Nachhaltig – von Anfang an

Die Zahlen sprechen für sich: Bis zu 80 Prozent der Umweltauswirkungen eines Produktes werden bereits in der Planungsphase festgelegt. Neue Ansätze im Produktdesign sind damit eine entscheidende Stellschraube, um den Lebensweg eines Produktes möglichst ressourceneffizient, umweltfreundlich und kostengünstig zu gestalten. Besonders wichtig: eine reparierbare und recyclinggerechte Konstruktion – von Anfang an. Im Projekt DuroCycleFVK beispielsweise konstruiert eine Bremer Nachwuchsforschergruppe extrem haltbare Faserverbundkunststoffe, die wiederverwertet und repariert werden können. Auf der Suche nach neuen, nachhaltigen Rohstoffen rücken darüber hinaus zunehmend Abfälle in den Fokus der Forschung, beispielsweise Pflanzenreste wie im Projekt TaReCa, aus denen wertvolle Substanzen unter anderem für Kosmetik gewonnen werden – eine Grundlage für neue Geschäftsmodelle. Die damit verbundenen Gewinnerwartungen entscheiden über die erfolgreiche Umsetzung von Kreislaufinnovationen.

Ein Bund für die Ewigkeit?

Sie sind extrem leicht, bruch- und reißfest: Faserverbundkunststoffe. Ihr Einsatzgebiet reicht von Windkraftanlagen bis zur Automobilindustrie. Einmal in Form gebracht, lassen sich die Bauteile bisher allerdings nicht mehr verarbeiten. Das macht Reparaturen oder eine Rückführung in den Wertstoffkreislauf sehr kompliziert. Eine Bremer Nachwuchsforschergruppe entwickelt kreislauffähige Alternativen.

Windenergie – das klingt nach grüner Zukunft und sauberem Strom. Die riesigen Rotorblätter trotzen jahrzehntelang Wind und Wetter und wandeln kontinuierlich Strömungsenergie in Rotationsenergie um. Problematisch wird es, wenn eines der Rotorblätter repariert werden muss oder die gesamte Anlage altersbedingt abgebaut wird: Die Rotorblätter bestehen meistens aus Epoxidharzen, in die Glasfasern eingebettet sind – Fachleute sprechen von glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK). Dieser Verbund macht die Rotorblätter zwar extrem stabil, aber Reparaturen und Wiederverwertbarkeit sind aufwendig und kompliziert. Nur mit viel Energie oder noch mehr Chemie lassen sich Fasern und Kunststoff wieder trennen. Deshalb werden ausgediente Rotorblätter in der Regel verbrannt. Zurück bleibt eine wenig stabile Kurzfaser, die als Füllstoff eingesetzt wird: „Klassisches Downcycling – ein Killer für jede Ökobilanz“, sagt Dr. Katharina Koschek vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialwissenschaften IFAM in Bremen.

Faserverbundkunststoffe (FVK) stehen aber nicht nur in der Windenergiegewinnung hoch im Kurs: Sie gelten aufgrund ihrer Stabilität als idealer Werkstoff für den Leichtbau: Trotz ihres geringen Gewichtes sind sie extrem steif und bruchfest und eignen sich deshalb hervorragend für stark beanspruchte und stoßgefährdete Teile, zum Beispiel in der Automobilindustrie und im Mobilitätssektor. Aber auch aus der Luft- und Raumfahrt sind Kunststoffe im Verbund mit teuren, hochfesten Kohlenstofffasern (CFK) nicht mehr wegzudenken.

