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Forscher der Universität Kopenhagen haben ein Pflaster entwickelt, mit dem sich Schuppenflechte einfacher und wirksamer behandeln lässt. Die Methode kann auch bei der Behandlung anderer entzündlicher Hautkrankheiten eingesetzt werden.

4 bis 5 Prozent der dänischen Bevölkerung leiden an Psoriasis, einer der häufigsten Hautkrankheiten der Welt. Die entzündliche Krankheit ist durch einen roten Ausschlag mit weißen Schuppen gekennzeichnet, der in Form, Größe und Schweregrad variieren kann.

Heute gibt es mehrere Behandlungsmöglichkeiten für Psoriasis-Patienten. Zu den gängigsten gehören Cremes und Salben. Das Problem ist, dass die Creme mehrmals am Tag aufgetragen werden muss und ein fettiges Gefühl auf der Haut hinterlässt, weshalb einige Patienten sie häufig nicht konsequent anwenden, was aber für den Behandlungserfolg entscheidend ist.

Jetzt haben Forscher der Universität Kopenhagen den Prototyp eines Pflasters entwickelt, das dieses Problem für Patienten mit kleineren, abgegrenzten Bereichen der Plaque-Psoriasis lösen könnte.

„Wir haben ein trockenes Pflaster entwickelt, das Wirkstoffe zur Behandlung von Psoriasis enthält und das die Häufigkeit der Anwendung auf einmal pro Tag reduziert. Es hat das Potenzial, die Behandlung für Plaque-Psoriasis-Patienten angenehmer zu machen“, sagt Juniorprofessorin Andrea Heinz vom Fachbereich Pharmazie, die als Autorin einer Reihe von Artikeln die Fähigkeit des Pflasters zur Behandlung von Plaque-Psoriasis untersucht hat.

Ein Pflaster mit mehreren Funktionen
Das Pflaster ist so konzipiert, dass es zwei Wirkstoffe auf einmal enthält und sie unterschiedlich schnell an die Haut abgibt.

„Das ist wirklich clever, denn die Behandlung von Psoriasis erfordert oft mehr als ein Produkt. Die beiden Wirkstoffe werden auf kontrollierte Weise und in unterschiedlicher Geschwindigkeit freigesetzt, da sie unterschiedlichen Funktionen dienen: Salicylsäure wird sofort freigesetzt, um die abgestorbenen Zellen, die sich auf der Haut angesammelt haben, zu entfernen, während Hydrocortison die Entzündung der Haut verringert - ein Prozess, der mehr Zeit benötigt“, sagt die Erstautorin der Studien Anna-Lena Gürtler und fügt hinzu:

„Wir haben den Prototyp an Schweinehaut und menschlichen Hautzellen getestet und die Ergebnisse mit den in der Apotheke erhältlichen Cremes und Salben verglichen, und unsere Studien zeigen, dass das Pflaster genauso wirksam ist wie die Standardbehandlungen“.

Potential zur Behandlung weiterer Erkrankungen
Die Forscher verwendeten zur Herstellung des Pflasters das Elektrospinning - eine Methode, bei der eine Hochspannung an eine Polymerlösung angelegt wird, um synthetische Nanofasern herzustellen. Die Fasern werden dann zur Herstellung einer Fasermatte verwendet, die wie ein Pflaster auf die Haut geklebt werden kann.

Die Forscher arbeiten noch an dem Pflaster. Es sind noch weitere Forschungen, Produktentwicklungen und klinische Studien erforderlich, bevor die Methode einsatzbereit ist. Nach Ansicht von Andrea Heinz hat es jedoch ein großes Potenzial, das über die Behandlung der Schuppenflechte hinausgeht:

„Ein wirkstoffhaltiges Pflaster kann eine Alternative zu Cremes und Salben bei der Behandlung anderer entzündlicher Hauterkrankungen sein, zum Beispiel beim atopischen Ekzem. Auch im Zusammenhang mit der Wundheilung kann es nützlich sein.“

Membranen auf der Basis von natürlicher Seide und Zellulose können viele Verunreinigungen entfernen, „ewige Chemikalien“ und Schwermetalle eingeschlossen.

Die Wasserverschmutzung durch Chemikalien, die in der modernen Technologie verwendet werden, ist weltweit ein schnell wachsendes Problem. Eine kürzlich durchgeführte Studie der US Centers for Disease Control ergab, dass 98 Prozent der getesteten Personen nachweisbare PFA -Werte aufwiesen. Ein neues Filtermaterial, das von Forschern des MIT entwickelt wurde, könnte eine natürliche Lösung für dieses hartnäckige Verschmutzungsproblem bieten. Das Material, das auf natürlicher Seide und Zellulose basiert, ist in der Lage, viele dieser schwer abbaubaren Chemikalien sowie Schwermetalle zu entfernen. Die antimikrobiellen Eigenschaften des Materials können darüber hinaus zur Verhinderung der Verschmutzung der Filter beitragen.

Die Ergebnisse werden in der Fachzeitschrift ACS Nano in einem Artikel von Yilin Zhang, Postdoktorandin am MIT, Benedetto Marelli, Professor für Bau- und Umwelttechnik, und vier weiteren MIT-Mitarbeitern beschrieben.

PFAS-Chemikalien sind in einer Vielzahl von Produkten enthalten, darunter Kosmetika, Lebensmittelverpackungen, wasserabweisende Kleidung, Schaumstoffe zur Brandbekämpfung und Antihaftbeschichtungen für Kochgeschirr. Eine kürzlich durchgeführte Studie hat allein in den USA 57.000 Standorte identifiziert, die mit diesen Chemikalien kontaminiert sind. Die US-Umweltschutzbehörde schätzt, dass die Sanierung von PFAS jährlich 1,5 Milliarden Dollar kosten wird, um die neuen Vorschriften zu erfüllen, die eine Begrenzung auf weniger als 7 ppb im Trinkwasser vorschreiben.

Die Verunreinigung durch PFAS und ähnliche Verbindungen „ist in der Tat ein sehr großes Problem, und die derzeitigen Lösungen sind nur teilweise effizient oder wirtschaftlich“, sagt Zhang. „Deshalb haben wir diese völlig natürliche Lösung auf Protein- und Zellulosebasis entwickelt“, erläutert er.

„Wir sind zufällig auf das Projekt gestoßen“, sagt Marelli. Die ursprüngliche Technologie, die das Filtermaterial ermöglichte, hatte seine Gruppe für einen ganz anderen Zweck entwickelt - als Mittel zur Herstellung eines Kennzeichnungssystems, mit dem die Verbreitung von gefälschtem, oft minderwertigem Saatgut verhindert werden sollte. Sein Team hat einen Weg gefunden, Seidenproteine in einem umweltfreundlichen, wasserbasierten Tropfverfahren bei Raumtemperatur in einheitliche nanoskalige Kristalle, so genannte Nanofibrillen, umzuwandeln.

Zhang vermutete, dass ihr neues Nanofibrillenmaterial Schadstoffe effektiv filtern könnte, aber erste Versuche mit den Seiden-Nanofibrillen allein funktionierten nicht. Das Team beschloss, ein weiteres Material hinzuzufügen: Zellulose, die im Überfluss vorhanden ist und aus landwirtschaftlichen Zellstoffabfällen gewonnen werden kann. Die Forscher wandten eine Methode der Selbstorganisation an, bei der das Seidenprotein Fibroin in Wasser suspendiert und dann durch Einlagerung von Cellulose-Nanokristallen zu Nanofibrillen geformt wird. Dadurch ordnen sich die zuvor ungeordneten Seidenmoleküle entlang der Fibrillen an und bilden die Grundlage für ein Hybridmaterial mit ausgeprägten neuen Eigenschaften.

Durch die Einbettung von Cellulose in Seidenfibrillen, die sich zu einer dünnen Membran formen lassen, und die anschließende Einstellung der elektrischen Ladung der Cellulose haben die Forscher ein Material hergestellt, das in Labortests Verunreinigungen sehr effizient entfernt.

Sie fanden heraus, dass die elektrische Ladung der Zellulose ihr auch starke antimikrobielle Eigenschaften verleiht. Dies ist ein entscheidender Vorteil, da eine der Hauptursachen für das Versagen von Filtrationsmembranen die Verschmutzung durch Bakterien und Pilze ist. Die antimikrobiellen Eigenschaften dieses Materials dürften das Problem der Kontamination deutlich verringern, so die Forscher.

