Textination Newsline

Die gesundheitsschädlichen Chemikalien PFAS sind mittlerweile in vielen Böden und Gewässern nachweisbar. Die Beseitigung mit herkömmlichen Filtertechniken ist sehr aufwendig und kaum realisierbar. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB setzen im Verbundprojekt AtWaPlas erfolgreich auf eine plasmabasierte Technologie. Kontaminiertes Wasser wird in einen kombinierten Glas- und Edelstahlzylinder eingeleitet und dort mit ionisiertem Gas – dem Plasma – behandelt. Das reduziert die Molekülketten von PFAS und ermöglicht so eine kostengünstige Beseitigung der toxischen Substanz.

Per- und polyfluorierte Alkylverbindungen, kurz: PFAS (engl.: per- and polyfluoroalkyl substances), haben viele Talente. Sie sind thermisch und chemisch stabil, dabei wasser-, fett- und schmutzabweisend. Dementsprechend findet man sie in vielen alltäglichen Produkten: Pizzakartons und Backpapier sind damit beschichtet, auch Shampoos und Cremes enthalten PFAS. In der Industrie finden sie Verwendung als Lösch- und Netzmittel. In der Landwirtschaft werden sie in Pflanzenschutzmitteln verwendet. Mittlerweile lassen sich Spuren von PFAS auch da nachweisen, wo sie nicht hingehören: im Boden, in Flüssen und im Grundwasser, in Lebensmitteln und im Trinkwasser. So gelangen die schädlichen Stoffe am Ende auch in den menschlichen Körper. Wegen ihrer chemischen Stabilität ist die Beseitigung dieser auch als »Ewigkeitschemikalien« bezeichneten Substanzen bisher mit vertretbarem Aufwand kaum möglich.

Das Verbundprojekt AtWaPlas soll das ändern. Das Akronym steht für Atmosphären-Wasserplasma-Behandlung. Das innovative Projekt wird derzeit am Fraunhofer IGB in Stuttgart gemeinsam mit dem Industriepartner HYDR.O. Geologen und Ingenieure GbR aus Aachen vorangetrieben. Ziel ist die Aufbereitung und Rückgewinnung PFAS-belasteter Wässer mittels Plasma-Behandlung.
Das Forschenden-Team um Dr. Georg Umlauf, Experte für funktionale Oberflächen und Materialien, macht sich dabei die Fähigkeit von Plasma zu Nutze, die Molekülketten von Substanzen anzugreifen. Erzeugt wird das elektrisch leitfähige Gas aus Elektronen und Ionen durch Anlegen von Hochspannung. »In unseren Versuchen mit Plasma ist es gelungen, die Molekülketten von PFAS im Wasser zu verkürzen. Das ist ein wichtiger Schritt hin zu einer effizienten Beseitigung dieser hartnäckigen Schadstoffe«, freut sich Umlauf.

Wasserkreislauf im Edelstahlzylinder
Für das Verfahren nutzen die Fraunhofer-Forschenden einen zylinderförmigen Aufbau. Im Inneren befindet sich ein Edelstahlrohr und dieses dient als Masse-Elektrode des Stromkreises. Ein äußeres Kupfernetz fungiert als Hochspannungselektrode und wird zur Innenseite hin durch ein Dielektrikum aus Glas abgeschirmt. Dazwischen bleibt ein winziger Spalt, der mit einem Luft-Gemisch gefüllt ist. Durch Anlegen von mehreren Kilovolt Spannung verwandelt sich dieses Luft-Gemisch in Plasma. Für das menschliche Auge wird es durch das charakteristische Leuchten und das Entladen in Form von Blitzen sichtbar.

Im Reinigungsprozess wird das mit PFAS kontaminierte Wasser am Boden des Stahltanks eingeleitet und nach oben gepumpt. Im Spalt zwischen den Elektroden fließt es nach unten und durchquert dabei die elektrisch aktive Plasma-Atmosphäre. Beim Entladen bricht das Plasma die PFAS-Molekülketten auf und verkürzt sie. Das Wasser wird in einem geschlossenen Kreislauf immer wieder durch den stählernen Reaktor und die Plasma-Entladezone im Spalt gepumpt, jedes Mal werden die PFAS-Molekülketten weiter reduziert bis zu einer vollständigen Mineralisierung. »Im Idealfall werden die schädlichen PFAS-Stoffe so gründlich beseitigt, dass sie in massenspektrometischen Messungen nicht mehr nachweisbar sind. Damit werden auch die strengen Regularien der Trinkwasserverordnung in Bezug auf die PFAS-Konzentration erfüllt«, sagt Umlauf.

Gegenüber herkömmlichen Methoden wie beispielsweise der Filterung mit Aktivkohle weist die am Fraunhofer IGB entwickelte Technologie einen entscheidenden Vorteil auf: »Aktivkohlefilter können die schädlichen Stoffe zwar binden, sie aber nicht beseitigen. Somit müssen die Filter regelmäßig ausgetauscht und entsorgt werden. Die AtWaPlas-Technologie dagegen kann die schädlichen Substanzen rückstandsfrei eliminieren und arbeitet dabei sehr effizient und wartungsarm«, erläutert Fraunhofer-Experte Umlauf.

Echte Wasserproben statt synthetischer Laborprobe
Um echte Praxisnähe zu gewährleisten, testen die Fraunhofer-Forschenden die Plasma-Reinigung gewissermaßen unter erschwerten Bedingungen. Konventionelle Testverfahren arbeiten mit perfekt sauberem Wasser und im Labor synthetisch angerührten PFAS-Lösungen. Das Forschenden-Team in Stuttgart dagegen verwendet echte Wasserproben, die aus PFAS-kontaminierten Gebieten stammen. Die Proben werden vom Projektpartner HYDR.O. Geologen und Ingenieure GbR aus Aachen zugeliefert. Das Unternehmen hat sich auf Altlastensanierung spezialisiert und führt daneben hydrodynamische Simulationen durch.

Die realen Wasserproben, mit denen Umlauf und sein Team arbeiten, enthalten daher neben PFAS auch weitere Partikel, Schwebstoffe und organische Trübungen. »Auf diese Weise stellen wir sicher, dass AtWaPlas seinen Reinigungseffekt nicht nur mit synthetischen Laborproben, sondern auch unter realen Bedingungen mit wechselnden Wasserqualitäten unter Beweis stellt. Zugleich können wir die Prozessparameter laufend anpassen und weiterentwickeln«, erklärt Umlauf.

Die Plasma-Methode lässt sich auch für den Abbau anderer schädlicher Substanzen einsetzen. Darunter fallen etwa Rückstände von Medikamenten im Abwasser, Pestizide und Herbizide, aber auch Industriechemikalien wie Cyanide. Daneben kommt AtWaPlas auch für die umweltschonende und kostengünstige Aufbereitung von Trinkwasser in mobilen Anwendungen infrage.

Das Verbundprojekt AtWaPlas startete im JuIi 2021. Nach den erfolgreichen Versuchsreihen im Technikums-Maßstab mit einem 5-Liter-Reaktor arbeitet das Fraunhofer-Team gemeinsam mit dem Verbundpartner daran, das Verfahren weiter zu optimieren. Georg Umlauf sagt: »Unser Ziel ist es jetzt, toxische PFAS durch verlängerte Prozesszeiten und mehr Umläufe im Tank vollständig zu eliminieren und die AtWaPlas-Technologie auch für die praktische Anwendung im größeren Maßstab verfügbar zu machen.« Zukünftig könnten entsprechende Anlagen auch als eigenständige Reinigungsstufe in Klärwerken aufgestellt werden oder in transportablen Containern auf kontaminierten Freilandflächen zum Einsatz kommen.

Fraunhofer-Forschenden ist es gelungen, aus bioresorbierbarem Kieselgel Renacer® eine elektroversponnene Membran herzustellen, die weder zell- noch gentoxisch ist. Diese Matrix ahmt Faserstrukturen nach, die im Bindegewebe vorkommen. Sie eignet sich daher insbesondere für regenerative Anwendungen, etwa für eine bessere Wundheilung.
 
