From the Sector

Forschende des Fraunhofer-Instituts für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI haben eine Technologie entwickelt, die es ermöglicht, endlose Carbonfasern aus Verbundwerkstoffen zurückzugewinnen – ohne Einbußen bei der Materialqualität. Mittels Hochleistungslaser wird die Matrix der mehrlagigen faserverstärkten Kunststoffe gezielt zersetzt. Das Verfahren bietet nicht nur ökologische Vorteile, sondern auch erhebliches wirtschaftliches Potenzial.

Carbonfaser-Verbundwerkstoffe, sogenannte Composites, sind besonders fest und leicht, was sie zu bevorzugten Materialien in vielen Industrien macht. Doch die Herausforderung der Entsorgung und Wiederverwertung dieser leistungsfähigen Materialien ist hoch. Das Forschungsteam am Fraunhofer EMI hat nun einen Prozess entwickelt, in dem Fasern gebrauchter Composites effizient zur Wiederverwendung aufbereitet werden – ohne ihre mechanischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. In bisherigen Recyclingverfahren werden die Faser-Kunststoff-Verbunde geschreddert, was zu verkürzten Fasern und somit zum Downcycling führt.

Werkstoffkunde kompakt: Duroplastische vs. thermoplastische Composites
Ein Carbonfaser-Verbundwerkstoff besteht aus Faserbündeln, die in einem Polymer eingebettet sind. Dies erlaubt, die Fasern zusammenzuhalten, die Geometrie eines Bauteils festzulegen und die Fasern vor Umwelteinflüssen zu schützen. Man unterscheidet zwischen zwei Arten von Kunststoff, in denen die Fasern eingebettet werden können: Duroplastische Composites bestehen aus einer nicht schmelzbaren Matrix, das heißt sie können nicht erneut bearbeitet werden. Diese verhalten sich wie ein Klebstoff, der aushärtet und eine dauerhafte feste Verbindung bildet. Thermoplastische Composites hingegen können geschmolzen und wiederverarbeitet werden. Duroplaste sind allerdings einfacher zu verarbeiten und werden daher häufiger in der Industrie eingesetzt.

Peelingbasiertes Recycling von gewickelten Strukturen
Die Forschenden am Fraunhofer EMI tragen die Faserverstärkung der duroplastischen Composites kontrolliert mithilfe eines Hochleistungslasers ab. Dieses Verfahren ist besonders relevant für Wasserstoffdruckbehälter, bei denen ein Carbonfaser-Bündel endlos um eine Kunststoffhülle gewickelt wird, damit sie besonders stabil sind und hohen Betriebsdrücken von bis zu 700 bar standhalten.

Der Vorteil des innovativen Recyclingverfahrens liegt in der Möglichkeit, die duroplastische Matrix, die die Carbonfasern umgibt, effizient mittels einer lokalen Pyrolyse zu entfernen, während die Carbonfasern selbst nahezu unversehrt bleiben. »Die Besonderheit bei diesem Prozess ist, dass wir die Pyrolyse der Matrix und das Abwickeln der Fasern gleichzeitig, möglichst schnell und ohne Beschädigung der Carbonfasern umsetzen«, erklärt Projektleiter Dr. Mathieu Imbert.

Die Herausforderung besteht darin, das optimale Prozessfenster zu definieren: Die Matrix zersetzt sich bei 300 bis 600 Grad Celsius, während die Fasern ab circa 600 Grad Celsius beschädigt werden können. »Wir haben einen sehr guten Kompromiss zwischen Prozesseffizienz und Qualität des Rezyklats gefunden. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die zurückgewonnenen endlosen Fasern die gleichen hohen Leistungsmerkmale wie neue Fasern aufweisen, was das Verfahren besonders attraktiv macht«, so Dr. Imbert.

Ökonomische plus ökologische Vorteile
Das innovative Verfahren bietet nicht nur ökologische Vorteile, sondern auch erhebliches wirtschaftliches Potenzial für Recyclingunternehmen. Der lokale Wärmeeintrag und das gleichzeitige Abziehen des endlosen Faserbündels ersparen die lange Pyrolysezeit und entsprechend hohe Prozesskosten, die die dickwandigen Wasserstoffbehälter üblicherweise verursachen. Die laserunterstützte Rückgewinnung benötigt außerdem nur circa ein Fünftel der Fertigungsenergie von neuen Fasern. In Zeiten steigender Energiekosten und wachsender Umweltanforderungen sind das wesentliche Vorteile.