Nachhaltig produzieren

Ob Rotorblätter, Stoßstangen oder die Inneneinrichtung eines Flugzeugs – um kreislauforientierter und ressourcenschonender zu wirtschaften, wäre es erstrebenswert, bereits bei der Herstellung der Bauteile Kunststoffe zu verwenden, die zwar weiterhin extrem stabil sind, sich aber unter bestimmten Umständen verformen und trennen lassen. Was für Laien nach einem nicht allzu großen Aufwand klingt, stellt die Materialwissenschaft seit Jahren vor große Herausforderungen. „Jede Bindung auf molekularer Ebene, die wir auflösen, um den Faserverbund aufzutrennen, ist eine potenzielle Sollbruchstelle“, erklärt Koschek. Dennoch glaubt sie fest an Alternativen – und kann mit ihrer Nachwuchsgruppe „Rezyklierbare und umformbare Duromere zur Herstellung modulierbarer Faserverbundkunststoffe“, kurz DuroCycleFVK, schon gute Ansätze liefern. Im Fokus stehen Duromere, das sind Kunststoffe, die aus engmaschig vernetzten Makromolekülen bestehen und die die Matrix bilden, in die die Fasern eingebettet werden: gewissermaßen ein „Bund für die Ewigkeit“, den Koschek trennen will. Ganz anders als die Duromere verhalten sich die Thermoplaste: Diese Kunststoffe lassen sich bei bestimmten Temperaturen verformen und trennen – Legosteine beispielsweise. Die Polymere sind nicht miteinander verknüpft, sondern nur verknäult.

Die IFAM-Nachwuchsgruppe versucht nun, die Eigenschaften der festen, steifen Duromere mit den Eigenschaften der verformbaren Thermoplaste in einem neuartigen Kunststoff zu verknüpfen: Ziel sind stabile Faserverbundwerkstoffe, die sich thermisch oder durch andere Impulse wie Druck oder Licht mit bestimmter Wellenlänge verformen lassen. „Derart reversibel vernetzte Kunststoffe eröffnen ein breites Anwendungsspektrum“, erklärt die Bremer Forscherin. Einfache, flächige FVK ließen sich bei der Produktion von komplexen Bauteilen serienmäßig in Formgebungsprozesse wie Tiefziehen überführen. Auch das Recycling wäre einfacher und schonender.

DuroCycleFVK

Das Bild zeigt Dr. Katharina Koschek vom Fraunhofer IFAM.

Dr. Katharina Koschek leitet die BMBF-Nachwuchsgruppe
am Fraunhofer IFAM.

 

 

 

Die Nachwuchsgruppe forscht an reparier- und recyclebaren Faserverbundkunststoffen. Das BMBF fördert das Projekt im Rahmen der Förderinitiative „NanoMatFutur“.

Polymilchsäure als „grüne Alternative“

In Sachen Nachhaltigkeit geht die Forschergruppe noch einen Schritt weiter: Die acht Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter – darunter (Post-)Doktorandinnen und -Doktoranden sowie Studierende – forschen auch an Polymilchsäure, einem biologisch abbaubaren thermoplastischen Kunststoff aus nachwachsenden Rohstoffen, und an Flachs und Sisal als verstärkenden natürlichen Fasern. „Der Materialverbund würde sich beispielsweise
für die Innenverkleidung von Autos eignen und könnte erdölbasierte Kunststoffe wie Polypropylen ablösen“, so die Nachwuchsgruppenleiterin. Immerhin muss die Automobilindustrie mit Blick auf ihre Kohlenstoffdioxid-Bilanz strikte Auflagen erfüllen – neue Materialien wie die der Bremer bieten dabei neue Ansätze. „Und genau deshalb braucht es Nachwuchsgruppen wie die von Katharina Koschek: Die jungen Wissenschaftler verlassen mit ihren teilweise unkonventionellen Ideen ausgetretene Pfade und entwickeln neue Materialien“, sagt Hans-Jörg Clar vom Projektträger Jülich (PtJ), der das Projekt im Rahmen des Nachwuchswettbewerbs „NanoMatFutur“ im Auftrag des BMBF betreut. Daraus entstehen anders ausgerichtete Konzepte, die notwendig sind, um eine funktionierende Kreislaufwirtschaft in der Gesellschaft zu etablieren. „Bei unseren Netzwerktreffen im Zuge des Wettbewerbs sind viele Forscher aus verschiedenen Richtungen aufeinandergetroffen. Der Blick über den Tellerrand eröffnet Raum für neue Ideen“, sagt Clar. PtJ steht den Gruppen dabei nicht nur beratend zur Seite: „So wurden bereits in anderen Projekten Erfahrungen mit künstlichen und natürlichen Fasern gemacht – auf relevante Projekte und Know-how weisen wir hin und vermitteln Kontakte“, so Clar. Auch die IFAM-Forscherin Koschek ist begeistert von der Unterstützung durch den Projektträger: „Neue Kontakte zu potenziellen Industriepartnern sind entstanden.“ Und selbst wenn am Ende der Förderperiode noch kein fertiges Verbundmaterial entsteht: „Es geht darum, Impulse zu geben, Anreize für Unternehmen zu schaffen, in neue Materialien zu investieren, damit sie am Ende ressourceneffizienter und wirtschaftlicher Faserverbundkunststoffe herstellen und recyceln.“

Voll ausgeschöpft!