„Diese Materialien können wirklich mit den derzeitigen Standardmaterialien für die Wasserfiltration konkurrieren, wenn es darum geht, Metallionen und diese neu auftretenden Verunreinigungen zu entfernen, und sie können sogar einige der derzeitigen Materialien übertreffen“, sagt Marelli. In Labortests konnten die Materialien um Größenordnungen mehr Schadstoffe aus dem Wasser entfernen als die derzeit verwendeten Standardmaterialien, Aktivkohle oder granulierte Aktivkohle.

Während die neue Arbeit als Beweis des Prinzips dient, so Marelli, will das Team weiter an der Verbesserung des Materials arbeiten, insbesondere im Hinblick auf die Haltbarkeit und die Verfügbarkeit der Ausgangsmaterialien. Die verwendeten Seidenproteine sind zwar als Nebenprodukt der Seidentextilindustrie verfügbar, aber wenn dieses Material in größerem Maßstab eingesetzt werden soll, um den weltweiten Bedarf an Wasserfiltration zu decken, könnte die Verfügbarkeit unzureichend sein. Außerdem könnten alternative Proteinmaterialien kostengünstiger sein, um die gleiche Funktion zu erfüllen.

Zunächst werde das Material wahrscheinlich als „Point-of-Use“-Filter verwendet, also als etwas, das an einen Küchenwasserhahn angeschlossen werden kann, sagt Zhang. Mit der Zeit könnte es auch zur Filterung von kommunalem Wasser eingesetzt werden, aber erst nachdem Tests gezeigt haben, dass dadurch keine Gefahr besteht, dass Verunreinigungen in die Wasserversorgung gelangen. Ein großer Vorteil des Materials sei jedoch, dass sowohl die Seide als auch die Zellulosebestandteile als lebensmittelecht gelten, so dass eine Verunreinigung unwahrscheinlich ist.

„Die meisten herkömmlichen Materialien, die heute auf dem Markt sind, konzentrieren sich auf eine Klasse von Verunreinigungen oder lösen einzelne Probleme“, sagt Zhang. "Ich glaube, wir gehören zu den Ersten, die alle diese Probleme gleichzeitig angehen.

„Was ich an diesem Ansatz so toll finde, ist, dass er ausschließlich natürliche Materialien wie Seide und Zellulose zur Bekämpfung der Verschmutzung verwendet“, sagt Hannes Schniepp, Professor für Angewandte Wissenschaften am College of William and Mary, der nicht an dieser Arbeit beteiligt war. „Konkurrierende Ansätze verwenden synthetische Materialien, die in der Regel nur noch mehr Chemie erfordern, um einige der negativen Auswirkungen zu bekämpfen, die die Chemie hervorgebracht hat. [Diese Arbeit durchbricht diesen Teufelskreis! ... Wenn dies wirtschaftlich in Massenproduktion hergestellt werden kann, könnte es wirklich einen großen Einfluss haben“.

Zu dem Forschungsteam gehörten die MIT- Postdoktoranden Hui Sun und Meng Li, der Doktorand Maxwell Kalinowski und der jüngste Absolvent Yunteng Cao PhD '22, der jetzt als Postdoktorand an der Yale University arbeitet. Die Arbeit wurde vom U.S. Office of Naval Research, der U.S. National Science Foundation und der Singapore-MIT Alliance for Research and Technology unterstützt.

Herstellung von Bags für den Transport von Süßwasser auf dem Seeweg: Planen sind großflächige Bahnen aus starkem, flexiblem und wasserabweisendem Material, die zum Schutz vor extremen Bedingungen verwendet werden. Das am häufigsten verwendete Material ist PVC-beschichtetes Polyester, das sich durch seinen niedrigen Preis und seine gute Widerstandsfähigkeit auszeichnet. Das Recycling dieser Produkte stellt jedoch eine große Herausforderung dar, da es keine kommerziellen Lösungen für das Recycling von Planen in großem Maßstab gibt. Seit Jahrzehnten versuchen Unternehmen, PVC-beschichtete Gewebe durch ein besser recycelbares Polymer zu ersetzen. Zwar gibt es einige Alternativen, doch sind diese in der Regel zu kostspielig, um mit PVC-beschichteten Geweben konkurrieren zu können, und sie erfüllen nicht in vollem Umfang die strengen Anforderungen an Sicherheit und Recyclingfähigkeit.
 
Das europäische Projekt TARPAULIFE soll die Möglichkeit aufzeigen, großflächige, mit Polyolefinen wie Polyethylen und Polypropylen beschichtete Gewebe zu fertigen, die in puncto Kosten mit PVC-beschichteten Geweben konkurrieren können und gleichzeitig deren Eigenschaften wie Festigkeit, Flexibilität, Undurchlässigkeit und geringere Umweltbelastung aufweisen. Dieses neue Material wird zur Herstellung von Säcken für den Transport von Süßwasser auf dem Seeweg verwendet, obwohl dieses innovative, nachhaltigere und wiederverwertbare Gewebe auch für andere Produkte, wie z. B. für LKW-Planen und Abdeckungen, verwendet werden kann.

Rina Consulting koordiniert dieses durch das europäische LIFE-Programm kofinanzierte Projekt, an dem die Unternehmen Ziplast, Nowa und Giovanardi sowie AIMPLAS beteiligt sind.

Das wesentliche Ergebnis wird eine Produktionsanlage für drei Meter breite polyolefinbeschichtete Gewebe mit einer Produktionskapazität von 250.000 m²/Jahr ein Jahr nach Ablauf des Projekts sein, das im Mai 2024 begonnen hat und zwei Jahre lang dauern wird. Die ausgewählte Hauptanwendung sind Wassersäcke, die eine innovative Form des Transports großer Mengen Süßwasser auf dem Seeweg darstellen, im Gegensatz zu den üblichen Formen des Transports in Tankern.

Nachhaltige Lösung von Wasserversorgungsproblemen
Diese Technologie wurde vor allem dafür entwickelt, um Wasser aus Gebieten mit einem hohen Wasseraufkommen in relativ nahe Gebiete zu transportieren, in denen es aufgrund von Dürreperioden, saisonalem Anstieg der Nachfrage durch den Tourismus und sogar in Notsituationen zu Versorgungsproblemen kommt. Diese Initiative hat bereits zu den von der Europäischen Kommission finanzierten Projekten REFRESH und XXL-REFRESH geführt, an denen AIMPLAS, RINA und Ziplast beteiligt waren und bei denen ein schwimmender Wassersack mit modularem Aufbau und Reißverschluss erfolgreich getestet wurde. Ziel des TARPAULIFE-Projekts ist es, beim Beschichtungsmaterial dieser Polyesterbeutel einen Schritt weiter zu gehen und PVC durch Polyolefine zu ersetzen, damit sie nachhaltiger und leichter zu recyceln sind.
 
Im Rahmen des Projekts werden daher zwei 2.500 m³ fassende Wassersäcke aus dem neuen Material hergestellt, die an zwei Standorten in Europa getestet werden sollen. Die Demonstration des Wassersacks wird ein Reservesystem für Süßwasser in der Nordsee vor der isländischen Küste sowie im Mittelmeer bereitstellen.

Dank der neuen Produktionsanlage für polyolefinbeschichtete Gewebe, die im Ziplast-Werk in Mailand stehen wird, werden drei Jahre nach Projektende voraussichtlich mehr als 100 Wassersäcke hergestellt und mehr als zwei Millionen Kubikmeter Wasser in drei Süßwasserspeichern vorgehalten werden. Die vorgeschlagene Lösung wird dazu beitragen, die Verbrennung von mehr als 2.000 Tonnen PVC zu vermeiden und zu verhindern, dass mehr als 13 Tonnen CO₂ in die Umwelt gelangen.
 
Allgemeine Ziele

• PRODUKTION
  Aufbau einer Produktionsanlage für beschichtete Strukturgewebe auf POLYOLEFIN-Basis mit einer Breite von 3 Metern und einer Produktionskapazität von 250.000 Quadratmetern pro Jahr - bereits 1 Jahr nach Abschluss des Projekts.
• PROTOTYPING
  Prototyping von zwei 2,5 Millionen Liter fassenden Wassersäcken, die mit den neuen beschichteten Geweben auf POLYOLEFIN-Basis hergestellt wurden; Quantifizierung der Umwelt- und LCA-LCC-Vorteile im Vergleich zur Verwendung von PVC-beschichteten Geweben.
• DEMONSTRATION
  Erprobung des Wassersacks, der als Reservespeicher für Süßwasser an zwei Orten in Europa, vor der Küste Islands und im Mittelmeer, eingesetzt werden soll.
• VERWERTUNG & ÜBERTRAGBARKEIT
  Nutzung und Wiederholung der Projektergebnisse in anderen Sektoren, insbesondere für die Herstellung von umweltfreundlichen LKW-Planen und Gletschereisabdeckungen, sowie Nachweis der Nachhaltigkeit durch Quantifizierung der Umwelt- und LCA-LCC-Vorteile im Vergleich zur Verwendung von PVC-beschichteten Geweben für alle vorgesehenen Anwendungen.
• VERBREITUNG & KOMMUNIKATION
  Eine effektive Verbreitung und Kommunikation der Projektergebnisse, die sich an Interessengruppen weltweit richtet.    