Das Projekt läuft noch bis Ende 2025 und ist Teil des DigiTain-Projekts, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert wird. Die Forschenden arbeiten zurzeit daran, das Verfahren noch energieeffizienter zu machen und die Qualität der zurückgewonnenen Fasern weiter zu verbessern. Das Forscherteam sieht das äußerst positive Verhältnis von hohem Rezyklatwert zu niedrigen Prozesskosten als das entscheidende Argument für den geplanten Transfer des Verfahrens in die Recycling-Industrie.

Die Windenergie ist essenzieller Bestandteil der Energiewende und damit Hoffnungsträger für Deutschlands Nachhaltigkeitsstrategie bis zum Jahr 2045. Doch rund ein Drittel der Windkrafträder in Deutschland haben ihre vorgesehene Nutzungsdauer bereits überschritten und stehen laut Fachagentur Wind und Energie kurz vor ihrem Abbau. Wir haben mit unserem Recycling-Experten für Verbundmaterialien – Fabian Rechsteiner – gesprochen, was mit den ausrangierten Anlagen passiert. Dabei gibt der Experte auch spannende Einblicke in die technischen und politischen Herausforderungen, die auf dem Weg zu einer Kreislaufwirtschaft im Bereich Windenergie noch zu überwinden sind.

Warum werden in Deutschland viele Windenergieanlagen über ihre technische Lebensdauer von 20 bis 25 Jahren betrieben?
Wir als Endverbraucher kaufen den Strom immer zu dem Preis der teuersten Stromerzeugungstechnologie (Merit-Order) ein. Aktuell ist das Gas, das mit rund 11 Cent pro Kilowattstunde zu Buche schlägt. Windenergie kann hingegen unter optimalen Bedingungen sehr günstig produziert werden. Der Preis pro Kilowattstunde liegt derzeit bei rund 4 Cent. Darum ist es für Betreiber meist rentabler, ihre Anlagen 30 Jahre und länger zu betreiben. Sie sparen sich damit aufwendige Genehmigungs- und Planungsverfahren für den Bau neuer Anlagen. Das dauert in Deutschland leider oft zwischen sechs und acht Jahre. Auch die Logistik und der Transport neuer Anlagen sind komplex. Die Bauteile sind so groß, dass ihr Transport auf den Straßen und unter Brücken Millimeterarbeit ist. Nicht selten müssen dafür Bäume gefällt werden. Das stellt Betreiber vor eine Vielzahl von Herausforderungen und hohe Kosten. Die Alternative heißt dann oft Repowering. Dabei werden alte Anlagen mit Neueren ausgetauscht. Da der Standort bleibt, ist die Genehmigung dafür auch deutlich schneller zu bekommen.

Und was passiert mit den Anlagen, die nicht mehr weiterbetrieben werden können?
Die Anlagen werden abgebaut und recycelt. Der Turm aus Stahl wird wiederverwertet und das Fundament aus Zement wird zum Beispiel im Straßenbau genutzt. Das umfasst fast 90 Prozent der Anlage. Die größte Herausforderung stellt jedoch das Rotorblatt dar. Das besteht meist aus einem bunten Materialstrauß wie faserverstärkten Kunststoffen, Holz, Schaum, Metallen und vielem mehr. Leider machen sich Hersteller noch nicht allzu viele Gedanken darüber, was am Ende mit dem Material passiert. Auch politisch ist recyclinggerechtes Konstruieren noch nicht so stark eingefordert, wie es meiner Einschätzung nach sein sollte. Das macht das Recycling auch so schwer. Abhilfe könnte ein digitaler Produktpass schaffen. Durch ihn lassen sich die Materialien, die in Rotorblättern verbaut sind, besser nachzuvollziehen. Viele Windräder sind rund 30 Jahre alt und niemand weiß mehr genau, welche Materialien damals verwendet wurden. Aktuell gibt es noch keine standardisierte Dokumentation oder ein System, das diese Informationen langfristig speichert. Wenn man die Rotorblätter recyceln will, ist es aber wichtig zu wissen, welche Materialien verwendet wurden. Das wäre ein wichtiger Schritt, um das Recycling zu optimieren. Da das bislang noch nicht der Fall ist, arbeiten wir am Fraunhofer IGCV daran, Recyclingprozesse zu entwickeln, die diese Materialien besser verwertbar machen.