Landet die Paprika im Salat, hat die restliche Pflanze schon längst ausgedient. Das muss nicht sein, finden Forscherinnen und Forscher aus Aachen, Bonn und Jülich. Sie wollen aus den Blättern und Stängeln der Pflanze wichtige Inhaltsstoffe gewinnen und eine kaskadenartige Mehrfachnutzung etablieren. Wer profitiert? Der Gemüsebauer – und die Umwelt!

Sie sind knackig, frisch und gesund – immer mehr Deutsche lieben Paprikaschoten. Die Frucht aus der Familie der Nachtschattengewächse landet längst ganzjährig in allen Farben im Salat, auf der Pizza, in der Pfanne oder auf dem Grill. Kein Wunder also, dass immer mehr Gemüsebauern die Pflanze in ihre Produktpalette aufnehmen. Der klassische Weg: Die Pflanze wird im Gewächshaus ausgesät, gehegt und gepflegt, die Schoten werden geerntet und verkauft – Blätter, Stängel und Wurzeln enden hingegen als Kompost.

„Wenig effizient“, findet Dr. Alexandra Wormit von der RWTH Aachen und fügt hinzu: „Pflanzenreststoffe aus dem Gewächshaus besitzen deutlich mehr Potenzial.“ In einem Verbundprojekt mit dem Forschungszentrum Jülich und der Universität Bonn will die Pflanzenphysiologin dieses Potenzial heben – zunächst nur für die Paprikapflanze. „Wir wollen die Pflanze nach der Fruchternte als Produktionsfabrik nutzen, um bestimmte wertvolle Stoffe, sogenannte Sekundärmetabolite, herzustellen“, erklärt die Forscherin. Die Inhaltsstoffe sind vor allem für die Medizin, den Kosmetikbereich oder die Lebensmittelindustrie interessant. Diese Mehrfachverwertung der Paprikapflanze steht im Mittelpunkt des Projekts „Maßschneidern des Sekundärmetabolismus in gartenbaulicher Restbiomasse und Kaskadennutzung für eine ressourceneffiziente Produktion von wertvollen bioaktiven Substanzen“, kurz TaReCa, das Wormit mit Professor Björn Usadel von der RWTH Aachen koordiniert. Von den Ergebnissen soll am Ende der Gemüsebauer profitieren: Er verkauft nicht nur Früchte, sondern auch das restliche Pflanzenmaterial, das die Zusatzstoffe enthält.

Der Druck wächst!

„Noch ist es nicht so weit, da das Projekt erst Ende 2017 angelaufen ist, aber die maßgeschneiderte Kaskadenverwertung von Pflanzenresten könnte eine vielversprechende zusätzliche Einnahmequelle für Gemüsebauern sein“, bestätigt PtJ-Mitarbeiterin Dr. Eva Leiritz. Die Leiterin des Fachbereichs Agrarforschung betreut das Projekt im Rahmen der „Nationalen Forschungsstrategie Bioökonomie 2030“ des Bundesforschungsministeriums. Seit 2011 arbeitet sie in diesem Bereich und beobachtet, dass sich immer mehr Anbaubetriebe für Nachhaltigkeit und Kreislaufwirtschaft interessieren – auch weil der globale Druck wächst: „Aber es gibt noch viele Hürden zu nehmen: sowohl von gesetzlicher Seite her als auch in den Köpfen der Verbraucher“, so die Agrarwissenschaftlerin und ergänzt: „Im Grunde müsste die gesamte Obst- und Gemüseproduktion nach neuen Kriterien bewertet werden, die neben dem klassischen CO2-Footprint auch Faktoren wie Bodennutzung oder Bewässerung beinhalten“, denn die habe der Verbraucher oft gar nicht im Blick. Vor diesem Hintergrund will PtJ in künftigen Strategien den Verbraucher noch stärker einbinden. „Und wir dürfen langfristig nicht ,national klein‘ denken: Ob Spargel, Bananen oder eben Paprika – die Produkte kommen aus der ganzen Welt, eine ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft muss auch da greifen“, resümiert die PtJ-Mitarbeiterin. Umso wichtiger sei es, dass alle an einem Produkt beteiligten Unternehmen im Austausch stehen und an einem Strang ziehen.