Konkrete Ziele

• Produktionsanlage mit einer neuen Beschichtungsanlage, die bis zu einer Warenbreite von 3.000 mm beschichten kann.
• Beschaffung von Ausrüstung: eine Webmaschine zur Herstellung von hochfesten Textilien mit einer Breite von 3.000 mm aus Polyolefinfasern.
• Integration der Komponenten und Tests: Die Kontrolle und Überwachung, dass die verschiedenen Systemkomponenten vollständig integriert sind und die Erwartungen in Bezug auf die Leistung erfüllen, ist von grundlegender Bedeutung.
• Produktionsläufe, Fehlerbehebung und Validierung.
• Entwurf von Prototypen.
• Beschaffung von Rohstoffen und Zusatzkomponenten.
• Herstellung von Reißverschluss- und Planenmustern.
• Vorführung des Wassersacks unter trockenen Bedingungen.
• Vorführung des Wassersacks auf See (Nordeuropa).
• Wassersack-Demo im Mittelmeer.
• Wirtschaftliche und ökologische Nachhaltigkeit.
• Management der Projektinnovation durch Anwendung einer sorgfältigen Verwertungs- und IPR-Managementstrategie und Sicherstellung der wirtschaftlichen Lebensfähigkeit aller wichtigen Projektergebnisse.
• Untersuchung der Replikation der entwickelten Lösungen für verschiedene Märkte und Anwendungen. Die erste Verwertung der TARPAULIFE-Ergebnisse wird in Europa erfolgen.
• Erstellung von Kommunikationsmaterial.
• Verbreitung über verschiedene Kanäle.
• Einhaltung der EU-Angaben in Bezug auf alternative Produkte zu PVC und zusatzstofffreie Produkte.

Das Projekt umfasst auch die Übertragung der Ergebnisse auf andere Sektoren, nämlich die Herstellung von umweltfreundlichen LKW-Planen und Gletscherplanen, sowie eine Demonstration der Nachhaltigkeit der neuen Polyolefin-Gewebebeschichtung durch Quantifizierung der Umwelt- und LCA-LCC-Vorteile im Vergleich zur Verwendung von PVC-beschichteten Geweben für alle vorgesehenen Anwendungen.

Das TARPAULIFE-Projekt wird von der Europäischen Union durch das LIFE-Programm unter dem Aktenzeichen 101147948 - LIFE23-ENV-IT-TARPAULIFE kofinanziert.

Die DITF stellen zusammen mit der Fiber Engineering GmbH ein Verfahren zur Herstellung biologisch abbaubarer Pflanztöpfe vor. Die Produkte sind kostengünstig und wettbewerbsfähig. Gleichzeitig wird mit der Herstellung die Ausbreitung der invasiven Wasserhyazinthe bekämpft, deren Biomasse als Rohmaterial für die Pflanztöpfe dient.

Eine invasive Art bekämpfen und gleichzeitig wirtschaftlichen Nutzen daraus ziehen? Was unvereinbar klingt, ist Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der DITF in einem Gemeinschaftsprojekt mit mehreren Firmen gelungen.

Die Wasserhyazinthe ist eine sich schnell ausbreitende Pflanze, die bereits in vielen Ländern der Erde als Gefahr für bestehende Ökosysteme erkannt worden ist. Besonders der afrikanische Viktoriasee leidet unter der großflächigen Ausbreitung der Wasserhyazinthe. Fischsterben durch Sauerstoffmangel, Entstehung von klimaschädlichem Methangas bei der Verrottung sowie eine Behinderung im Schiffsverkehr und in der Energiegewinnung sind Probleme, die dort besonders hervortreten. Sie geben einen düsteren Ausblick auf das, was sich auch in vielen anderen Ländern anbahnt. Denn als invasive Art breitet sich die Wasserhyazinthe durch menschliches Zutun weltweit in vielen Ökosystemen aus und bedroht damit die Lebensqualität der Menschen.

Es gibt bereits mehrere Ansätze, die Ausbreitung der Wasserhyazinthe einzudämmen. Im Vordergrund steht dabei die Aberntung der Pflanzenteppiche aus den Gewässern und die anschließende Verwertung der anfallenden Biomasse. An diesem Punkt setzt auch das von den DITF mitverantwortete Forschungsprojekt an, das es sich zum Ziel gesetzt hat, aus dem faserigen Pflanzenmaterial einen neuen, kostengünstigen Verbundwerkstoff herzustellen. Daraus ist der Prototyp eine Pflanztopfes entstanden, der konkurrenzfähig ist und alle technischen Voraussetzungen der gestellten Projektziele erfüllt.

Die Materialanforderungen, die der Pflanztopf erfüllen sollte, definierten die Projektpartner zu Beginn des Projektes. Dazu gehört eine gute Formstabilität, die auch im Feuchtzustand (Befüllen mit nasser Pflanzerde) gegeben sein muss. Die Verwendung physiologisch unbedenklicher Materialien ist wegen des Kontakts zu Nahrungspflanzen eine ebenso zu erfüllende Anforderung wie eine preisgünstige und damit wettbewerbsfähige Herstellungsmethode. Im Vordergrund steht jedoch die vollständige biologische Abbaubarkeit und die damit uneingeschränkte Kompostierbarkeit des Pflanztopfes.

Das Biomaterial für die Herstellung der Pflanztöpfe stammt aus Louisiana und wird dort direkt von der Firma In-Between International unter dem Produktnamen CYNTHIA® als aufbereitetes Fasermaterial vermarktet. Dieses Rohmaterial ist an den DITF umfassend hinsichtlich seiner Zusammensetzung und Eignung für technische Verarbeitungsprozesse untersucht und modifiziert worden. Es besteht vorwiegend aus Zellulose und muss für die weiteren Verarbeitungsschritte erst gesiebt und mit einem Hydrophobierungsmittel behandelt werden. Die Hydrophobierung ist notwendig, um den Pflanztöpfen eine gewisse Feuchtigkeitsbeständigkeit zu verleihen.

Das vorbereitete Rohmaterial muss nun mit einem Binder kombiniert werden. Er verklebt die Pflanzenfasern und sorgt für die Formstabilität des Pflanztopfes. In Laborversuchen mit verschiedenen Bindemitteln konnten diejenigen identifiziert werden, die eine gute Verarbeitbarkeit und formstabile Ergebnisse des Faserverbundes garantieren. Die Wahl fiel auf einen Thermoplast, der in einer Heißpresse einfach zu verarbeiten ist und der gleichzeitig die Anforderungen an die Bioabbaubarkeit vollständig erfüllt.

Weitere Laboruntersuchungen ermittelten das ideale Mengenverhältnis von Binder und Faserrohstoff. Dass die vollständige Bioabbaubarkeit gegeben ist und die Zersetzung der Pflanztöpfe in angemessener Zeit erfolgt – eine Standfestigkeit von 4 – 6 Wochen war als Projektziel vorgegeben - zeigten Versuche in einer industriellen Kompostierungsanlage.

Prüfmuster für alle diese Voruntersuchungen stellten die Forscherinnen und Forscher an einer Heißpresse in Form von Faserverbundplatten her. Nun hieß es, aus den vorbehandeltem Fasermaterial mit dem passenden Bindemittel erste Prototypen von Pflanztöpfen herzustellen. Diesen Teil übernahm der Projektpartner, die Fiber Engineering GmbH aus Karlsruhe. Diese Firma verfügt über umfassendes Know-how in der Fasereinblastechnik (Fiber-Injection-Molding, FIM), die es ermöglicht, 3-dimensionale Formteile aus Fasern in einfachen und schnellen Prozessschritten herzustellen. Ihr bestehendes Verfahren hat die Fiber Engineering GmbH für die Bearbeitung des Wasserhyazinthen-Fasermaterials optimiert. Sie stellte eine Reihe von Pflanztöpfen her und realisierte so den abschließenden Schritt des Projektziels.

Eine Kostenrechnung unter Einbezug aller verwendeten Materialien und Verfahren bestätigte, dass sich die Pflanztöpfe mit einem Herstellungspreis von unter fünf Cent pro Topf äußerst günstig und damit marktfähig herstellen lassen. Im täglichen Gebrauch werden Gärtnereien die haptischen Vorteile – die Festigkeit und Feuchtigkeitsresistenz trotz der Fähigkeit zu vollständiger Materialzersetzung – zu schätzen wissen. Dass das verwendete Material die Behebung eines weltweiten Umweltproblems unterstützt, dürfte ein weiterer Pluspunkt bei der Produktvermarktung sein.