Wie sehen diese Recyclingprozesse konkret aus?
Wir verwenden einen Pyrolyse-Prozess, bei dem der zerkleinerte, faserverstärkte Kunststoff unter Ausschluss von Sauerstoff erhitzt wird. Das passiert unter Stickstoffatmosphäre, damit der Kunststoff nicht verbrennt, sondern sich thermisch zersetzt. Das Ziel des Prozesses ist es, die Fasern– meist Carbon- oder Glasfasern – vom Kunststoff zu trennen. Im Anschluss versuchen wir aus der Faser wieder ein Textil zu gewinnen. Die Fasern verarbeiten wir dann nicht mehr in ihrer ursprünglichen, endlosen Form, sondern als kürzere Varianten zu einem Vlies. Eine Herausforderung liegt für uns darin, die Fasern so gerichtet wie möglich in diesem Vlies anzuordnen. Denn je zielgerichteter und gleichmäßiger die Faser, desto besser sind die Eigenschaften des Vlieses in die gerichtete Richtung und desto ähnlicher sind sie neuen Materialien, was wiederum ihren Einsatz vereinfacht. Um das zu erreichen, entwickeln wir bei uns einerseits die Recyclingprozesse und andererseits die Anwendungsprozesse und Fertigungsprozesse aus den recycelten Fasern. Wir charakterisieren und analysieren die Eigenschaften der Recyclingmaterialien und vergleichen sie mit neuen Materialien.

Was unterscheidet denn das recycelte von neuem Material?
Die recycelte Carbonfaser hat größtenteils vergleichbare Eigenschaften. Das würde ihren Einsatz zum Beispiel sehr interessant für die Automobil- oder Sportindustrie machen. Ausnahme bilden Anwendungen mit sehr hohen Anforderungen an die Struktur. In einem neuen Rotorblatt oder in der tragenden Struktur eines Flugzeuges wird man das recycelte Material daher nicht finden. Aber das ist ja auch gar nicht der Anspruch.

Wie steht es um die Forschung zum Recycling von Rotorblättern?
Die Prozesse sind schon weit entwickelt, sodass wir jetzt in die industrielle Umsetzung gehen könnten. Es gibt bereits Unternehmen, die sich in Deutschland mit Rotorblatt-Recycling beschäftigen. Das größte Problem ist jedoch, dass es noch keine ausreichende Nachfrage nach recycelten Materialien gibt. Viele Unternehmen scheuen Investitionen, weil der Markt noch unklar und unsicher ist. Politische Maßnahmen wie eine Recyclingquote wären hier sehr hilfreich, um die Nachfrage nach recyceltem Material zu steigern und die Wirtschaftlichkeit zu verbessern.

Fabian, zum Abschluss – gäbe es einen Wiederverwendungszweck für recycelte Windkraftanlagen, über den du dich ganz persönlich freuen würdest?
Da ich ein begeisterter Radfahrer bin, fände ich es natürlich großartig, wenn das recycelte Material in meinem Fahrrad landen würde. So würde sich nicht nur wirtschaftlich, sondern auch für mich ganz persönlich der Kreislauf schließen.

Am 19. Februar vergaben das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie (StMWi) und die Fraunhofer-Gesellschaft den Hugo-Geiger-Preis für die besten Doktorarbeiten in der angewandten Forschung, die in enger Kooperation mit einem Fraunhofer-Institut entstanden.

Am 26. März 1949 fand unter der Schirmherrschaft des Staatssekretärs Hugo Geiger im Bayerischen Wirtschaftsministerium die Gründungsversammlung der Fraunhofer-Gesellschaft statt. Aus Anlass ihres 50-jährigen Bestehens rief das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie den »Hugo-Geiger-Preis für wissenschaftlichen Nachwuchs« ins Leben. Der Preis wird jährlich an drei junge Forschende vergeben und würdigt hervorragende, anwendungsorientierte Promotionsarbeiten, die in enger Kooperation mit einem Fraunhofer-Institut angefertigt wurden. Die Einzelpreise sind mit 5000, 3000 und 2000 Euro dotiert. Die Einreichungen bewertet eine Jury mit Vertretern aus Forschung und Entwicklung sowie der Wirtschaft. Kriterien der Beurteilung sind wissenschaftliche Qualität, wirtschaftliche Relevanz, Neuartigkeit und Interdisziplinarität der Ansätze

Erster Platz für thermisch verformbare Plastikalternative aus Cellulose
414 Millionen Tonnen Plastik wurden 2023 weltweit produziert – über 90 Prozent davon aus fossilen Rohstoffen. Kunststoff ist praktisch, flexibel verformbar und universell einsetzbar. Aber eben auch umweltschädlich, nicht abbaubar und abhängig vom endlichen Erdölnachschub. Dennoch machen biobasierte Kunststoffe aus Pflanzen wie Mais oder Holz bislang lediglich 0,7 Prozent der gesamten Plastikproduktion aus. Denn sie sind in ihren Eigenschaften längst nicht so flexibel. Bisherige chemische Ansätze, sie ähnlich verformbar zu machen, gehen mit dem Verlust der natürlichen Struktur der Cellulose und damit ihrer Eigenschaften wie der biologischen Abbaubarkeit einher. Zudem sind chemische Verfahren oft aufwändig und mit hohen Kosten verbunden.