Die Behandlung großflächiger sowie innerer Wunden ist eine Herausforderung und kann äußerst langwierig sein. Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC und des Fraunhofer-Instituts für Toxikologie und Experimentelle Medizin ITEM haben für diesen Anwendungsbereich eine bioresorbierbare Membran entwickelt, die die Wundheilung unterstützt und sich vollständig im Körper zu einer natürlichen Substanz biologisch abbaut.

Basis für die neuartige Membran ist ein am Fraunhofer ISC entwickeltes Faservlies, das für die Regeneration von chronischen Wunden, wie dem diabetischen Fuß, bereits medizinisch zugelassen ist. Das Material löst sich im Verlauf der Wundheilung nach sechs bis acht Wochen vollständig auf. Den Faserdurchmesser von 50 Mikrometer konnten die Forschenden um mehr als das 50fache verringern, sodass die Fasern nun Durchmesser von weniger als einem Mikrometer aufweisen. Dabei wendete das Team die Methode des Elektrospinnens an. Auf diese Weise konnten die Forschenden ein Kieselgelsol zu einer engmaschigen Kieselgelmembran aus Fasern mit einem Durchmesser von ca. einem Mikrometer verspinnen. Teilweise erzielten sie sogar Durchmesser von lediglich 100 Nanometern. »Diese Fasersysteme ahmen die extrazelluläre Matrix, also Faserstrukturen, die im Bindegewebe vorkommen, im Körper nach und werden von humanen Zellen sehr gut zur Regeneration angenommen. Sie verursachen keine Fremdkörperreaktionen und keine inneren Vernarbungen. Die neuartige Kieselgelmembran setzt nur ein Degradationsprodukt frei, die Monokieselsäure, die im Körper regenerierend wirkt und das Schließen von Wunden fördert«, erläutert Dr. Bastian Christ, Wissenschaftler am Fraunhofer ISC in Würzburg. Mit seinen Kolleginnen und Kollegen kümmerte er sich um die Synthese und die Verarbeitung des Materials.
 
»Während das ursprüngliche Faservlies aus 50 Mikrometer dicken Fasern von außen in eine chronische Wunde eingebracht wird, eignet sich das dünnere Faservlies auch für innere Anwendungen. Füllmaterial, das für Knochendefekte im Kiefer genutzt wird, könnte theoretisch damit abgedeckt werden, um so die Wundheilung zu beschleunigen«, beschreibt Dr. Christina Ziemann, Wissenschaftlerin am Fraunhofer ITEM und für die biologische Evaluierung des Materials zuständig, eine von vielen Einsatzmöglichkeiten. »Prinzipiell lässt sich die Membran im Körper mit bioabbaubaren Klebstoffen verkleben.«

Material ist weder zell- noch gentoxisch
Mittels eines Konfokalmikroskops, eines speziellen Lichtmikroskops, konnte gezeigt werden, dass die engmaschige Membran, die als Demonstrator vorliegt, über eine Barrierefunktion verfügt, die den Durchtritt von Bindegewebszellen über die Dauer von mindestens sieben Tagen verhindert, ohne die Zellen generell vom Wachstum abzuhalten. Darüber hinaus ist die Membran resorbierbar und weist keine Zyto- oder Gentoxizität auf, sie verursacht also weder direkte Schäden am Gewebe noch an der DNA.

Faserdurchmesser und Maschenweite beeinflussen das Verhalten der Zellen
Für die Anwendung als Adhäsionsbarriere, um postoperative Verwachsungen und Narbenbildung zu vermeiden, wurde ein dünner Faserdurchmesser mit dünnen Maschen gewählt, sodass nur Nährstoffe das Faservlies passieren konnten – jedoch keine Bindegewebszellen. Bei einem Faserdurchmesser von einem Mikrometer und entsprechend weiteren Maschen hingegen wachsen die Zellen in das Fasergeflecht ein, vermehren sich dort und wirken regenerierend auf das umliegende Gewebe. »Durch Einstellen der Materialeigenschaften wie Faserdurchmesser und Maschenweite können wir das Verhalten der Zellen wunschgemäß beeinflussen«, sagt Christ. Für das Verspinnen der Fasern werden die erforderlichen Anlagen am Fraunhofer ISC anwendungsgerecht und kundenspezifisch konstruiert. Auch die Form und Größe der Faservliese lassen sich kundenspezifisch anpassen.

Im Gegensatz zur Membran, die direkt nach dem Aufbringen aufgrund ihrer offenmaschigen Natur einen Nährstofftransport, nicht aber einen Zelldurchtritt erlaubt, ermöglichen viele am Markt erhältliche Produkte einen derartigen Stofftransport oft erst nach der Biodegradation, bzw. nach beginnender Degradation. Eine schnelle und effektive Wundheilung ist aber nur möglich, wenn das verwundete Gewebe ausreichend mit Nährstoffen versorgt wird. Gleichzeitig müssen Stoffwechselprodukte abtransportiert werden, was durch die offene Maschenstruktur der Kieselgelmembran gefördert wird.

Membran mit anorganischem Charakter
Ein weiterer Vorteil: Die Renacer®-Membran löst sich vollständig auf und zersetzt sich fast pH-neutral zu untoxischer Monokieselsäure, die einzige wasserlösliche Form von Kieselsäuren. Sie ist nativ im Körper vorhanden und stimuliert nachweislich den Bindegewebsaufbau in der Haut und den Knochenaufbau. Über solche Eigenschaften verfügen bislang erhältliche Produkte nicht. Viele biodegradierbare Materialien lösen sich zu organischen Säuren, wie Milchsäure oder Glykolsäure, auf. Dadurch können lokale Übersäuerungen im Gewebe entstehen und diese dann entzündliche Reaktionen des Immunsystems auslösen. »Unsere Tests haben gezeigt, dass auch das Auflösungsprodukt, die Monokieselsäure, nicht toxisch und komplett zellverträglich ist«, so Ziemann. »Die Membran zersetzt sich zu einem einzigen Molekül – der Monokieselsäure.«

Fasern als Wirkstoffdepot
Darüber hinaus können Wirkstoffe in das Faservlies integriert werden, die mit der Auflösung des Materials freigesetzt werden. »Während der Resorption könnte beispielsweise ein Antibiotikum auf eine Wunde im Körper abgegeben werden, damit sich keine Bakterienherde bilden können«, erläutert Christ. Am Fraunhofer ISC wird im BMBF-geförderten Projekt »GlioGel« geprüft, ob sich die Renacer®-Materialplattform als Wirkstoffdepot zur Behandlung von Hirntumoren eignet.
Quelle: Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC

Textilbetonteile mit einer nachhaltigen Naturfaserbewehrung haben ein ausreichendes Verbund- und Zugtragverhalten für den Einsatz im Bau. Das konnten Forschende des Fraunhofer WKI gemeinsam mit der Hochschule Biberach und dem Industriepartner FABRINO nachweisen. Damit könnten künftig Textilbetonbauteile mit Naturfaserbewehrung herkömmlich bewehrte Betonbauteile ersetzen und die Umweltbilanz im Bauwesen verbessern.

Nichtmetallische Bewehrungen von Betonkörpern werden derzeit häufig aus unterschiedlichen, synthetisch erzeugten Fasern hergestellt – zum Beispiel aus Glas- oder Carbonfasern. Eine ökologische Alternative zu den synthetischen Fasern stellen Flachs- oder andere Naturfasern dar. Diese sind vielerorts verfügbar und nachhaltiger, unter anderem aufgrund ihrer nachwachsenden Rohstoffbasis, den Vorteilen im Recycling und dem geringeren Energiebedarf in der Herstellung. Hier setzten die Forschenden des Fraunhofer WKI und der Hochschule Biberach gemeinsam mit einem Industriepartner an. Ihr Ziel war, nachzuweisen, dass sich Bewehrungen aus Textilfasern für den Einsatz im Bau ebenso eignen wie synthetische Fasern.