Textile Exchange veröffentlichte 2013 den ersten „Materials Market Report“ als umfassende, jährliche Publikation, die spezifische Daten und Einblicke in die globale Faser- und Rohstoffproduktion bereitstellt.
 
Der „Materials Market Report“ enthält die aktuellsten verfügbaren Daten zu den globalen Produktionsmengen von Fasern und Materialien sowie programmspezifische Mengen und zusätzliche Informationen, wie etwa die Anzahl zertifizierter Standorte. Für die Zwecke dieses Berichts werden Leder, Gummi und Daunen als nichtfaserige Rohstoffe betrachtet und daher getrennt von dem Abschnitt und den Diagrammen zu „globalen Fasern“ aufgeführt.

Er trägt dazu bei, die Anstrengungen der Textilindustrie zur Reduzierung der mit der Rohstoffproduktion verbundenen Emissionen im Einklang mit einem Temperaturanstieg von 1,5 Grad zu informieren. Der Bericht hebt die Dringlichkeit hervor, den Übergang zu Fasern aus nachhaltigen Quellen zu beschleunigen, die Bemühungen zu intensivieren, die Abhängigkeit von neu gewonnenen fossilen Materialien deutlich zu reduzieren, und in Strategien zu investieren, die die Wertschöpfung von der Notwendigkeit der Gewinnung neuer Materialien trennen.

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Zusammenstellung globaler Marktdaten für Fasern und Rohstoffe eine Herausforderung darstellt und die Qualität der verfügbaren Daten oft begrenzt ist. Die Erhebung von Primärdaten von Lieferanten würde den Rahmen dieses Berichts sprengen, sodass sich Textile Exchange auf Sekundärdaten von Branchenverbänden, internationalen Organisationen, Regierungsorganisationen, Normungsgremien und Forschungsinstituten stützt.

Obwohl Textile Exchange diese Informationen nach bestem Wissen und Gewissen gesammelt, analysiert und zusammengestellt und sie, wo immer möglich, gegengeprüft hat, dient der Bericht nur zu allgemeinen Orientierungs- und Informationszwecken. Datenlücken und Unstimmigkeiten sind bei globalen Marktdaten weit verbreitet, sodass häufig Modelle angewendet werden mussten.

Die weltweite Faserproduktion erreichte 2023 mit 124 Millionen Tonnen einen neuen Rekord, wie aus dem neuesten Materials Market Report hervorgeht, der die Gesamtmengen für Bekleidung, Heimtextilien, Schuhe oder andere Anwendungen untersucht.

Die Daten zeigen, dass der Marktanteil von neu hergestellten Kunststoffen auf fossiler Basis im Jahr 2023 weiter gestiegen ist, während der Anteil von Baumwolle und recycelten Fasern zurückging. Weitere wichtige Ergebnisse aus den Daten des Berichts sind:     

• Rekordfaserproduktion: Trotz der Bemühungen der Branche hat sich die weltweite Faserproduktion seit dem Jahr 2000 mehr als verdoppelt. Die 124 Millionen Tonnen des letzten Jahres stellen einen Anstieg von 7 % gegenüber den 116 Millionen Tonnen im Jahr 2022 dar und werden voraussichtlich auf 160 Millionen Tonnen im Jahr 2030 ansteigen, wenn sich die aktuellen Trends fortsetzen.
• Synthetikfasern dominieren weiterhin: Die Produktion von neuen, auf fossilen Brennstoffen basierenden Synthetikfasern stieg von 67 Millionen Tonnen im Jahr 2022 auf 75 Millionen Tonnen im Jahr 2023. Polyester blieb mit einem Anteil von 57 % an der gesamten Faserproduktion die weltweit meistproduzierte Faser.
• Recycelte Kunstfasern stehen vor Herausforderungen: Obwohl die Produktion von recycelten Polyesterfasern im Jahr 2023 leicht gestiegen ist, ist der Gesamtmarktanteil von recyceltem Polyester von 13,6 % auf 12,5 % gesunken. Bei Polyamid (Nylon), der am zweithäufigsten verwendeten Kunstfaser, machten recycelte Fasern nur 2 % des gesamten Marktanteils aus. Diese Trends sind auf die niedrigeren Preise und die anhaltende Produktion von neuen Kunstfasern sowie auf die derzeitigen Einschränkungen bei den Recyclingtechnologien zurückzuführen. Weniger als 1 % des globalen Fasermarktes stammte aus recycelten Textilien aus dem Pre- und Post-Consumer-Bereich.
  
  Der kombinierte Anteil aller recycelten Fasern ging im Jahr 2023 leicht zurück, von etwa 7,9 % auf 7,7 %, was hauptsächlich auf eine Zunahme der Produktion von fossilem Polyester zurückzuführen ist, das zu niedrigeren Preisen als recyceltes Polyester angeboten wurde. Die Produktion von Synthetikfasern auf fossiler Basis stieg von 67 Millionen Tonnen im Jahr 2022 auf 75 Millionen Tonnen im Jahr 2023. Inzwischen stammte weniger als 1 % des globalen Fasermarktes aus recycelten Textilien, die vor und nach dem Gebrauch recycelt wurden.
• Die Baumwollproduktion verzeichnete einen leichten Rückgang: Die weltweiten Baumwollmengen sanken leicht von 25,1 Millionen Tonnen im Jahr 2022 auf 24,4 Millionen Tonnen im Jahr 2023. Der Anteil der im Rahmen von Nachhaltigkeitsprogrammen produzierten Baumwolle blieb jedoch stabil und machte 29 % der gesamten produzierten Baumwolle aus.
• Zertifizierte Wolle steigt: Die Daten zeigten positive Trends für Wolle, die nach Standards wie dem Responsible Wool Standard (RWS), ZQ, SustainaWOOL (GREEN und GOLD), dem Sustainable Cape Wool Standard (SCWS) und den Programmen von Climate Beneficial produziert wurde. Dieser Anteil stieg von 4,2 % im Jahr 2022 auf 4,8 % im Jahr 2023. Recycelte Wolle machte weiterhin etwa 6 % des globalen Wollmarktes aus.
• Zertifiziertes Mohair und Kaschmir erreichten fast die Hälfte des Marktanteils: Zertifizierte Fasern wie Mohair und Kaschmir verzeichneten ein bemerkenswertes Wachstum, beide mit Marktanteilen von 47 %.
  
  Die gestiegene Nachfrage der Branche nach verantwortungsvollen Tierfasern durch Programme wie den Responsible Mohair Standard (RMS) und den Responsible Alpaca Standard (RAS) fällt auf, die beide zu einem besseren Tierschutz und Umweltmanagement beitragen. Dies zeigt das Potenzial von Standards dieser Art auf Betriebsebene, die Marktakzeptanz nachhaltigerer Praktiken vor Ort zu erhöhen.
• Die Produktion chemischer Zellulosefasern stieg an: Die Gesamtproduktion von MMCF stieg von 7,4 Millionen Tonnen im Jahr 2022 auf 7,9 Millionen Tonnen im Jahr 2023, was 6 % des globalen Fasermarktes entspricht.

Der Marktbericht hebt die anhaltende Abhängigkeit von neuen, auf fossilen Rohstoffen basierenden synthetischen Materialien hervor, die die Verpflichtung der Branche zur Einhaltung ihrer Klimaziele zu untergraben droht. Er zeigt auch die derzeitigen Grenzen des Textil-zu-Textil-Recyclings auf und weist auf den dringenden Bedarf an innovativen Lösungen hin, da der größte Teil des recycelten Polyesters immer noch aus PET-Flaschen stammt.

„Wir hoffen, dass diese Daten als klarer Aufruf zum Handeln für die Branche dienen und sowohl die Erfolge als auch die kritischen Bereiche hervorheben, auf die wir uns stärker konzentrieren müssen, um die Klimaziele zu erreichen“, so Claire Bergkamp, CEO von Textile Exchange.

„Die Erschließung von Recyclingwegen für Textilien wird von entscheidender Bedeutung sein, um die Abhängigkeit von neuen synthetischen Materialien zu verringern. Ebenso wichtig ist es, diejenigen vor Ort weiterhin zu unterstützen, die den Übergang von konventionellen Systemen zu umweltfreundlicheren Materialien vorantreiben. Es ist dringender denn je, diejenigen zu unterstützen, die bereits in umweltfreundlichere Systeme investiert haben, und gleichzeitig den Übergang von konventionellen Systemen in großem Maßstab zu ermöglichen.“

Download des Materials Market Report 2024.