Einen physikalischen Ansatz, um aus Pflanzen-Cellulose thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoff zu gewinnen, hat Dr. Kerstin Müller vom Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV in ihrer Doktorarbeit gefunden. Sie nutzt kompatible Polymilchsäuremoleküle als Abstandshalter, um zwischen den engen langkettigen Cellulose-Molekülen aus Holz, Baumwolle oder anderen Pflanzen mehr Platz und Flexibilität zu schaffen. Dafür löst sie die Cellulose in einer ionischen Flüssigkeit, einem speziellen Lösemittel, und verbindet die Moleküle mit denen der Polymilchsäure. Das Resultat ist ein neuartiges und bioabbaubares Material, das auch thermisch verformt werden kann.

In ihrer Arbeit hat die Forscherin jedoch nicht nur die Thermoplastizität von Cellulose im Labormaßstab optimiert, sondern das Material auch in einen industriellen Prozess überführt. In einem herkömmlichen Extruder lässt sich die entwickelte Mischung im großen Maßstab herstellen und steht als Granulat für eine weitere Verarbeitung bereit. So kann das Material vielseitig verwendet werden, etwa im Agrarbereich für ökologisch abbaubare Baumwuchshüllen, Töpfe oder Clips für Pflanzen. Auch Möbel und andere Formteile sind für die Innenanwendung denkbar. Für ihre wegweisende, praxisnahe Doktorarbeit wird Dr. Kerstin Müller mit dem 1. Platz des Hugo-Geiger-Preises geehrt.

Fraunhofer UMSICHT entwickelte im Auftrag des Forum Rezyklat ein Circular Economy Planspiel, um zusammen mit Unternehmen praxisnahe Lösungen für geschlossene Verpackungskreisläufe zu identifizieren, für die es bisher noch keine zirkulären Stoffströme gibt. Die Ergebnisse wurden veröffentlicht und stehen allen Interessierten kostenfrei zur Verfügung.

Die Verwirklichung einer Circular Economy im Bereich Verpackungen erfordert eine enge Zusammenarbeit entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Die im Forum Rezyklat mitwirkenden Stakeholder für einen nachhaltigen Verpackungskreislauf haben es sich zur Aufgabe gemacht, gemeinsam praxisnahe Lösungen für geschlossene Verpackungskreisläufe zu schaffen und allen Beteiligten zugänglich zu machen. Für die Stoffströme Papier, Pappe, Kartonage (PPK), Glas sowie den Kunststoff PET gibt es bereits etablierte Kreisläufe am Markt. Fraunhofer UMSICHT erhielt daher vom Forum Rezyklat den Auftrag, gemeinsam mit den Mitgliedsunternehmen aktuelle Herausforderungen für die Weiterentwicklung des Verpackungskreislaufs sowie konkrete Handlungsmöglichkeiten zu identifizieren. Das Forum Rezyklat hat dabei im Rahmen eines Planspiels Stoffströme in den Fokus gerückt, für die noch keine funktionierende Kreislaufwirtschaft vorliegt. Das Ergebnisdokument steht nun kostenfrei für alle Interessierten hier zur Verfügung.

Mitgliederbefragung und Backcasting: Kreislaufwirtschaft im Jahr 2035
Fraunhofer UMSICHT setzte bei der Durchführung auf Methoden, die den Austausch zwischen den Beteiligten förderten, kreative Lösungsansätze ermöglichten und die Entscheidungsfindung erleichterten. So wurden zunächst sämtliche Mitgliedsunternehmen des Forums über eine Befragung vorab in den Prozess des Planspiels eingebunden. Die repräsentative Befragung enthielt 19 qualitative und quantitative Fragen. Aus den gut 70 Mitgliedsunternehmen des Forum Rezyklat nahmen 50 Vertreter*innen teil. Das Lenkungsteam des Forums hatte anschließend zur Aufgabe, Handlungsfelder zu priorisieren und relevante Whitespots auszumachen, die zum Schließen der Kreisläufe im Zukunftsszenario erforderlich sind. Fraunhofer UMSICHT führte dazu mit dem Team das Planspiel als dreistündigen Präsenzworkshop durch. Methodischer Kern war die Backcasting-Methode, inhaltliche Basis die zuvor durchgeführte Mitgliederbefragung, ergänzt um Ergebnisse aus dem Strategieprozess des Forums. Die Daten sollten so aufbereitet und in das Spiel integriert werden, dass sie von den Teilnehmer*innen übersichtlich und schnell erfasst werden konnten, um eine effiziente, transparente und partizipative Arbeitsweise zu gewährleisten.