»Wir haben am Fraunhofer WKI mit einer Webmaschine Drehergewebe aus Flachsfasergarn hergestellt. Um die Nachhaltigkeit zu erhöhen, haben wir eine Behandlung der Flachsgarne zur Verbesserung der Zugfestigkeit, Dauerhaftigkeit und Verbundhaftung erprobt, die im Vergleich zu petrobasierten Behandlungen ökologisch vorteilhafter ist«, erläutert Jana Winkelmann, Projektleiterin am Fraunhofer WKI. Im Beschichtungsverfahren konnte ein gängiges petrobasiertes Epoxidharz erfolgreich durch eine zum Teil biobasierte Tränkung ersetzt werden. Ein großer Anteil (56 Prozent) der molekularen Struktur des verwendeten Epoxidharzes besteht aus Kohlenwasserstoffen pflanzlichen Ursprungs und kann somit die CO₂-Bilanz verbessern.

Textile Bewehrungen haben grundsätzlich eine Reihe von Vorteilen. So weisen sie eine deutlich reduzierte Korrodierbarkeit bei gleicher oder höherer Zugfestigkeit als Stahl auf, so dass das notwendige Nennmaß der Betonüberdeckung reduziert werden kann. Dies führt bei gleicher Tragfähigkeit häufig zu geringeren erforderlichen Querschnitten. Bisher wurde das Tragverhalten von textilen Bewehrungen aus Naturfasern in Betonbauteilen allerdings noch nicht systematisch untersucht.

An der Hochschule Biberach testeten die Forschenden das Verbund- und Zugtragverhalten sowie das einachsige Biegetragverhalten von Betonbauteilen mit textiler Bewehrung aus Flachsfasern. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler kamen zu dem Ergebnis, dass sich die naturfaserbasierten Textilbetonbauteile mit einer biobasierten Tränkung grundsätzlich eignen. Die Eignung zeigte sich sowohl durch eine signifikante Erhöhung der Bruchlast im Vergleich zu unbewehrten und unterbewehrten Betonbauteilen als auch durch fein verteilte Rissbilder. Die Kurven der Spannungs¬Dehnungs¬Diagramme konnten in drei für bewehrte Dehnkörper typische Bereiche unterteilt werden (Zustand I – ungerissen, Zustand IIa – Erstrissbildung und Zustand IIb – abgeschlossenes Rissbild). Die Abgrenzung der Bereiche ist mit zunehmendem Bewehrungsgrad deutlicher.

Insgesamt tragen regional oder europaweit verfügbare, nachwachsende Naturfasern und eine zum Teil biobasierte Beschichtung zu einer Verbesserung des CO₂-Fußabdrucks der Bauindustrie bei. Damit eröffnet sich für die energie- und rohstoffintensive Bauindustrie eine weitere Möglichkeit, zunehmend strengere Umwelt- und Nachhaltigkeitsanforderungen zu erfüllen. »Textilbetone ermöglichen leichtere und schlankere Konstruktionen und bieten daher architektonische Spielräume. An den zahlreichen Einsatzmöglichkeiten von naturfaserbewehrten Textilbetonen möchten wir gern weiterforschen«, sagt Christina Haxter, Mitarbeiterin am Fraunhofer WKI.

Das Projekt, mit einer Laufzeit vom 9. Dezember 2020 bis zum 31. Dezember 2022, wurde von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt DBU gefördert.

• Für Sport und Physiotherapie

Forschende der ETH Zürich, der Empa und der EPFL entwickeln eine 3D-gedruckte Einlagesohle mit integrierten Sensoren, die das Messen des Sohlendrucks im Schuh und damit während beliebiger Aktivitäten erlaubt. Dies hilft Athletinnen oder Patienten, Leistungs- und Therapiefortschritte zu bestimmen.

Im Spitzensport entscheiden manchmal Sekundenbruchteile zwischen Sieg und Niederlage. Um ihre Leistungen zu optimieren, nutzen Sportlerinnen und Sportler deshalb unter anderem massgefertigte Einlagesohlen. Aber auch Menschen mit Schmerzen des Bewegungsapparates greifen auf Einlagen zurück, um ihre Beschwerden zu bekämpfen.

Um solche Einlagen exakt anzupassen, müssen Fachleute zuerst ein Druckprofil der Füsse erstellen. Dazu müssen Sportler oder Patientinnen barfuss über druckempfindliche Matten gehen, wo sie ihren individuellen Fussabdruck hinterlassen. Aufgrund dieses Druckprofils erstellen Orthopädinnen und Orthopäden dann in Handarbeit individuell passende Einlagen. Optimierungen und Anpassungen brauchen aber Zeit. Weiterer Nachteil: Die druckempfindlichen Matten lassen nur Messungen in einem begrenzten Raum zu, aber nicht während des Trainings oder Outdoor-Aktivitäten.

Nun könnte aber eine Erfindung eines Forschungsteams der ETH Zürich, der Empa und der EPFL die Situation deutlich verbessern: Die Forschenden fabrizierten nämlich mittels 3D-Druck eine massgeschneiderte Einlagesohle mit integrierten Drucksensoren. Damit kann der Fusssohlendruck direkt im Schuh bei verschiedenen Aktivitäten gemessen werden.

«Man kann anhand der ermittelten Druckmuster erkennen, ob jemand geht, läuft, eine Treppe hochsteigt oder gar eine schwere Last am Rücken trägt. Dann verlagert sich der Druck nämlich mehr auf die Ferse», erklärt Co-Projektleiter Gilberto Siqueira, Oberassistent an der Empa und am Labor für komplexe Materialien der ETH Zürich. Mühsame Mattentests sind damit passé. Die Erfindung wurde vor kurzem in der Fachzeitschrift Scientific Reports vorgestellt.

Ein Gerät, mehrere Tinten
Dabei ist aber nicht nur die Benutzung, sondern auch die Herstellung der Einlagesohlen einfach. Samt den integrierten Sensoren und Leiterbahnen werden sie in nur einem Arbeitsgang und nur auf einem 3D-Drucker hergestellt, einem sogenannten Extruder. Zum Drucken verwenden die Forschenden verschiedene Tinten, deren Rezepturen sie eigens für diese Anwendung entwickelt haben. So nutzen die Materialwissenschaftler als Grundlage der Einlagesohle ein Gemisch aus Silikon und Zellulose-Nanopartikeln.

Auf diese erste Schicht drucken sie dann mit einer leitfähigen silberhaltigen Tinte die Leiterbahnen, und auf diese an einzelnen Stellen – mit russhaltiger Tinte – die Sensoren. Die Verteilung der Sensoren ist dabei nicht zufällig: Sie werden genau dort platziert, wo der Fusssohlendruck am stärksten ist. Um die Leiterbahnen und die Sensoren zu schützen, überziehen die Forschenden diese mit einer weiteren Silikonschicht.

Eine anfängliche Schwierigkeit bestand darin, eine gute Haftung der unterschiedlichen Materialschichten zu erzielen. Die Forschenden behandelten deshalb die Oberfläche der Silikonschichten mit einem heissen Plasma.

Die Sensoren sind sogenannte Piezoelemente, die mechanischen Druck in elektrische Signale umwandeln. Sie messen Normal- und Scherkräfte. Die Forschenden haben auch eine Schnittstelle zum Auslesen der generierten Daten in die Sohle eingebaut.

Laufdaten bald drahtlos auslesen
Tests zeigten den Forschenden, dass die additiv gefertigte Einlage gut funktioniert. «Mit einer Datenanalyse können wir also tatsächlich verschiedene Aktivitäten identifizieren, je nachdem, welche Sensoren wie stark angesprochen haben», sagt Projektleiter Siqueira.

Im Moment brauchen er und seine Kolleginnen und Kollegen noch eine Kabelverbindung, um die Daten auszulesen. Seitlich der Einlage haben sie einen Kontakt eingebaut. Einer der nächsten Entwicklungsschritte werde sein, eine drahtlose Verbindung zu schaffen. «Das Auslesen der Daten stand bisher jedoch nicht im Vordergrund unserer Arbeit», betont der Forscher.

Eine solche 3D-gedruckte Einlagesohle mit integrierten Sensoren könnte künftig von Sportlerinnen und Sportlern oder auch in der Physiotherapie genutzt werden, etwa um Trainings- oder Therapiefortschritte zu messen. Auf den Messdaten basierend können dann Trainingspläne angepasst und mittels 3D-Druck permanente Schuheinlagen mit unterschiedlich harten und weichen Zonen fabriziert werden.