• Analyse von 2,7 Millionen Quadratkilometer in Indien auf Bio-Baumwolle
• Nachweislich 97 % Genauigkeit bei der Erkennung von Baumwollfeldern, über 80 % Genauigkeit bei der Bestimmung des Biostatus
• Ziel: Integrität und Verfügbarkeit von Bio-Baumwolle zu verbessern

Mit einem innovativen Technologieprojekt ermöglicht die Global Standard gGmH in Zusammenarbeit mit dem deutschen Tech-Start-up Marple und der European Space Agency (ESA) die Erkennung von Baumwollfeldern und ihres ökologischen Status auf Basis künstlicher Intelligenz in Kombination mit Satellitenbildern. Damit leisten die Projektpartner einen zukunftsweisenden Beitrag, den Anteil organisch angebauter Baumwolle in der weltweiten Wertschöpfungskette der Textilindustrie zu erhöhen und darüber hinaus die Integrität des Global Organic Textile Standard (GOTS) weiter zu stärken.

Die Nachfrage nach zertifizierter Bio-Baumwolle steigt seit Jahren kontinuierlich an. Konsumenten legen zunehmend Wert auf ökologisch verträgliche, fair produzierte Textilien und eine verlässliche Rückverfolgbarkeit der Produkte. Auf der anderen Seite liegt der Anteil von Bio-Baumwolle heute bei lediglich 1 bis 2 Prozent der weltweiten Baumwollproduktion. Mit einem einzigartigen Innovationsprojekt trägt die Non-Profit-Organisation Global Standard jetzt dazu bei, die Verfügbarkeit ökologisch angebauter Baumwolle zu erhöhen und auch kleinen Produzenten einen niedrigschwelligen Zugang zu einer Bio-Zertifizierung zu ermöglichen. Gleichzeitig kann Unternehmen und Konsumenten eine hohe Verlässlichkeit und Transparenz hinsichtlich der Rohstoffherkunft gewährleistet werden.

Erkennungen und Überprüfung organischen Anbaus mit Hilfe innovativer Technologie
Global Standard und seine Projektpartner, das Tech-Start-up Marple und die European Space Agency (ESA), setzen erstmals innovative Technologien auf Basis künstlicher Intelligenz sowie Satellitenbilder der ESA zur Identifizierung, Validierung und kontinuierlichem Monitoring von Anbaufeldern ein. Herzstück des Systems ist die Software „Cotton Cultivation Remote Assessment“ (CoCuRA) von Marple. Sein Algorithmus wird mit realen Geodaten trainiert, die im Rahmen einer Vermessung landwirtschaftlicher Flächen erhoben werden. Darauf aufbauend kann das System nicht nur mit einer Genauigkeit von 97 Prozent Baumwollfelder via Satellitenbild identifizieren, sondern auch nach ihrem ökologischen Status unterscheiden. Denn Baumwollfelder, die mit Pestiziden behandelt werden, haben eine andere Beschaffenheit als Felder mit organischem Anbau. Mit Hilfe selbstlernender Technologie und Echtzeit-Satellitenbildern erkennt das System, welche Baumwollfelder nach organischen Methoden bewirtschaftet werden und damit für eine Bio-Zertifizierung nach internationalem IFOAM Standard qualifiziert sind. Dies wiederum ist eine der Grundvoraussetzungen für GOTS-zertifizierte Produkte, bei denen mindestens 70 Prozent der verwendeten Fasern aus zertifizierten Biofasern bestehen müssen und alle Verarbeitungsstufen des Textilprodukts eine Zertifizierung nach strengen ökologischen sowie sozialen Kriterien erfordern.

In einem Pilotprojekt in Indien hat das Team rund 6.000 Felder vermessen und die Geodaten in die Software importiert. In der Folge hat der CoCuRA-Algorithmus rund 2,7 Millionen Quadratkilometer Land mit Baumwollanbau identifiziert. In den kommenden Jahren soll das Projekt skaliert und auf weitere Länder ausgeweitet werden.  

Global Standard bringt Produzenten und Textilunternehmen zusammen   
Für Unternehmen der Textilbranche bedeutet das Projekt einen unkomplizierten, verlässlichen und kosteneffizienten Zugang zu bio-zertifizierten Rohstoffen – und damit einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur Zertifizierung ihrer Produkte mit dem GOTS-Siegel. Auch für Baumwollbauern bringt die KI-gestützte Klassifizierung etliche Vorteile mit sich, wie einen langfristigen Anreiz, ihren Anbau nach ökologischen Standards umzugestalten oder einen niedrigschwelligen Zugang zu einer Bio-Zertifizierung ihrer Rohstoffe und einer attraktiven internationalen Kundenzielgruppe. Denn viele, insbesondere kleine Anbaubetriebe, arbeiten von jeher nach traditionellen Methoden, die den Standard einer Bio-Zertifizierung erfüllen.

Strukturell bedingt sind sie jedoch oftmals nicht zertifiziert, so dass ihre Ware nicht als BioBaumwolle anerkannt wird. Die Klassifizierung nach der neuen, satellitengestützten Methode kann dies ändern und kleinen Bauern oder Kollektiven eine attraktive Perspektiven bieten. „Indem wir Produzentinnen und Produzenten ökologisch zertifizierter Rohstoffe und verantwortungsvolle Unternehmen der Textilbranche zusammenbringen, tragen wir in hohem Maße dazu bei, den ökologischen Standard der Textilindustrie langfristig zu erhöhen. Dadurch verbessern wir für alle Menschen den Zugang zu nachhaltigen Produkten und kommen unserem Ziel, höchste soziale und ökologische Standards in textlichen Wertschöpfungsketten zu schaffen, einen wichtigen Schritt näher“, erläutert Claudia Kersten, Managing Director von Global Standard.

Mit innovativer Technologie die Zukunft gestalten
Gleichzeitig trägt das System effektiv dazu bei, Missbrauch und Betrug im Wertschöpfungsprozess der Textilindustrie vorzubeugen und die Transparenz des Global Standards weiter zu verbessern. Darüber hinaus ist die GOTS-Zertifizierung ein wirksames Instrument, das Unternehmen dabei hilft, gesetzliche Anforderungen weltweit zu erfüllen. „Die Zukunft gehört intelligenten Technologien. Und so müssen auch wir innovative und skalierbare Lösungen einsetzen, um auf kosteneffiziente Weise die flächendeckende Etablierung hoher Standards in der Textilindustrie zu erzielen und das Vertrauen der Industrie und der Konsumenten zu sichern“, betont Organic Production Specialist Jeffrey Thimm.

Das Recycling von Alttextilien steht vor einem möglichen Kollaps. Branchenkenner sind sich einig, dass die aktuelle Krise gravierender ist als die seinerzeitige COVID-19-Krise.
Bei „Corona“ gab es einen absehbaren Zeitraum von einigen Monaten, danach erholte sich die Branche recht schnell und durch den Effekt des Nachholbedarfs regulierten sich die Preise innerhalb eines kurzen Zeitraumes auf ein normales Niveau.
 
„Wir haben nun eine völlig andere Lage, die existenzbedrohend für viele der etablierten Alttextilrecycler der Branche ist“, so die Einschätzung von Stefan Voigt, Vorsitzender des Fachverbandes Textilrecycling (FTR) im bvse.
 
Der weltweite Markt für Alttextilien befindet sich schon seit längerer Zeit in einer tiefen Krise, die jetzt eine Stufe erreicht hat, die nur als freier Fall bezeichnet werden kann. Die Preise für Original-Sammelware decken seit dem Frühjahr nicht mehr die enormen Kosten für Containergestellung, Sammlung und Verwaltung.

Der am Markt gehandelte Preis für Originalware hat inzwischen einen historischen Tiefststand erreicht, was viele Marktteilnehmer in existenzielle Nöte bringt.

Der Absatz von Originalware und sortierter Ware ist nahezu unmöglich geworden. Durch den Wegfall etablierter Marktteilnehmer sind jahrelang erprobte Lieferketten zerstört worden, und die Lagerbestände von Original- und sortierter Ware haben bisher unbekannte Rekordmengen erreicht. Einige Marktteilnehmer sind gezwungen, das übliche Verkaufsgeschäft durch Tauschhandel zu ersetzen.

Auch die nachgelagerten Akteure in der Verwertungskette, wie Reißereien und Spinnereien, stehen nach Brancheninformationen unter Druck und haben massiv Personal abgebaut. Die Produktion von Putzlappen hat ebenfalls einen Tiefstand erreicht. Bedingt durch Produktionsverlagerungen ins Ausland und verringerte Inlandsproduktionen ist der Bedarf an Putzlappen gesunken, und die Preise sind auf ein sehr geringes Niveau abgerutscht.