Das Lenkungsteam einigte sich zunächst in einer offenen Diskussion auf 2035 als kritisches Jahr für die Zielerreichung. Die „Packaging and Packaging Waste Regulation“ der EU, kurz PPWR, und die dort angedachten Zielzeiträume dienten hierfür als Grundlage. Die mit der Befragung vorbereitete und während des Planspiels erfolgte Analyse ergab in erster Linie die Priorisierung des Stoffstroms von Polypropylen-Flexmaterialien, kurz PP-flex. Das Material wird als besonders relevant für die Schließung von Kreisläufen angesehen. Ziel der weiteren Aktivitäten ist es jetzt, Parameter zu erarbeiten, die zur Schließung des Recyclingkreislaufs bei PP-flex notwendig sind.

Herausforderungen und Lösungen für zukunftsfähige Verpackungen
Das Forum sieht in einer Reihe von Maßnahmen Schlüsselansätze, um die Kreislaufführung von PP-flex zu verbessern. Dazu gehören die Entwicklung wirtschaftlicher Anreizsysteme, eine stärkere Fokussierung auf recyclinggerechtes Design sowie die Förderung von Monomaterialien. Gleichzeitig sollen bestehende Forschungslücken, etwa im Bereich der Trennbarkeit von Druckfarben, geschlossen werden. Eine engere Zusammenarbeit mit externen Fachleuten aus Wirtschaft und Wissenschaft wird ebenfalls als entscheidend für den Erfolg angesehen.

Im Rahmen des Planspiels identifizierten die beteiligten Expert*innen auch mehrere Herausforderungen, die bis 2035 gelöst werden müssen, um die angestrebte Kreislaufwirtschaft zu erreichen. Im technologischen Bereich ist insbesondere die weitere Verbesserung von Sortier- und Recyclingprozessen erforderlich, um qualitativ hochwertiges PP-flex-Rezyklat herzustellen. Marktseitig zeigt sich, dass verändertes Verbraucherbewusstsein und aktuelle wirtschaftliche Bedingungen die Nachfrage nach Rezyklaten begrenzen, während das Angebot steigt. Zudem wird erwartet, dass Rezyklate mittelfristig weiterhin teurer bleiben als Neumaterialien. Darüber hinaus betonten die Teilnehmer:innen die Notwendigkeit regulatorischer und wirtschaftlicher Anreize, um den Einsatz von Rezyklaten gezielt zu fördern. Gleichzeitig wiesen die Befragten in über 320 Freitextantworten auf konkrete Schwierigkeiten speziell bei der Kreislaufführung von Verpackungen im Food-Bereich und Unklarheiten beim Einsatz von Daten und Digitalisierung hin.

Die Einschätzungen der Mitgliedsunternehmen zu Herausforderungen und Abhängigkeiten deckten sich im Wesentlichen mit den Einschätzungen des Lenkungsteams. Den im Lenkungsteam ermittelten zukünftigen Handlungsfeldern stimmten wiederum Vertreter*innen der Mitgliedunternehmen bei einer Ergebnispräsentation durch Fraunhofer UMSICHT zu. Diese in sich konsistente Einschätzung zu bestehenden Lücken und notwendigen Aktivitäten wird als wichtige Voraussetzung für eine hohe unternehmensübergreifende Teilnahmebereitschaft angesehen, um weitere Schritte gemeinsam anzugehen.

Fraunhofer UMSICHT präsentiert auf der Messe BAU vom 13. bis zum 17. Januar 2025 seine Expertise im Bereich der Pilzwerkstoffe als biogene Materialquelle auf dem Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Allianz Bau Anwendungsbeispiele verdeutlichen, wo Werkstoffe aus Pilzmyzel einsetzbar sind. Unter dem Motto »FungiFacturingArt« stellen die Wissenschaftler*innen zudem im Inneren eines »Innovation Cubes« verschiedene künstlerische Exponate aus Myzelmaterial aus.

Die Fraunhofer-Allianz Bau präsentiert unter dem Motto »ZukunftsMissionBau – bezahlbar.nachhaltig.sicher« Innovationen zu diesen drei wichtigen Transformationsbereichen des Bauens: Nachhaltigkeit, Produktivität und Sicherheit/Resilienz. Die beteiligten Fraunhofer-Institute stellen vor, wie beispielsweise Produktionsgewinne mittels Digitalisierung oder KI zu erreichen sind, mit welchen CO2-negativen Verfahren und Baustoffen energiepositive Gebäude, Quartiere oder Städte entstehen können, oder welche Lösungen es bereits für mehr Resilienz gegen den Klimawandel durch kreislauffähige Produktdesigns gibt.