Auch TaReCa verfolgt diesen Ansatz – zunächst noch auf Forschungsebene: In den Pflanzenkammern des Forschungszentrums Jülich wachsen die ersten Paprikapflänzchen, die später unter Praxisbedingungen in den Gewächshäusern des Campus Klein-Altendorf der Universität Bonn und in Straelen am Versuchszentrum der Landwirtschaftskammer NRW getestet werden. Verfahrenstechnikerinnen und -techniker vom Institut für Fluidverfahrenstechnik der RWTH Aachen entwickeln und optimieren die Extraktions- und Aufschlussprozesse für die in den Blättern versteckten Sekundärmetabolite, Ökonominnen und Ökonomen vom Institut für Lebensmittel- und Ressourcenökonomie der Universität Bonn bewerten das Marktpotenzial einzelner Inhaltsstoffe mit möglichen Einsatzbereichen in der Pharmazie, Ernährung oder Kosmetik. Im TaReCa-Industriebeirat wiederum warten bereits potenzielle Kunden auf wegweisende Ergebnisse – mit der Symrise AG beispielsweise ein Unternehmen, das sich auf Duft- und Geschmacksstoffe, kosmetische Grund- und Wirkstoffe sowie funktionale Inhaltsstoffe spezialisiert hat. „Eine Hürde wird sicherlich sein, weitere Gemüsebauern davon zu überzeugen, solche neuen Technologien zu implementieren“, sagt Leiritz.

Den Stress optimieren!

Zunächst müssen die Forscherinnen und Forscher nun jene Stressbedingungen finden, unter denen die Paprikapflanze am besten sekundäre Pflanzenstoffe wie Flavonoide produziert. Diese schützen die Pflanze vor zu viel Licht, wehren aber auch Schädlinge wie Viren oder Pilze ab. Außerdem zählen Flavonoide zu den effektivsten Antioxidantien, fangen also freie Radikale ab, die in Verdacht stehen, Krebs zu erzeugen, und sie werden in Zusammenhang gebracht mit einem regulierenden Einfluss auf den Blutdruck sowie der Vorbeugung gegen Herz-Kreislauf-Erkrankungen – kein Wunder, dass die Nachfrage steigt. „Die sekundären Pflanzenstoffe der Paprika sind längst noch nicht alle untersucht. Möglicherweise entdecken wir neue Metabolite, die für andere Anwendungen sehr wertvoll sind“, erklärt Wormit.

Und erst ganz am Ende des voll ausgeschöpften Paprika-Pflanzenlebens landen Blätter und Stängel in einer Bioraffinerie, wo sie in Plattform-Chemikalien umgewandelt werden. Eine Paprikapflanze – mehrere Nutzungsalternativen: Die gesamte Wertschöpfungskette wurde erweitert, ein wirtschaftlicher Mehrwert generiert, Ressourcen geschont. „Und wir designen unsere neuen Verfahren konzeptionell so, dass sie sich langfristig auch auf andere Gartenbaupflanzen übertragen lassen“, prognostiziert die Pflanzenphysiologin.

Das Projekt TaReCa in vier Schritten:

Die Grafik bildet die einzelnen Schritte innerhalb des Projekts TaReCa ab.

Quelle: Projektträger Jülich, Forschungszentrum Jülich GmbH

Hinweis

Die Texte stammen aus dem Dossier „Zirkuläre Wirtschaft“ des PtJ-Geschäftsberichts 2017.

Redaktion:

  • Projektträger Jülich
  • Katja Lüers

Bildnachweise


  • Bild „Nachhaltig – von Anfang an“: 06photo/iStock/thinkstock
  • Bild Dr. Katharina Koschek: Fraunhofer IFAM
  • Bild "Voll ausgeschöpft!": orinoco-art/iStock/thinkstock

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