Obwohl Siqueira das Marktpotenzial für ihre Entwicklung besonders im Spitzensport als gross einschätzt, hat sein Team bislang noch keine Schritte in Richtung Kommerzialisierung unternommen.

An der Entwicklung der Einlagesohle waren Forschende der Empa, der ETH Zürich und der EPFL beteiligt. EPFL-Forscher Danick Briand koordinierte das Projekt und seine Gruppe steuerte die Sensoren bei, die ETH- und Empa-Forschenden die Entwicklung der Tinten und die Druckplattform. Am Projekt beteiligt waren auch das Universitätsspital Lausanne CHUV und die Orthopädiefirma Numo. Gefördert wurde das Projekt im Rahmen der «Strategic Focus Area» Advanced Manufacturing des ETH-Bereichs.

• Gesamtwirtschaftliche Entwicklungen belasten Stimmung in der Composites-Industrie
• Zukunftserwartungen optimistisch
• Investitionsklima auf konstantem Niveau
• Erwartungen an Anwendungsindustrien unterschiedlich
• Wachstumstreiber bleiben unverändert
• Composites-Index zeigt in verschiedene Richtungen

Zum 20. Mal hat Composites Germany aktuelle Kennzahlen zum Markt für faserverstärkte Kunststoffe erhoben. Befragt wurden alle Mitgliedsunternehmen der Trägerverbände von Composites Germany: AVK und Composites United, sowie des assoziierten Partners VDMA.  

Gesamtwirtschaftliche Entwicklungen belasten Stimmung in der Composites-Industrie
Wie die Industrie generell war auch die Composites-Industrie in den vergangenen Jahren von starken negativen Einflüssen betroffen. Zentrale Herausforderungen in den letzten Jahren waren vor allem die Corona-Pandemie, der Halbleitermangel, Probleme in den Logistikketten und ein starker Anstieg der Rohstoffpreis. Hinzu kamen weitere Einzeleffekte, die den Druck auf die Industrie zusätzlich erhöht haben.

Zentrale Herausforderungen des letzten Jahres waren hauptsächlich der extreme Anstieg der Energie- und Spritpreise sowie der Logistikkosten. Daneben hat der Krieg in der Ukraine-Krise die ohnehin geschwächten Handelsketten weiter belastet.

Insgesamt zeigen sowohl die Börsenpreise für Strom als auch Erdölpropdukte derzeit zwar deutlich nach unten. Allerdings werden die deutlich geringeren Preise von den Erzeugern/Einkäufern noch nicht an Endkunden weitergegeben.

Die vorgenannten Effekte haben die Stimmung in der Composites-Industrie weiter nach unten gezogen. Der entsprechende Index für die Bewertung der aktuellen generellen Geschäftslage in Deutschland und Europa gibt nochmals nach. Etwas positiver zeigt sich die Bewertung der weltweiten Situation.
    
Trotz dieser generell negativen Bewertung der aktuellen Situation dreht die Bewertung der eigenen Geschäftslage der Unternehmen in der aktuellen Befragung leicht ins Positive. Die befragten Unternehmen bewerten die Position der eigenen Unternehmen somit besser als bei der letzten Befragung.

Zukunftserwartungen optimistisch
Die Erwartungen an die zukünftige Marktentwicklung zeigen ein sehr positives Bild. Die entsprechenden Kennwerte für die generelle Geschäftslage zeigen, nach einem deutlichen Abrutschen bei der letzten Befragung, nun wieder deutlich nach oben. Auch für das eigene Unternehmen zeigen sich die Befragten hinsichtlich ihrer Zukunftserwartungen deutlich optimistischer.

Das Investitionsklima bleibt auf einem relativ stabilen Niveau. Fast die Hälfte der befragten Unternehmen plant für das kommende halbe Jahr entsprechend Personal einzustellen. Nach wie vor halten etwa 70 % der Befragten Maschineninvestitionen für möglich oder planen diese. Dieser Wert bleibt im Gegensatz zur Vorbefragung fast gleich.    

Erwartungen an Anwendungsindustrien unterschiedlich
Der Composites Markt ist durch eine starke Heterogenität sowohl material- aber auch anwendungsseitig gekennzeichnet. In der Befragung werden die Teilnehmer gebeten, ihre Einschätzung hinsichtlich der Marktentwicklung unterschiedlicher Kernbereiche zu geben. Die Erwartungen zeigen sich äußerst verschieden.
 
Das bedeutendste Anwendungssegment für Composites ist der Transportbereich. Die Zulassungszahlen im PKW-Bereich waren dabei in den letzten Jahren rückläufig. Hier manifestierte sich die Abkehr der OEM von Volumenmodellen hin zu margenstarken Mittel- und Hochpreissegmenten. Dies zeigt sich in der aktuellen Befragung an relativ zurückhaltenden Erwartungen an dieses Segment.

Größere Rückgänge werden der derzeit eher pessimistischen Erwartung an die Baukonjunktur folgend vor allem auch in diesem Bereich erwartet. Speziell der Baubereich reagiert oftmals eher langsam auf entsprechende kurzfristige, wirtschaftliche Schwankungen und zeigte sich lange relativ robust gegenüber den oben genannten Krisen. Nun scheint es auch in diesem Bereich zu entsprechend negativen Einflüssen zu kommen.

Die pessimistische Sichtweise auf den Sport- und Freizeitbereich erklärt sich durch eine eher pessimistische Sichtweise auf das Konsumentenverhalten der Verbraucher.
Die Erwartungen an die zukünftige Marktentwicklung sind aber deutlich positiver, als dies die hier dargestellten Zahlen vermuten lassen.
 
Wachstumstreiber bleiben unverändert
Regional bleiben in der aktuellen Erhebung Deutschland, Europa und Asien die Weltregionen, aus denen die wesentlichen Wachstumsimpulse für das Composites-Segment erwartet werden, wobei Europa dabei für viele der Befragten eine Schlüsselrolle einnimmt.

Bei den Werkstoffen setzt sich der Paradigmenwechsel weiter fort. Wurde von den Befragten in den ersten 13 Erhebungen stets CFK als Material genannt, aus dessen Umfeld die wesentlichen Wachstumsimpulse für den Composites-Bereich zu erwarten sind, so werden die wesentlichen Impulse mittlerweile durchweg von GFK oder materialübergreifend erwartet.

Composites-Index zeigt in verschiedene Richtungen
Trotz der zahlreichen negativen Einflüsse der letzten Zeit zeigen sich Composites für die Zukunft gut aufgestellt. Durch eine sehr starke Marktentwicklung in 2021 konnte das Vor-Corona-Niveau bereits fast wieder erreicht werden. Die Aussichten für die Marktentwicklung 2022 liegen noch nicht final vor, zeigen aber eine weniger positive Entwicklung für das letzte Jahr.

Dennoch spricht vieles dafür, dass sich die generell über die letzten Jahre positive Entwicklung der Composites-Industrie weiterhin fortsetzen kann. Die strukturellen Änderungen im Mobilitätsbereich eröffnen Composites mittelfristig die Möglichkeit, auch in neuen Anwendungen Fuß zu fassen. Große Möglichkeiten bieten der Bau- und Infrastrukturbereich. Hier zeigen sich, der schwächeren Marktlage zum Trotz, enorme Chancen für Composites, aufgrund ihres einmaligen Eigenschaftsniveaus, das sie für den langfristigen Einsatz prädestiniert. Langlebigkeit bei nahezu wartungsfreiem Einsatz und die Möglichkeit zur Umsetzung entsprechender Leichtbaukonzepte sowie ein positiver Einfluss im Hinblick auf Nachhaltigkeit sprechen für den Einsatz der Materialien. Darüber hinaus wird die Windindustrie zu einem wesentlichen Wachstumstreiber werden, wenn die politisch selbst gesteckten Ziele zum Anteil der erneuerbaren Energien am Stromverbrauch eingehalten werden sollen.