Konsumverhalten und internationale Märkte verschärfen die Krise
Durch die allgemein hohe Kostenbelastung der Bevölkerung ist der Konsum von Textilien eingebrochen. Der negative Trend des Konsums von minderwertiger Fast Fashion wird nun durch Ultra Fast Fashion mit noch schlechterer Qualität verstärkt. Dies hat katastrophale Auswirkungen auf die Wertschöpfung innerhalb der Verwertungskette von Alttextilien.

„Im Sortierprozess werden immer öfter größere Mengen an relativ neuwertigen Textilien gefunden, die bereits so defekt sind, dass sie nicht mehr für den Weitergebrauch geeignet sind und somit in den Recyclingprozess eingebracht werden müssen“, erklärt Voigt. Allerdings sei auch hiermit kein Geld zu verdienen, da auf diesem Teil der Originalware die gleichen Kostenstrukturen lasten wie auf tragfähiger Ware und das Recyclingverfahren zudem sehr kostenintensiv ist.

Branche fordert Einführung eines EPR-Systems
Bislang wurde die Verwertung des Anteils der sortierten Ware durch die Erlöse tragfähiger Ware subventioniert, doch dieses System funktioniert schon seit Längerem nicht mehr. Die Branche wartet händeringend auf die Einführung eines nationalen EPR-Systems für Textilien, um eine Stabilisierung der Kosten zu erreichen.

Der kürzlich veröffentlichte Entwurf der EU-Kommission zur überarbeiteten EU-Abfallrahmenrichtlinie sieht die Einführung eines Systems der erweiterten Herstellerverantwortung für Textilien vor. Die in Deutschland existierenden Sammel- und Verwertungsstrukturen, die eine bürgernahe und getrennte Sammlung von Alttextilien ermöglichen, sollen dabei eine zentrale Rolle spielen.

Auch der Entwurf der Nationalen Kreislaufwirtschaftsstrategie (NKWS) des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz (BMUV) hebt die Bedeutung der nationalen Recyclingbranche für Alttextilien hervor. Ohne sie wäre die Etablierung eines geschlossenen Kreislaufsystems für Textilien nicht machbar.

Krise nicht auf Deutschland begrenzt
Auch international hat die Krise Wellen geschlagen. Länder wie die Niederlande, traditionell der größte Abnehmer von textiler Altware aus Deutschland, haben die Krise bereits in den nationalen Medien thematisiert. Dort sind fast 250 Unternehmen mit der Erfassung, Sortierung und internationalen Vermarktung von Alttextilien beschäftigt.

Rund 60 Prozent der Originalware wird nach der Sortierung als tragfähige Bekleidung weiterverwertet, sodass die Branche auf stabile Märkte angewiesen ist, in denen Verwertungserlöse erzielt werden können. Doch hier liegt das Problem. „Bedingt durch die Auswirkungen des russischen Angriffskrieges in der Ukraine ist der osteuropäische Markt nur noch bruchstückhaft zu bedienen“, erläutert Voigt.

Hinzu kommt, dass der afrikanische Markt, trotz seines Potenzials, derzeit vor enormen Herausforderungen steht, weil praktisch kein Geld mehr im System ist, fügt er hinzu und erläutert die Problematik, die er von vielen Befragten der Branche zu hören bekommt:
„Der enorme Werteverfall von vielen Währungen in diversen afrikanischen Ländern sorgt dafür, dass der Kauf von eigentlich dringend benötigter Second-Hand-Kleidung gegen harte Devisen dem afrikanischen Kunden immer weniger möglich ist“, so Voigt weiter.

So hat die Währung im äußerst wichtigen afrikanischen Markt Ghana im Verlauf der letzten sechs Monate des Jahres 2024 um ca. 20 Prozent zum EUR verloren. Zudem dauert der Transfer der Devisen mittlerweile bis zu zwei Monaten, so dass der Rücklauf der Verwertungserlöse mittlerweile bis zu einem halben Jahr benötigt.

Hinzu kommt, dass der afrikanische Markt zunehmend von chinesischem Einfluss dominiert wird. „Die eigentlich bessere Qualität guter gebrauchter europäischer Second-Hand-Kleidung kann sich kaum mehr gegenüber asiatischer Neuware durchsetzen“, berichtet Voigt. Die Ultra Fast Fashion aus China überschwemmt den Markt mit extrem günstigen Preisen, wodurch die Vermarktung sortierter, gebrauchter Bekleidung immer schwieriger wird.

Neben wirtschaftlichen Problemen gibt es auch logistische Herausforderungen. „Unsere Kunden berichten von immer größeren Schwierigkeiten, überhaupt in akzeptabler Wartezeit an die notwendigen Visa für einen Geschäftsbesuch in Europa zu kommen“, erklärt Voigt. Die Wartezeit für einen Termin im Konsulat kann derzeit bis zu zwei Monate betragen.

Forderung nach kurzfristigen Maßnahmen
Um einen kurzfristigen Kollaps des Systems zu verhindern, müssen laut Voigt die üblichen Vergütungsstrukturen für Kommunen und Stellplatzgeber für Sammelcontainer überdacht werden. „Verwertungserlöse finden eben seit einiger Zeit nicht mehr statt, also können derzeit solche nicht mehr ausgeschüttet bzw. müssen an die aktuellen Verhältnisse angepasst werden“, so Voigt.

Die Branche rechnet damit, dass die aktuelle Krise noch länger andauern wird. „Es werden wohl nicht alle überleben“, prognostiziert Voigt. Schon jetzt werden viele Sammelgebiete auf dem freien Markt angeboten und diverse Sammelkapazitäten werden ersatzlos aufgelöst. Die Zukunft der Alttextilrecyclingbranche bleibt ungewiss und ein Ende der Krise ist nicht in Sicht.

Pilze haben mehr zu bieten als auf den ersten Blick erkennbar. Ihre fadenförmigen Zellen, die wie ein Wurzelgeflecht unsichtbar und großflächig unter der Erde wachsen, bieten großes Potenzial, um nachhaltige, biologisch abbaubare Materialien herzustellen. Forschende am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP im Potsdam Science Park nutzen dieses Pilzmyzel, um damit unterschiedlichste, recycelbare Produkte zu entwickeln – vom Portemonnaie über Dämmmaterialien bis hin zu Verpackungen.

Flexible Myzelmaterialien in unterschiedlicher Dicke können als Polstermaterial, Dämmplatte oder Lederalternative verwendet werden.

Ein gewölbter Hut, ein Stiel – so sehen für uns die meisten Pilze aus. Doch der größte Teil des Organismus besteht aus einem Geflecht aus Zellfäden, dem Myzel, das sich meist unterirdisch ausbreitet und riesige Ausmaße annehmen kann. Dieses fein verzweigte Geflecht wurde bisher wenig genutzt. Doch für Forschende am Fraunhofer IAP in Potsdam ist das Pilzmyzel ein zukunftsweisender Rohstoff, der vielfältige Möglichkeiten bietet, erdölbasierte Produkte durch natürliche Bio-Myzel-Komposite zu ersetzen. Als Substrat für die Pilzkulturen dienen organische Reststoffe aus der regionalen Land- oder Forstwirtschaft. In verschiedenen Projekten nutzen die Forscherinnen und Forscher myzelbasierte Materialien, um daraus etwa Dämmmaterialien, Verpackungen und tierfreie Ergänzungen zu Lederprodukten herzustellen.