Potenziale des Myzelmaterials
Pilzmaterialien haben das Potenzial, Ressourcen- und Klimaschutz in nachhaltigen Produkten umzusetzen. Das Institut bietet ein Myzeltechnikum mit leistungsstarker Infrastruktur für Materialhandling, Wachstum und Prototypenbau.

Auf der Messe BAU können die Besuchenden erste konkrete Anwendungsbeispiele kennen lernen - u.a. auch ein 1 mal 1,2 Meter großes Fassadenelement, das das Fraunhofer ISE und Fraunhofer UMSICHT im Projekt Bau-DNS entwickelten. Es ist ein vorgefertigtes Fassadenelement, das Integrierte Photovoltaik, Stromgewinnung, Wetterschutz und Wärmedämmung aus Pilzmaterial in sich vereint.

Darüber hinaus sind im Inneren eines »Innovation Cubes« verschiedene künstlerische Exponate aus Myzelmaterial zu sehen. Im Rahmen des Projekts FungiFacturingArt - gefördert vom Fraunhofer-Netzwerk Wissenschaft, Kunst und Design – bringen der Vortrag »Behind the artist« (14. Januar, 14:20 Uhr) und ein Mitmachworkshop »Meet the artist: Pilze als Baustoff – Myzel als Wegbereiter in eine nachhaltige Zukunft?« (14. Januar, 14:40 Uhr) das Thema den Messebesuchenden näher.

Ob Nutzung von Solar- und Windenergie, grüner Wasserstoff oder Elektromobilität – die Energiewende stellt unsere Infrastruktur, aber auch die Gesellschaft im Allgemeinen vor teils große Herausforderungen. Hinzu kommen immer häufigere Technologiesprünge in den verschiedensten Bereichen und die Notwendigkeit einer Kreislaufwirtschaft. All das beeinflusst unseren Alltag. Eine gute Zusammenarbeit aller Beteiligten ist essenziell für den erfolgreichen Weg in Richtung Klimaneutralität. Und eine entsprechende Kommunikation. Denn nur, wer gut und vor allem richtig informiert ist, hat Vertrauen und kann die Potenziale von Innovationen verstehen.

Seit 2010 prämiert der UMSICHT-Förderverein Wissenschaftler*innen und Journalist*innen mit dem UMSICHT-Wissenschaftspreis, die Forschungsergebnisse zu den Themen Umweltschutz und Nachhaltigkeit der Gesellschaft zugänglich machen. Die Bewerbungsphase für die kommende Ausgabe hat begonnen. Für die Kategorie Wissenschaft können ab sofort wissenschaftliche Publikationen eingereicht werden, die in einschlägigen Journals veröffentlicht sind. In der Kategorie Journalismus sind zwei Preise zu vergeben, hier ist die mediale Form der eingereichten Arbeit entscheidend: Print, Online oder Audio, Video. Bewerbungsschluss ist der 28. Februar 2025.

Neben der Skulptur „Innovation“ erhalten die Gewinner*innen des UMSICHT-Wissenschaftspreises 2025 ein Preisgeld von 2500 Euro pro Arbeit – und den Zugang zum Netzwerk einer anerkannten Forschungseinrichtung mit Kontakten in Wissenschaft, Wirtschaft und Politik. Die Preisverleihung findet am 3. Juli 2025 am Institutsstandort des Fraunhofer UMSICHT in Oberhausen statt.

Der Krieg in der Ukraine, die COVID-19-Krise oder auch die Schließung des Suezkanals hatten jeweils schwere Versorgungsunterbrechungen zur Folge und stellten die Weltwirtschaft vor finanzielle und logistische Herausforderungen. Doch auch im Kleinen konnte man erst kürzlich an den Überschwemmungen in Süddeutschland sehen, was es bedeutet, wenn Lieferketten unterbrochen sind.

Um vor allem kleine und mittlere Unternehmen (KMUs) in Europa zu unterstützen derartigen Störungen widerstandsfähiger und nachhaltiger entgegenzutreten, hat das ResC4EU Konsortium das EU-Projekt & die Initiative ResC4EU (Resilient Supply Chains for Europe) ins Leben gerufen. Im Rahmen des Projektes arbeitet das Fraunhofer IGCV an der Entwicklung von Modellen und digitalen Werkzeugen, die Störungen in Produktionsprozessen schneller erkennen und beheben können. Das EU-Projekt wird mit drei Millionen Euro von der Europäischen Union gefördert wird und ist auf drei Jahre ausgelegt.  