Insgesamt zeigt der Composites-Index eine verhaltene Bewertung der aktuellen Situation, wohingegen die Bewertung der zukünftigen Situation deutlich positiv ausfällt. Die Befragten schauen somit optimistisch in die Zukunft. Dies deckt sich mit der oben angesprochenen Einschätzung: Composites befinden sich seit vielen Jahrzenten im industriellen (Serien-)Einsatz und offenbaren trotz zahlreicher Herausforderungen auch für die Zukunft ein enormes Potenzial, sich weitere Anwendungsfelder zu erschließen.

Die nächste Composites-Markterhebung erscheint im Juli 2023.

"Gemeinsame Vision einer echten Kreislaufwirtschaft für die Textilindustrie"

Der US-amerikanische Modekonzern PVH hat sich dem von Carbios, On, Patagonia, PUMA und Salomon gegründeten Faser-zu-Faser-Konsortium angeschlossen. Ziel ist es, die Weiterentwicklung des Biorecyclingverfahrens von Carbios im industriellen Maßstab zu unterstützen und so neue globale Standards für Textilrecyclingtechnologien zu setzen. Zu PVH gehören Marken wie Calvin Klein und Tommy Hilfiger. In der von der PVH Corp. unterzeichneten Vereinbarung verpflichtet sich das Unternehmen, durch seine Mitwirkung im Konsortium den Übergang der Textilindustrie zu einer Kreislaufwirtschaft zu beschleunigen.

Carbios arbeitet mit On, Patagonia, PUMA, PVH Corp. und Salomon daran, seine biologische Recyclingtechnologie an deren Produkten zu testen und zu verbessern. Ziel ist es, im Sinne der Nachhaltigkeitsverpflichtungen den Nachweis zu erbringen, dass durch dieses Verfahren der Kreislauf von Faser zu Faser im industriellen Maßstab geschlossen wird.

Das auf zwei Jahre ausgelegte Kooperationsprojekt soll nicht nur das biologische Recycling von Polyesterartikeln in industriellem Maßstab ermöglichen, sondern auch gründliche Sortier- und Zerlegetechnologien für komplexe Textilabfälle entwickeln. Die bestehenden Mitglieder stimmten einstimmig für den Beitritt der PVH Corp. zum Konsortium und erklärten, das gemeinsame Ziel sei es, die Entwicklung praktikabler Lösungen zu unterstützen, die den Beitrag der Modeindustrie zum Klimawandel adressieren.
 
Carbios hat eine Technologie entwickelt, bei der hochselektive Enzyme zum Einsatz kommen, die gemischte Ausgangsmaterialien recyceln können und so die aufwändige Sortierung reduzieren, die bei den derzeitigen thermomechanischen Recyclingverfahren erforderlich ist. Bei Textilien aus Mischfasern wirkt das patentierte Enzym ausschließlich auf das darin enthaltene PET-Polyester. Mit diesem innovativen Verfahren wird recyceltes PET (r-PET) erzeugt, das in seiner Qualität dem von neuem PET entspricht und zur Herstellung neuer Textilfasern verwendet werden kann
 
Behandlung von Textilabfällen und Recycling
Weltweit werden derzeit nur 13 % der Textilabfälle recycelt, und zwar hauptsächlich für minderwertige Anwendungen wie Polsterung, Isolierung oder Lumpen. Die restlichen 87 % sind für die Deponierung oder Verbrennung bestimmt. Um an der Verbesserung der Textilrecyclingtechnologien zu arbeiten, werden die Mitglieder des Konsortiums Ausgangsmaterial in Form von Bekleidung, Unterwäsche, Schuhen und Sportbekleidung liefern. 2023 wird in der Demonstrationsanlage von Carbios eine neue Anlage für PET-Textilabfälle in Betrieb genommen, insbesondere im Rahmen des von der Europäischen Union kofinanzierten Projekts "LIFE Cycle of PET".  Dies geschieht im Vorgriff auf künftige Vorschriften, wie die getrennte Sammlung von Textilabfällen, die in Europa ab dem 1. Januar 2025 verbindlich vorgeschrieben ist.

Von Faser zu Faser: Kreislauffähigkeit von Textilien
Zur Herstellung von Fasern und Stoffen ist die Textilindustrie heute weitgehend auf nicht erneuerbare Ressourcen angewiesen, zum Teil greift sie auf recycelte PET-Flaschen für recycelte Polyesterfasern zurück. Diese Ressource wird jedoch knapp werden, da PET-Flaschen ausschließlich für die Herstellung neuer Flaschen in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie verwendet werden. In einer Kreislaufwirtschaft werden die zur Herstellung von Textilien verwendeten Materialien aus recycelten oder erneuerbaren Rohstoffen gewonnen, die durch regenerative Verfahren hergestellt werden. Die Mitglieder des Konsortiums liefern nicht nur Rohstoffe für die Demonstrationsanlage, sondern wollen auch neue Produkte aus r-PET-Fasern herstellen, die mit dem Biorecycling-Verfahren des Unternehmens produziert werden.
 
"Die Partnerschaft mit Carbios und seinen Konsortiumsmitgliedern zeigt unser kontinuierliches Engagement für die Aufnahme von mehr Kreislaufmaterialien in unsere Kollektionen", so Esther Verburg, EVP, Sustainable Business and Innovation, Tommy Hilfiger Global und PVH Europe. "Wir freuen uns, die Entwicklung der enzymatischen Recyclingtechnologie von Carbios zu unterstützen und neue Lösungen zu nutzen, die uns dabei helfen können, die Mode nachhaltig voranzutreiben."

Bei Lebensmitteln und Kleidung sind den Verbraucher:innen ESG-Aspekte  am wichtigsten. Besonders junge Menschen fordern Informationen und Transparenz: Nachhaltigkeitssiegel, -zertifizierungen und -berichte sorgen für Vertrauen. Für Händler und Hersteller wird Nachhaltigkeit zum Muss.

Unter welchen Bedingungen werden die Kühe gehalten, deren Milch ich trinke? Duldet der Hersteller meines neuen T-Shirts Kinderarbeit? Geht der Händler meines Vertrauens fair mit Mitarbeitenden und Geschäftspartnern um? Solche Fragen stellt sich die Mehrheit der Deutschen vor einer Kaufentscheidung. 59 Prozent der Verbraucher:innen achten beim Einkaufen immer oder zumindest häufig auf die ökologische, ökonomische oder soziale Nachhaltigkeit von Händlern und Herstellern. Bei den unter 35-Jährigen sind es sogar zwei Drittel, bei den über 55-Jährigen immerhin jede:r Zweite. Zu diesen Ergebnissen kommt eine repräsentative Befragung unter 1.000 Menschen in Deutschland im Auftrag der Wirtschaftsprüfungs- und Beratungsgesellschaft PwC Deutschland.

Bei Nachhaltigkeit geht es nicht mehr um das „Ob“, sondern das „Wie“
„Nachhaltigkeit hat sich in den vergangenen Jahren zum Mainstream entwickelt. Für Unternehmen ist es längst ein Muss, in ihren Lieferketten auf Nachhaltigkeit zu achten“, kommentiert Dr. Christian Wulff. Der Leiter des Bereichs Handel und Konsumgüter bei PwC Deutschland ist überzeugt, dass Unternehmen bereits in naher Zukunft gute Gründe nennen müssen, wenn sie bei der Herstellung eines Produkts nicht auf Umwelt, soziale Aspekte und eine gute Unternehmensführung achten. „Beim Thema Nachhaltigkeit geht es also nicht mehr um das Ob, sondern um das Wie“, so der Handels-Experte weiter.

Nachhaltigkeit beinhaltet verschiedene Aspekte in den drei Bereichen Umwelt, Soziales und nachhaltige Unternehmensführung (auf Englisch: Environment, Social, Governance, kurz: ESG). Bei der umweltbezogenen Nachhaltigkeit stehen Fragen zum Tierwohl - etwa die Haltungsbedingungen oder Tierversuche - und zur Verwendung recyclebarer Materialien im Mittelpunkt. 40 Prozent der Deutschen würden gerne vor einem Kauf darüber aufgeklärt werden. Im sozialen Bereich ist der Mehrheit der Befragten wichtig zu wissen, ob Einzelhandel und Hersteller die Menschenrechte einhalten (58 Prozent) - also beispielsweise Zwangs- oder Kinderarbeit in ihren Wertschöpfungsketten dulden. Mit Blick auf die Governance - also die Unternehmensführung - wünscht sich jede:r Zweite, vor dem Kauf über die Lieferketten Bescheid zu wissen und die Produkte zurückverfolgen zu können.

