch einige Forschung, interdisziplinäre Zusammenarbeit und Diskussion erfordern, bevor wir eine »endgültige« Lösung zum Antifouling gefunden haben. Das wachsende Verständnis für Problem und Lösungsansätze darf aber zumindest als ermutigendes Signal gesehen werden.