Myzelbasierte Materialien aus regionalen, landwirtschaftlichen Reststoffen
»Angesichts von Klimawandel und allmählich versiegenden fossilen Rohstoffquellen sind dringend biologisch abbaubare Materialien gefragt, die weniger energieintensiv produziert werden«, sagt Dr. Hannes Hinneburg, Wissenschaftler am Fraunhofer IAP. Gemeinsam mit seinem Team wandelt er mit Hilfe von Pilzmyzel – etwa von Speisepilzen oder Baumpilzen wie dem Austernseitling oder dem Zunderschwamm – lokal verfügbare pflanzliche Reststoffe in nachhaltige Werkstoffe um. »Das Myzel hat Eigenschaften, die sich für die Herstellung von umweltfreundlichen, energieeffizienten Materialien nutzen lassen, da das Wachstum der Pilze unter Umgebungsbedingungen stattfindet und CO2 in den Reststoffen gespeichert bleibt. Bei der Zersetzung von Zellulose und anderen organischen Reststoffen bildet es ein verdichtetes dreidimensionales Netzwerk und kann somit eine selbsttragende Struktur aufbauen«, erklärt der Biotechnologe. Das dabei entstehende Material ist eine komplexe Verbindung mit einem organischen Substrat wie Getreideresten, Holzspänen, Hanf, Schilf, Raps oder anderen landwirtschaftlichen Reststoffen. Diese Stoffe dienen dem Pilz als Nahrung und werden im Laufe des Stoffwechselvorgangs komplett von einem feinen Geflecht aus Myzel durchzogen. So entsteht ein rein organisches Verbundmaterial, das sich in eine gewünschte Form bringen und durch thermische Behandlung stabilisieren lässt. »Zunächst vermischt man Wasser mit landwirtschaftlichen Reststoffen wie Stroh, Hackschnitzeln und Sägespänen zu einer Masse. Nach der anschließenden Einstellung von Feuchtegrad und Partikelgröße und der darauffolgenden Hitzebehandlung zum Abtöten konkurrierender Keime liegt das Substrat vor. Es bildet die Nahrung für die Pilze und wird mit dem Myzel vermischt. Nach einer Wachstumsphase von etwa zwei bis drei Wochen im Brutschrank entsteht aus der Mixtur – in Abhängigkeit von der Rezeptur und Prozessführung – ein lederähnlicher Stoff oder ein Kompositmaterial, das sich weiterverarbeiten lässt«, fasst der Forscher den Herstellungsvorgang zusammen. Licht ist für diesen Vorgang nicht notwendig – ein Pluspunkt in Sachen Energieeffizienz.

Vielseitige Anwendungen: Festigkeit und Elastizität gezielt einstellbar
Die Pilzmaterialien lassen sich mit den unterschiedlichsten Eigenschaften züchten – je nach Anwendung können sie strapazierfähig, dehnbar, reißfest, dicht, elastisch, weich und fluffig oder offenporig sein. Über das Ergebnis entscheiden die Kombination von Pilzart und landwirtschaftlichen Reststoffen sowie variable Parameter wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit, aber auch die Dauer des Pilzwachstums beeinflusst das Endprodukt. Von dicken Blöcken bis hin zu hauchdünnen Schichten: Aufgrund der Vielseitigkeit des Materials kann es verschiedenste Formen annehmen und in den unterschiedlichsten Einsatzszenarien zur Verwendung kommen. So können aus den pilzbasierten Stoffen Textilpolsterungen, Verpackungen, Möbel, Taschen oder Dämmplatten für den Innenausbau entstehen. Bei der Verwendung als Baustoff funktioniert der Pilz primär als biologischer Kleber – dabei werden unterschiedlichste organische Partikel über das Myzel miteinander verbunden.

»Die zahlreichen positiven Eigenschaften des Materials – es ist wärmedämmend, isolierend, feuchtigkeitsregulierend und brandbeständig – ermöglichen einen wichtigen Schritt in Richtung kreislauffähiges und klimapositives Bauen«, so Hinneburg, der aktuell unter anderem einen neuartigen Styroporersatz zur Wärmedämmung entwickelt. In einem weiteren Projekt arbeitet er gemeinsam mit dem Institut für Lebensmittel- und Umweltforschung e.V. und der Agro Saarmund e.G. daran, umweltfreundliche, myzelbasierte Verpackungsschalen aus Rest- und Rohstoffen der lokalen Land- und Forstwirtschaft herzustellen. Zusammen mit Designern entwickelte er zudem das Ausgangsmaterial für tierfreie Alternativen zu Lederprodukten wie Taschen und Portemonnaies. Aufgrund ihrer ähnlichen Haptik können die myzelbasierten Werkstoffe ihre Pendants aus Leder in bestimmten Bereichen ergänzen.

Aufbau von industrialisierten Prozessen
In Europa sind bisher nur wenige Firmen aktiv, die myzelbasierte Materialien für den kommerziellen Einsatz entwickeln. Herausforderungen liegen hierbei unter anderem im Zugang zu biogenen Reststoffen sowie in der Sicherstellung einer konstanten Produktqualität und der effizienten Aufskalierung.

Hier setzen die Forschenden mit einem neu entwickelten Rolle-zu-Rolle-Verfahren an, für das sie bereits einen Prototyp entwickelt haben. Diese Methode bietet erhebliche Vorteile gegenüber der herkömmlichen Herstellung in Boxen und Regalsystemen: Einerseits stellen sie mit einer standardisierten, kontinuierlichen Produktion unter kontrollierten Prozessbedingungen (z. B. Temperatur und Feuchtigkeit) sicher, dass die myzelbasierten Produkte gleichbleibende Materialeigenschaften aufweisen. Andererseits können Ressourcen effizienter genutzt und die Produktion kann auf einen industrierelevanten Maßstab skaliert werden. »Dies ist entscheidend, um den wachsenden Bedarf der Industrie nach nachhaltigen Materialien zu decken und um langfristig unabhängiger von Erdöl zu werden. Durch den Einsatz von innovativen Technologien wie Künstlicher Intelligenz zur Optimierung der Kombination von Reststoffen und Pilzarten kann die Produktion zudem weiter optimiert werden«, so Hinneburg.

Als Sheet Moulding Compounds (SMCs) werden langfaserverstärkte Halbzeuge bezeichnet, mit denen sich im Fließpressverfahren komplexe Formteile mit hoher Oberflächenqualität herstellen lassen. Das Fraunhofer IWU Zittau und die Hochschule Zittau/Görlitz erforschen biologische Alternativen für Glasfasern in Verbundwerkstoffen. Das Ziel sind wirtschaftliche Herstellungsverfahren, damit schon bald der Umstieg auf weniger umweltbelastende biogene Reststoffe zur Faserverstärkung gelingt.

Die Einsatzmöglichkeiten für SMC-Bauteile sind vielfältig. Sie dienen als Innenverkleidungen in Zügen und Bahnen, Außenverkleidungen für LKW und Landmaschinen oder schützen elektrische Verteilerkästen und Schaltanlagen.

Dr. Rafael Cordeiro ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Kunststoffzentrum Oberlausitz und im LaNDER³-Projekt der Hochschule Zittau/Görlitz. Er arbeitet insbesondere an Zuginnenverkleidungen, bei denen die Glasfaser durch Naturfasern in Kombination mit Harz ersetzt wird. Als Naturfaser dient Hanf – genauer die gröberen Fasern, die als Nebenprodukt bei der Textilherstellung mit Hanf anfallen. Der Gewichtsanteil der Naturfaser im neu entwickelten SMC beträgt etwa 15 Prozent; durch den geplanten Einsatz von biobasiertem Harz als Matrix, also der Komponente, in der die Fasern eingebettet sind, steigt der »natürliche« Anteil künftig auf bis zu 38 Prozent. Hinzu kommen 55 Prozent Mineralstoffe wie Calciumcarbonat (bekannt als Kalkstein bzw. Kreide) oder Aluminiumhydroxidhydrat, das in der Natur als Bauxit vorkommt. Die verbleibenden 7 Prozent sind überwiegend petrochemische Zusatzstoffe, für die es derzeit noch keinen biobasierten Ersatz gibt. Nachfolgend wichtige Fakten zu Naturfaser-SMCs.

Herausforderungen für die Produktion
Eine Herausforderung für die Produktion ist, dass insbesondere Naturfasern Feuchtigkeit binden und in Ländern mit hoher Luftfeuchtigkeit eine vorherige Trocknung erforderlich sein kann, da sonst Blasenbildung auftreten kann. Die Blasenbildung hängt auch von der Imprägnierung ab.
Dr. Cordeiro: »Das Naturfaser-SMC ist so entwickelt, dass für die Produktion größerer Stückzahlen nur sehr geringe zusätzliche Anlageninvestitionen und nur minimale Prozessparameteränderungen erforderlich sind.«

Energieaufwand bei der Herstellung
Bei der Herstellung von Halbzeugen und Bauteilen durch Fließpressen gibt es hinsichtlich der Prozesse und der benötigten Energie keine signifikanten Unterschiede zwischen Naturfaser- und Glasfaser-SMCs. Die Halbzeugherstellung erfolgt bei Raumtemperatur, weshalb der Energiebedarf der Anlage relativ gering ausfällt. Die Umformung von Bauteilen findet in einem Heißpressprozess in hydraulischen Pressen statt, bei Temperaturen zwischen 110 °C und 150 °C. Dieses Temperaturfenster liegt unter dem von thermoplastischen Bauteilen und erfordert keine Kühlungs- bzw. Heizzyklen der Werkzeuge, mit entsprechend positiven Auswirkungen auf den Energiebedarf.