Bei Lebensmitteln ist Nachhaltigkeit besonders wichtig
Wie genau die Verbraucher:innen auf Nachhaltigkeit schauen, hängt auch vom Produkt ab: So ist ihnen Nachhaltigkeit bei Lebensmitteln besonders wichtig. 81 Prozent der Deutschen achten beim Kauf von Nahrungsmitteln zumindest auf eines der drei ESG-Kriterien, also Umwelt, Soziales oder eine gute Unternehmensführung. Aber auch beim Kauf von Textilien sind diese Kriterien relevant: Immerhin 63 Prozent geben an, beim Kauf von Kleidung oder Schuhen darauf zu schauen, wie nachhaltig der Artikel entstanden ist. Während bei Lebensmitteln Umweltaspekte die größte Rolle spielen (für 62 Prozent), achten die Verbraucher:innen bei Kleidung, Schuhen und Accessoires vermehrt auf soziale Aspekte (52 Prozent).

Fast jede:r Zweite ist kürzlich zu nachhaltigen Produkten gewechselt
Die wachsende Bedeutung von ESG-Aspekten im Einkaufsverhalten deutscher Verbraucher:innen belegen auch die Verschiebungen hin zum Kauf von nachhaltigen Produkten. Bei Lebensmitteln ist der Trend zu nachhaltigen Produkten am deutlichsten: 45 Prozent der Befragten geben an, dass sie innerhalb der vergangenen zwei Jahre bewusst auf nachhaltigere Produkte umgeschwenkt sind. Den Wechsel (zurück) auf weniger nachhaltige Produkte räumen dagegen nur 17 Prozent ein, von denen jede:r Dritte fehlende finanzielle Mittel als Grund angibt.

Ein möglicher Wechsel zu nachhaltigeren Produkten würde für knapp die Hälfte der Befragten durch eine bessere Verfügbarkeit im stationären Handel unterstützt. Auch gesetzliche Regelungen werden als hilfreich erachtet, sowohl hinsichtlich der Auszeichnung von Produkten (38 Prozent) als auch für den Produktionsprozess (37 Prozent). Ebenfalls würde eine aufmerksamkeitsstärkere Produktplatzierung im Geschäft helfen (37 Prozent).

Vor allem junge Menschen fordern Transparenz und Aufklärung
Das Bedürfnis der Verbraucher:innen nach Transparenz in Sachen ESG ist ausgeprägt: So informieren sich laut Umfrage fast drei Viertel der Deutschen mindestens gelegentlich über ökologische Nachhaltigkeitsthemen. Zwei Drittel recherchieren Aspekte der sozialen Nachhaltigkeit. Gut die Hälfte macht sich regelmäßig über eine nachhaltige Unternehmensführung schlau.

Dabei hat das Alter großen Einfluss darauf, wie intensiv sich die Menschen mit dem Thema auseinandersetzen: Während 80 Prozent der 16- bis 24-Jährigen sich vor dem Kauf über Umweltaspekte eines Produkts informieren, sind es bei den über 65-Jährigen nur 59 Prozent. „Insbesondere jüngere Menschen informieren sich aktiv und fordern Transparenz rund um ESG-Kriterien“, resümiert Christian Wulff.

Verbraucher:innen wünschen sich Infos auf Verpackungen und online
Um diesem Informationsbedürfnis nachzukommen, rät der PwC-Experte Herstellern und Einzelhandel, insbesondere online ausführlich über ESG-Aspekte der Produkte zu informieren. „Die damit verbundene, deutlich steigende Datenflut stets aktuell zu halten, wird für Unternehmen zunehmend zu einer Herausforderung, die nur durch signifikante Investitionen in neue Technologien zu lösen ist.“

Einig sind sich die Konsument:innen darin, was Unternehmen tun können, um ihren Nachhaltigkeitsaktivitäten mehr Glaubwürdigkeit zu verleihen: Gut zwei Drittel halten anerkannte Nachhaltigkeitssiegel, Zertifizierungen oder unabhängig geprüfte Nachhaltigkeitsberichte für geeignet, um Aktivitäten in puncto ESG glaubhaft vermitteln können. „Die Ergebnisse unserer Befragung zeigen, dass Siegel und unabhängige Zertifizierungen sehr wichtig sind, um das Vertrauen der Kund:innen zu gewinnen. Es lohnt sich also, die ESG-Maßnahmen durch externe Organisationen bestätigen zu lassen“, so Christian Wulff.

Händler und Hersteller sollten auf Transparenz setzen
„Hersteller und Einzelhandel stehen vor der Aufgabe, im Hinblick auf die Nachhaltigkeit ihrer Produkte für ein hohes Maß an Transparenz zu sorgen. Dabei ist Ehrlichkeit, aber auch Kreativität gefragt: Bei Mode ist es beispielsweise denkbar, die einzelnen Stationen der Lieferkette detailliert nachzuzeichnen und die dabei anfallenden Kosten darzustellen. So können die Verbraucher:innen genau nachvollziehen, wie ein Preis zustande kommt“, so das Fazit von Christian Wulff.

Das dänische Unternehmen Continuum Group ApS mit Tochtergesellschaften in Dänemark (Continuum Aps) und Großbritannien (Continuum Composite Transformation (UK) Limited) will ausgedienten Windkraftflügeln und Verbundwerkstoffen einen neuen Zweck geben und verhindern, dass sie in den Müll wandern. Zielsetzung ist, die durch die derzeitigen Abfallströme in die Atmosphäre abgegebenen CO₂-Mengen zu reduzieren und so einen Beitrag zu den europäischen Net Zero-Bemühungen zu leisten.

Continuum stellt nach eigenen Angaben sicher, dass alle Windturbinenblätter zu 100 % recycelbar sind, und plant, in ganz Europa Recyclingfabriken im industriellen Maßstab zu errichten.

Net Zero ist in aller Munde, 2030 rückt näher, über die Erzeugung erneuerbarer Energie durch Windenergie, die Millionen von europäischen Haushalten mit Strom versorgen soll ist omnipräsent in den Nachrichten – doch was passiert, wenn Turbinenblätter das Ende ihrer Lebensdauer erreichen?

Aktuell lautet die allgemeine Antwort, sie zu deponieren oder zu Zement zu verarbeiten, was beides nicht umweltfreundlich ist. Viele Länder in Europa streben ab 2025 ein Deponieverbot an, so dass diese Möglichkeit in naher Zukunft entfallen dürfte.

Eine Alternative bietet Continuum an: Wenn das Ende des ersten Lebenszyklus der Turbinenblätter erreicht ist, recycelt das Unternehmen sie zu neuen, hochleistungsfähigen Verbundplatten für das Baugewerbe und verwandte Branchen. Die Vision der Dänen: Die Abkehr von der derzeitigen Deponierung und die drastische Reduzierung der CO₂-Emissionen, die bei der Verbrennung und Weiterverarbeitung in Zementfabriken entstehen. 100 Millionen Tonnen bis zum Jahr 2050 sollen durch deren mechanische Verbundstoff-Recyclingtechnologie und Produktionsstätten im industriellen Maßstab eingespart werden.  

Die Technologie sei erprobt, patentiert und einsatzbereit, so Reinhard Kessing, Mitbegründer und CTO der Continuum Group ApS. Kessing hat über 20 Jahre Forschungs- und Entwicklungsarbeit in diesem Bereich geleistet und die Rückgewinnung von Rohstoffen aus Windflügeln und anderen Verbundwerkstoffprodukten sowie die Umwandlung dieser Materialien in neue, leistungsstarke Plattenprodukte vorangetrieben.