Schnell Alternativen finden
Unternehmen sind in der Regel auf unterschiedliche Zulieferer angewiesen. Rohmaterialien oder Bauteile werden nicht selten über weite Strecken mit dem LKW, Zug oder Flugzeug transportiert. „Grundsätzlich ist es hilfreich, die eigenen Lieferketten gut zu kennen. Woher kommt mein Material und welche Wege muss es nehmen, um bei mir zu landen? Leider kommt es immer wieder vor, dass vor allem kleinere Unternehmen bankrottgehen, weil sie diesen Aspekt vernachlässigen und Lieferschwierigkeiten beziehungsweise -ausfälle im Krisenfall nicht ausgleichen können“, sagt Clemens Gonnermann, der am Fraunhofer IGCV zu Fragen der Digitalisierung und KI in der Produktion arbeitet.

Im Rahmen des ResC4EU Projekts soll deshalb ein Wissensmodell entstehen, das Unternehmen einen genauen Überblick über ihre Lieferketten gibt und umfassende Risikobewertungen für potenzielle Unterbrechungen aufzeigt. Im Bedarfsfall gibt das digitale Werkzeug dann mithilfe eines Algorithmus individuelle Lösungen für Produktion, Transport sowie Lagerung an. „Das übergeordnete Ziel ist immer, dass die Produktion wie gewohnt weiter geht, ohne Produktionsstopp oder Kurzarbeit der Mitarbeitenden. Das reduziert nicht nur Kosten, sondern fördert auch die Kundenzufriedenheit und schafft erhebliche Wettbewerbsvorteile“, erklärt der Fraunhofer-Wissenschaftler.

Nachhaltigkeit im Blick
Ändert sich eine Lieferkette, hat das allerdings nicht nur Auswirkungen darauf, ob weiter produziert werden kann oder nicht. Auch die CO2e-Bilanz eines Produktes ändert sich. Gemeint sind damit nicht nur CO2-Emissionen sondern auch Methanemissionen und weitere Einflussfaktoren. „Es lässt sich ein globaler Trend beobachten, bei dem Unternehmen immer stärker in die Pflicht genommen werden, transparent über ihre Treibhausgasemissionen Auskunft zu geben. Zudem werden diese zunehmend zu einem Wettbewerbsfaktor“, führt Aljoscha Hieronymus an, der am Fraunhofer IGCV im Themenbereich der Nachhaltigkeit arbeitet. Am naheliegendsten sei das beim Standort und Transport. „Ob ich mein Material regional beziehe oder es einfliegen lasse, hat einen Einfluss auf dessen ökologischen Fußabdruck."

Aber auch das Herstellungsverfahren als solches kann viel oder wenig Energie verbrauchen. Im Rahmen des EU-Projekts erarbeiten Gonnermann, Hieronymus und die Kolleg:innen daher nicht nur einheitliche Parameter für die Widerstandsfähigkeit von Lieferketten, sondern kategorisieren diese auch nach ihrem Energie- und Ressourcenverbrauch sowie ihrer Klimaauswirkung. »Wir werfen dabei zum Beispiel einen Blick auf die Energiemärkte in unterschiedlichen Ländern und schauen, ob der Strom dort aus erneuerbaren oder fossilen Quellen stammt. Das vereinfacht die Nachhaltigkeitsfrage für Unternehmen deutlich.“

CO₂e-Bilanz am Beispiel von Carbon-Bauteilen
Gemeinsam mit der Abteilung für Nachhaltige Fabrikplanung und -betrieb am Fraunhofer IGCV untersuchen Clemens Gonnermann und sein Team exemplarisch die CO2e-Bilanz des Verbundwerkstoffs Carbon, der in der Luft- und Raumfahrt zum Einsatz kommt. Von der Produktion bis zum Recycling deckt das Fraunhofer IGCV dessen gesamte Wertschöpfungskette ab und berücksichtigt dabei auch die Ansprüche aus der Industrie. „Aufgrund unserer Expertise in der Forschungs- und Entwicklungsarbeit von Carbon-Composites, können wir auf umfangreiche Daten zurückgreifen. Für das ResC4EU-Projekt entwickeln wir auf dieser Basis Modelle, die unterschiedliche Fertigungsprozesse miteinander vergleichen und dabei ökologisch und ökonomisch bewerten“, erklärt Gonnermann. „Diese Berechnungen werden automatisiert und bieten dem Unternehmen im Bedarfsfall eine nachhaltige und wirtschaftlich sinnvolle Lösung.“ Die Modellierungen dienen im zweiten Schritt als Blaupause für weitere technische Verfahren und Bauteile aus anderen Industriesektoren.