Auswirkungen auf Mensch und Umwelt
Wie bei allen Produkten aus Kunststoff besteht auch hier die Möglichkeit der Bildung von Mikroplastik durch Abrieb. Die am Fraunhofer IWU in Zittau entwickelten Naturfaser-SMCs sind jedoch für die genannten Anwendungen vorgesehen, bei denen es zu keinem intensiven Abrieb kommt. Die Substitution von Glasfasern durch Hanffasern führt zu einer erheblichen Reduzierung von Haut- und Atemwegsreizungen bei Mitarbeitenden im Bereich der Material- und Produktherstellung sowie beim Umgang mit beschädigten Teilen oder bei der Entsorgung. Darüber hinaus resultieren aus der Herstellung von Hanffasern deutlich geringere CO₂-Emissionen als bei Glasfasern, was die Umweltauswirkungen erheblich reduziert.

Haltbarkeit
Die typische Lebensdauer von Naturfaser-SMCs liegt bei bis zu 30 Jahren, abhängig davon, ob das Material für Innen- oder Außenanwendungen genutzt wird. Durch eine gezielte Einstellung des Matrix-Harzes lässt sich beispielsweise die Witterungsbeständigkeit erhöhen.

Biologische Abbaubarkeit, Recyclingfähigkeit
Ähnlich konventionellen SMCs können auch Naturfaser-SMCs nicht recycelt werden. Letztere sind zwar nicht als Ganzes biologisch abbaubar, allerdings laufen vielversprechende Versuche, um die Naturfaser von der Matrix und dem Füllstoff zu trennen, damit der Naturfaser-Anteil kompostiert und der Füllstoff wiederverwendet werden kann. Die Fasern sind nach der Trennung so klein, dass sie nicht mehr in SMC-Anwendungen weiterverwendet werden können. Zur technologischen Wiederverwendung der gewonnenen Kurzfasern besteht weiterer Forschungsbedarf.

Dr. Rafael Cordeiro: »Die Nachhaltigkeitsbilanz von Naturfaser-SMCs ist noch nicht perfekt. Aber sie ist schon heute wesentlich besser als bei glasfaserverstärkten Verbundmaterialien. Auch die Materialkosten stimmen. Somit sind die von uns entwickelten Alternativen zu klassischen Glasfaser-SMCs definitiv marktfähig. Die Herstellung nachhaltigerer SMC- Bauteile ist möglich.«

Das neue Textil, das in den Bereichen Bekleidung, Bauwesen und Lebensmittellagerung eingesetzt werden kann, reduziert sowohl die Wärme der Sonne als auch die Abstrahlung von Gebäuden in der Nähe.

In diesem Jahr gab es bereits massive Hitzewellen rund um den Globus, wobei in Städten in Mexiko, Indien, Pakistan und Oman Temperaturen von 50 Grad Celsius oder mehr erreicht wurden.

Mit dem Anstieg der globalen Temperaturen und der Stadtbevölkerung haben sich die Städte der Welt zu „städtischen Hitze-Inseln“ entwickelt, in denen sich die Temperaturen durch die dichte Bebauung und die Wärmeabstrahlung von Bürgersteigen und Wolkenkratzern noch weiter erhöhen. Da bis 2050 voraussichtlich 68 Prozent aller Menschen in Städten leben werden, ist dies ein wachsendes, tödliches Problem.

In einem in der Zeitschrift Science veröffentlichten Artikel beschreiben Forscher der UChicago Pritzker School of Molecular Engineering (PME) ein neues, tragbares Gewebe, das Stadtbewohnern helfen kann, die schlimmsten Auswirkungen der durch den globalen Klimawandel verursachten massiven Hitze zu überleben, mit Anwendungsmöglichkeiten für Kleidung, Gebäude- und Autodesign sowie Nahrungsmittellagerung.

In Tests unter der Sonne Arizonas blieb das Material 2,3 Grad Celsius (4,1 Grad Fahrenheit) kühler als das für Ausdauersportarten im Freien verwendete Breitband-emittierende Gewebe und 8,9 Grad Celsius (16 Grad Fahrenheit) kühler als die kommerzielle Seide, die üblicherweise für Hemden, Kleider und andere Sommerkleidung verwendet wird.

Das Team hofft, dass dadurch die hitzebedingten Krankenhausaufenthalte und Todesfälle vermieden werden können, die allein in diesem Jahr in den Ballungszentren der Welt zu verzeichnen waren.

„Wir müssen die Kohlenstoffemissionen reduzieren und unsere Städte kohlenstoffneutral oder kohlenstoffnegativ machen“, sagte PME-Assistenzprofessor Po-Chun Hsu. „Aber in der Zwischenzeit spüren die Menschen die Auswirkungen dieser hohen Temperaturen“.

„Man muss die Umgebungsbedingungen berücksichtigen“
Bestehende kühlende Textilien für Outdoor-Sportarten reflektieren das Sonnenlicht in einem diffusen Muster, damit es die Zuschauer nicht blendet. Aber in einer städtischen Wärmeinsel ist die Sonne nur eine Wärmequelle. Während die Sonne von oben brennt, entsteht für die Stadtbewohnern durch die Wärmestrahlung von Gebäuden und Straßenbelägen von den Seiten und von unten eine glühende Hitze.

Das bedeutet, dass viele Materialien, die in Labortests gut abschneiden, den Stadtbewohnern in Arizona, Nevada, Kalifornien, Südostasien und China nicht helfen werden, wenn die für die nächsten Wochen vorhergesagten massiven Hitzewellen über sie hereinbrechen.

„Normalerweise konzentrieren sich die Menschen auf die Leistung oder das Materialdesign von kühlenden Textilien“, sagte der Ronghui Wu, Postdoktorand am PME. „Um ein Textil zu entwickeln, das das Potenzial hat, im echten Leben eingesetzt zu werden, muss man die Umgebungsbedingungen berücksichtigen.“

Ein einfaches Beispiel für die Berücksichtigung der Umgebung ist, dass Menschen stehen. Sie tragen Materia-lien, die so konzipiert sind, dass sie direktes Sonnenlicht reflektieren, aber nur ihre Hüte, Schulterbedeckungen und die Oberseiten ihrer Schuhe - etwa 3 Prozent ihrer Kleidung - sind diesem direkten Licht ausgesetzt. Die anderen 97 Prozent ihrer Kleidung werden durch die Wärmestrahlung aufgeheizt, die von den Seiten und von unten auf sie einwirkt und gegen die das breitbandige emittierende Gewebe nichts ausrichten kann.

Die Sonne und der Bürgersteig erzeugen unterschiedliche Temperaturen. Die Entwicklung eines Materials, das die Träger vor beidem schützt, war eine große technische Herausforderung für das Team.

„Sonnenlicht ist sichtbares Licht, Wärmestrahlung ist Infrarotstrahlung, sie haben also unterschiedliche Wellenlängen. Das bedeutet, dass man ein Material braucht, das zwei optische Eigenschaften gleichzeitig hat. Das ist eine große Herausforderung“, sagt Chenxi Sui, ein Doktorand am PME. „Man muss mit der Materialwissenschaft spielen, um das Material so zu entwickeln und abzustimmen, dass man verschiedene Resonanzen bei verschiedenen Wellenlängen erhält.“

Die Folgekosten des Komforts
Die Kühlung eines Hauses bedeutet allzu oft eine Erwärmung des Planeten, wobei die Kohlenstoffbelastung durch Klimaanlagen und Kühlsysteme zum Klimawandel beiträgt.

„Unsere Zivilisation verbraucht etwa 10 bis 15 Prozent der gesamten Energie, nur damit wir uns wohlfühlen, egal wo wir sind“, sagte Hsu.

Die Bedrohung durch Hitze ist jedoch nicht gleichmäßig verteilt. In den USA und Japan haben mehr als 90 Prozent der Haushalte eine Klimaanlage, in Indien und Teilen Afrikas sind es nur 5 Prozent.

Das neue Textil des PME-Teams, für das ein vorläufiges Patent erteilt wurde, kann dazu beitragen, ein passives Kühlsystem bereitzustellen, das den Bedarf an energie- und kostenintensiven Systemen ergänzen und reduzieren kann.

Die Anwendungen gehen weit über Kleidung hinaus.

Eine dickere Version des Gewebes, die durch eine unsichtbare Polyethylenschicht geschützt ist, könnte an den Seiten von Gebäuden oder Autos verwendet werden, um die Innentemperaturen zu senken und die Kosten und die Kohlenstoffbelastung durch Klimaanlagen zu verringern. Ebenso könnte das Material für den Transport und die Lagerung von Milch und anderen Lebensmitteln verwendet werden, die sonst in der Hitze verderben würden, wodurch die Auswirkungen ihrer Kühlung verringert würden.

„Man kann eine Menge Kühl-, Strom- und Energiekosten sparen, da es sich um einen passiven Prozess handelt“, so Sui.