Durch die Zusammenarbeit mit Partnern deckt Continuum kostengünstig die gesamte Logistik und alle Prozesse ab. Dies reicht von der Sammlung der ausgedienten Flügel über die Rückgewinnung der reinen, sauberen Rohstoffe bis hin zur Wiederaufbereitung all dieser Materialien zu hochwertigen, hochleistungsfähigen, unendlich recycelbaren Verbundplatten für die Bauindustrie oder die Herstellung vieler Alltagsprodukte wie Fassaden, Industrietüren und Küchenarbeitsplatten. Die Platten bestehen zu 92 % aus recyceltem Blattmaterial und sollen die Leistung vieler Konkurrenzprodukte deutlich übertreffen.

Nicolas Derrien: Vorstandsvorsitzender der Continuum Group ApS sagte: „Wir brauchen Lösungen für die umweltfreundliche Entsorgung von Windturbinenblättern, wir brauchen sie jetzt, und wir brauchen sie schnell! Als Gesellschaft konzentrieren wir uns zu Recht auf die Erzeugung erneuerbarer Energien, aber die Frage, was mit den Rotorblättern von Windkraftanlagen nach der Produktion geschehen soll, wurde bisher nicht effektiv angegangen. Wir ändern das, indem wir eine Recyclinglösung für die Flügel und ein Bauprodukt anbieten, das die meisten anderen existierenden Baumaterialien übertrifft, unendlich oft recycelbar ist und den geringsten Kohlenstoff-Fußabdruck seiner Klasse aufweist."

Martin Dronfield, Chief Commercial Officer der Continuum Group ApS und Geschäftsführer von Continuum Composite Transformation (UK) Ltd, fügt hinzu: "Wir brauchen Windenergiebetreiber und -entwickler in ganz Europa, die einen Schritt zurücktreten und mit uns zusammenarbeiten, um die Herausforderung des großen Ganzen zu lösen. Continuum bietet ihnen einen Service, der nicht nur ihrem Unternehmen eine vollständige und nachhaltige Kreislaufwirtschaft ermöglicht, sondern auch zum Schutz unseres Planeten beiträgt.

Jeder Continuum-Industriestandort in Europa wird mindestens 36.000 Tonnen Turbinenschaufeln am Ende ihrer Lebensdauer pro Jahr recyceln können und als hochwertiges, unbegrenzt recycelbares Produkt bis 2024/25 wieder in die Kreislaufwirtschaft einspeisen.

Durch eine Investition von Climentum Capital und einen Zuschuss der britischen "Offshore Wind Growth Partnership" plant Continuum, die erste von sechs Fabriken in Esbjerg bis Ende 2024 in Betrieb zu nehmen und eine zweite Fabrik in Großbritannien direkt danach zu errichten. Anschließend sollen bis 2030 vier weitere in Frankreich, Deutschland, Spanien und der Türkei entstehen.

Als Teil des eigenen Versprechens, umweltfreundliches Verhalten zu fördern, hat Continuum seine Produktionsstätten so konzipiert, dass sie ausschließlich mit 100 % grüner Energie betrieben werden und keine Kohlenstoffemissionen verursachen, d. h. keine Emissionen in die Luft, keine Abfallstoffe in den Boden und keine Verbrennung von Kohlenstoff.

Die Produktion von Infektionsschutzkleidung ist material- und energieintensiv. Fraunhofer-Forschende haben nun eine Technologie entwickelt, die bei der Produktion von Vliesstoffen hilft, Material und Energie zu sparen. Auf Basis einer mathematischen Modellierung steuert ein Digitaler Zwilling wesentliche Prozessparameter der Herstellung. Neben der Verbesserung der Maskenherstellung eignet sich die Lösung ProQuIV auch dazu, die Produktionsparameter für andere Anwendungen der vielseitig einsetzbaren technischen Textilien zu optimieren. Die Hersteller können so flexibel auf Kundenwünsche und Marktveränderungen reagieren.

Infektionsschutzmasken aus Vlies sind nicht erst seit der Corona-Pandemie millionenfach verbreitet und gelten als simpler Massenartikel. Doch ihre Herstellung stellt hohe Anforderungen an Präzision und Zuverlässigkeit des Produktionsprozesses. Der Vliesstoff in der Maske muss bei der FFP-2-Maske nach DIN mindestens 94 Prozent, bei der FFP-3-Variante sogar 99 Prozent der Aerosole herausfiltern. Gleichzeitig muss die Maske ausreichend Luft durchlassen, damit der Mensch noch gut atmen kann. Viele Hersteller suchen nach Wegen, die Herstellung zu optimieren. Außerdem soll die Produktion flexibler werden, so dass Unternehmen in der Lage sind, die vielseitig verwendbaren Vliesstoffe für ganz unterschiedliche Anwendungen und Branchen zu bearbeiten und zu liefern.

Nun hat das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern mit ProQuIV eine Lösung vorgestellt, die beides leistet. Das Kürzel ProQuIV steht für »Produktions- und Qualitätsoptimierung von Infektionsschutzkleidung aus Vliesstoffen«. Die Grundidee: Prozessparameter der Herstellung werden bezüglich ihrer Auswirkungen auf die Gleichmäßigkeit des Vliesstoffs charakterisiert und diese wiederum mit Eigenschaften des Endprodukts, beispielsweise einer Schutzmaske, in Verbindung gesetzt. Diese Modellkette verknüpft alle relevanten Parameter mit einer Bildanalyse und bildet einen Digitalen Zwilling der Produktion. Mit dessen Hilfe lässt sich die Vliesstoffherstellung in Echtzeit überwachen, automatisch steuern und somit das Optimierungspotenzial nutzen.

Dr. Ralf Kirsch aus der Abteilung Strömungs- und Materialsimulation und Teamleiter Filtration und Separation erklärt: »Mit ProQuIV benötigen die Hersteller insgesamt weniger Material und sparen Energie. Dabei ist die Qualität des Endprodukts jederzeit gewährleistet.«

Vliesherstellung mit Hitze und Luftströmung
Vliesstoffe für Filtrationsanwendungen werden im sogenannten Meltblown-Prozess hergestellt. Dabei werden Kunststoffe wie Polypropylen geschmolzen, durch Düsen getrieben und kommen in Form von Fäden heraus, den sogenannten Filamenten. Diese werden auf zwei Seiten von Luftströmen erfasst, die sie mit annähernder Schallgeschwindigkeit nach vorne treiben und gleichzeitig verwirbeln, bevor sie auf ein Auffangband fallen. So werden die Fäden nochmals dünner. Die Dicke der Filamente liegt im Mikrometer- oder sogar Sub-Mikrometer-Bereich. Durch Abkühlung und Zugabe von Bindestoffen bildet sich der Vliesstoff. Je besser Temperatur, Luft- und Bandgeschwindigkeit aufeinander abgestimmt sind, desto gleichmäßiger sind am Ende die Fasern verteilt und desto homogener erscheint das Material dann bei der Prüfung im Durchlichtmikroskop. Hier lassen sich hellere und dunklere Stellen ausmachen. Fachleute sprechen von Wolkigkeit. Das Fraunhofer-Team hat eine Methode entwickelt, um einen Wolkigkeits-Index anhand von Bilddaten zu messen. Die hellen Stellen besitzen einen niedrigen Faservolumenanteil, sind also nicht so dicht und weisen eine niedrigere Filtrationsrate auf. Dunklere Stellen haben ein höheres Faservolumen und daher eine höhere Filtrationsrate. Andererseits führt der in diesen Bereichen erhöhte Luftwiderstand dazu, dass sie einen geringeren Anteil der Atemluft filtern. Der größere Anteil strömt durch die offeneren Bereiche, die eine geringere Filterwirkung haben.

Produktionsprozess mit Echtzeit-Steuerung
Die Durchlichtaufnahmen aus dem Mikroskop dienen bei ProQuIV für die Kalibrierung der Modelle vor dem Einsatz. Die Expertinnen und Experten analysieren den Ist-Zustand der Textilprobe und ziehen daraus Rückschlüsse, wie die Anlage optimiert werden kann. So könnten sie beispielsweise die Temperatur erhöhen, die Bandgeschwindigkeit senken oder die Stärke der Luftströme anpassen. »Ein wesentliches Ziel unseres Forschungsprojekts war, zentrale Parameter wie Filtrationsrate, Strömungswiderstand und Wolkigkeit eines Materials miteinander zu verknüpfen und darauf basierend eine Methode zu generieren, die alle Variablen im Produktionsprozess mathematisch modelliert«, sagt Kirsch. Der Digitale Zwilling überwacht und steuert die laufende Produktion in Echtzeit. Kleine Abweichungen der Anlage, wie etwa eine zu hohe Temperatur, werden in Sekunden automatisch korrigiert.

Schnelle und effiziente Herstellung
»Es ist dann nicht notwendig, die Produktion zu unterbrechen, Materialproben zu nehmen und die Maschinen neu einzustellen. Wenn die Modelle kalibriert sind, kann sich der Hersteller darauf verlassen, dass der Vliesstoff, der vom Band läuft, die Spezifikationen und Qualitätsnormen einhält«, erklärt Kirsch. Mit ProQuIV wird die Produktion deutlich effizienter. Es gibt weniger Ausschuss beim Material, und der Energieverbrauch sinkt ebenfalls. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Hersteller schnell neue Produkte auf Vliesbasis entwickeln können. Dazu müssen lediglich die Zielvorgaben in der Modellierung geändert und die Parameter angepasst werden. So können produzierende Unternehmen flexibel auf Kundenwünsche oder Markttrends reagieren.

Was logisch klingt, ist in der Entwicklung komplex. Die Werte für Filtrationsleistung und Strömungswiderstand steigen nämlich keineswegs linear an und verhalten sich auch nicht proportional zum Faservolumenanteil. Eine doppelt so hohe Filament-Dichte bedeutet also nicht, dass auch Filtrationsleistung und Strömungswiderstand doppelt so hoch sind. Das Verhältnis zwischen den Parametern ist wesentlich komplexer. »Genau deshalb ist die mathematische Modellierung so wichtig. Sie hilft uns, das komplexe Verhältnis zwischen den einzelnen Prozessparametern zu verstehen«, sagt Fraunhofer-ITWM-Forscher Kirsch. Dabei kommt den Forschenden ihre langjährige Expertise bei Simulation und Modellierung zugute.

Weitere Anwendungen sind möglich
Der nächste Schritt besteht für das Fraunhofer-Team darin, den Atemwiderstand der Vliesstoffe für den Menschen bei gleicher Schutzwirkung zu reduzieren. Möglich wird dies durch die elektrische Aufladung der Fasern. Das Prinzip erinnert an die Arbeitsweise eines Staubwedels. Durch die elektrische Ladung zieht das Textilgewebe winzigste Partikel an, die andernfalls durch die Poren schlüpfen könnten. Die Stärke der elektrostatischen Ladung wird hierfür als Parameter in die Modellierung integriert.

Die Fraunhofer-Forschenden beschränken sich bei der Anwendung der Methode keineswegs nur auf Masken und Luftfilter. Ihre Technologie lässt sich ganz allgemein in der Produktion von Vliesstoffen einsetzen, beispielsweise auch bei Stoffen für die Filtration von Flüssigkeiten. Auch die Herstellung von schalldämmenden Vliesstoffen lässt sich mit ProQuIV-Methoden optimieren.

Stilvolle Sensoren zum Anziehen
Mit Sensoren, die am Körper getragen werden und Gesundheitsparameter messen, lassen wir Technik ganz nah an uns heran. Dass die medizinische Überwachung beispielsweise der Atemtätigkeit auch stilvoll als Shirt tragbar ist, zeigt eine Kooperation der Empa und der Designerin Laura Deschl, die von der Ostschweizer «Textile and Design Alliance» (TaDA) gefördert wird.
 
Der Wunsch nach einem gesunden Lebensstil hat in unserer Gesellschaft einen Trend zum «Self-Tracking» ausgelöst. Vitalwerte sollen jederzeit abrufbar sein, etwa um Trainingseffekte konsequent zu messen. Gleichzeitig ist bei der kontinuierlich wachsenden Bevölkerungsgruppe der über 65-Jährigen der Wunsch, bis ins hohe Alter leistungsfähig zu bleiben, stärker denn je. Präventive, gesundheitserhaltende Maßnahmen müssen hierbei kontrolliert werden, sollen sie das gewünschte Ergebnis erzielen. Die Suche nach Messsystemen, die entsprechende Gesundheitsparameter zuverlässig ermitteln, läuft auf Hochtouren. Neben dem Freizeitbereich benötigt die Medizin geeignete und verlässliche Messsysteme, die eine effiziente und wirksame Betreuung von immer mehr Menschen im Spital oder zuhause ermöglichen. Denn die Zunahme von Zivilisationskrankheiten wie Diabetes, Herz-Kreislaufproblemen oder Atemwegserkrankungen belastet das Gesundheitssystem.

Empa-Forschende um Simon Annaheim vom «Biomimetic Membranes and Textiles» Labor in St. Gallen entwickeln daher Sensoren für die Überwachung des Gesundheitszustandes, etwa für einen Diagnostik-Gurt, der auf flexiblen Sensoren mit elektrisch leitfähigen bzw. lichtleitenden Fasern basiert. Für die Akzeptanz einer kontinuierlichen medizinischen Überwachung bei den Patientinnen und Patienten können aber ganz andere, weniger technisch geprägte Eigenschaften entscheidend sein: So müssen die Sensoren angenehm zu tragen und einfach zu handhaben sein – und im Idealfall auch noch gut aussehen.
    
Diesen Aspekt greift ein Kooperationsprojekt zwischen der «Textile and Design Alliance», kurz TaDA, in der Ostschweiz und der Empa auf. Hierbei wurden Möglichkeiten aufgezeigt, wie textile Sensoren in Kleidungsstücke integriert werden können. Dabei stand neben der technischen Zuverlässigkeit und einem hohen Tragekomfort auch das Design der Kleidungsstücke im Zentrum. Die interdisziplinäre TaDA-Designerin Laura Deschl arbeitete elektrisch leitfähige Fasern in ein Shirt ein, die ihren Widerstand je nach Dehnung verändern. Damit kann das Shirt überwachen, wie stark sich Brustkorb und Bauch der Probanden beim Atmen heben und senken, was Rückschlüsse auf die Atemaktivität erlaubt. Eine kontinuierliche Überwachung der Atemtätigkeit ist speziell bei Patientinnen und Patienten während der Aufwachphase nach einer Operation sowie bei Patientinnen, die mit Schmerzmitteln behandelt werden, von Interesse. Auch für Patientinnen mit Atemproblemen wie Schlafapnoe oder Asthma könnte ein solches Shirt hilfreich sein. Zusätzlich stickte Deschl elektrisch leitfähige Fasern der Empa ins Shirt ein, die für die Verbindung zum Messgerät benötigt werden und die optisch in das Muster des Shirts integriert wurden.
 
Die «Textile and Design Alliance» ist ein Pilotprogramm der Kulturförderung der Kantone Appenzell Ausserrhoden, St. Gallen und Thurgau, um die Zusammenarbeit zwischen Kulturschaffenden aus aller Welt und der Textilindustrie zu fördern. Über internationale Ausschreibungen werden Kulturschaffende aller Sparten zu einem dreimonatigen Arbeitsaufenthalt in der Ostschweizer Textilwirtschaft eingeladen.
Das TaDA-Netzwerk umfasst 13 Kooperationspartner – Textilunternehmen, Kultur-, Forschungs- und Bildungsinstitutionen – und bietet den Kulturschaffenden dadurch direkten Zugang zu hochspezialisiertem Know-how und technischen Produktionsmitteln, um vor Ort an ihren textilen Projekten arbeiten, forschen und experimentieren. Diese künstlerische Kreativität wird den Partnern wiederum im Austausch als innovatives Potenzial zugänglich gemacht.

Während der Projektphase wurde Laura Deschl von Schoeller Textil AG (Rohware), Lobra (Transferdruck) und dem Saurer Museum (leitfähige Stickerei) bei der Realisierung des Prototyps unterstützt. Zudem erhielt sie fachliche Begleitung bezüglich der Druckqualität durch Martin Leuthold. Ideen für eine Weiterführung des Projekts sind bereits vorhanden; sie zielen auf eine smarte Patientenbekleidung ab, die die wichtigsten physiologischen Parameter ohne zusätzliche Sensorik erfassen und messen kann.