Die ResC4EU Initiative bietet Unterstützung für KMUs aus insgesamt 14 unterschiedlichen Industriesektoren an, darunter Luftfahrt-, Raumfahrt- und Verteidigung, zivile Sicherheit, Mobilität (Transport- und Automobilindustrie), Erneuerbare Energien, Elektronikindustrie, digitale Industrie, Baugewerbe, Textilindustrie, Agrar- und Lebensmittelsektor, Kultur- und Kreativwirtschaft, Gesundheitssektor, Sozialwirtschaft, Einzelhandel, und Tourismus.

Um diese Bandbreite abdecken zu können, besteht das ResC4EU Konsortium aus sechs der führenden europäischen Industrieverbände und -cluster mit direkten Zugang zu bis zu 1000 KMUs in ganz Europa. Außerdem gehören dem Konsortium zwei KMUs an, eine KMU für Cluster- und Innovationsmanagement und eine KMU für digitale B2B Plattformentwicklung und -management. Das Fraunhofer IGCV und das Institut für Seeverkehrswirtschaft und Logistik (ISL) vervollständigen das Konsortium als Forschungseinrichtungen. Koordiniert wird das EU-Projekt vom deutschen Industrieverband Composites United e.V. (CU).

Die einzelnen Partner des ResC4EU-Konsortiums sind:

• CU, Composites United e.V. (Deutschland) – Koordinator
• MCN, Maritimes Cluster Norddeutschland e.V. (Deutschland)
• LITC, Lettischer IT Cluster (Lettland), ein Europäisches Digitales Innovationszentrum (EDIH, European Digital Innovation Hub)
• AIDIMME (Spanien), Technologieinstitut und Verband Innovativer Unternehmen
• PKTK, Polnisches Cluster für Verbundwerkstoffe (Polen), koordiniert von GoFar Sp.z.o.o
• ATIM Cluster, Irisches Cluster für fortschrittliche Technologien in der Fertigung (Irland), koordiniert von der Technischen Universität Shannon: Midlands Midwest (TUS)
• Scaberia AS (Norwegen)
• GreenTwin GmbH (Österreich)
• ISL, Institut für Seeverkehrswirtschaft und Logistik (Deutschland)
• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. (Deutschland)

Das ResC4EU Konsortium
Das ResC4EU Konsortium wird Modelle und Tools entwickeln und bereitstellen, die KMUs bei der Erkennung und Antizipation von Störungen in ihrer Lieferkette unterstützen können. Des Weiteren werden KMUs maßgeschneiderte Unterstützungs- und Schulungsprogramme angeboten. Darüber hinaus werden KMUs aus dem verarbeitenden Gewerbe, die fortschrittliche Technologien implementieren müssen, mit technisch versierten KMUs zusammengebracht, die innovativen Lösungen für widerstandsfähigere und nachhaltigere Produktionsprozesse und Lieferketten anbieten. Die Unterstützung durch das Konsortium beginnt mit einer Bewertung der Bedürfnisse, Risiken, Störungen, Herausforderungen und Möglichkeiten für KMUs.

Transforming old textiles into new, high-quality materials on a large scale – that is the subject of a new innovation project by eeden, the Textile Logistics Center (CTL) at the Niederrhein University of Applied Sciences and the Fraunhofer IML, and Hohenstein.

The project aims to promote a circular textile economy through technological and logistical optimizations. eeden's innovative fiber-to-fiber recycling process will be further developed to efficiently process textile waste from laundries. Additionally, logistics will be restructured, from collection to recycling, to ensure a resource-conserving and efficient supply of this material stream. With a total investment of over €625,000, the project is co-financed by the Ministry for the Environment, Nature Conservation and Transport of the State of North Rhine-Westphalia and the European Union as part of the Green Economy in NRW innovation competition.

Hohenstein and eeden jointly conduct analytical tests on used textiles to accurately determine the properties of the textile waste after various cleaning cycles.

Subsequently, the CTL, supported by eeden, will develop a concept for the efficient procurement of raw materials and their integration into a sustainable business structure.

Finally, the new process will be validated by eeden on a technical scale. By 2026, the close collaboration between eeden, the Center Textile Logistics (CTL) and Hohenstein aims to promote textile circularity and make a significant contribution to reducing textile waste.

Forschern des Sächsischen Textilforschungsinstituts e.V. (STFI) ist es gemeinsam mit internationalen Partnern gelungen, den Wirkstoff der Graviolapflanze so aufzubereiten, dass dieser für den Einsatz in Textilien verwendet werden kann. Die Stachelannone, wie die Pflanze auch genannt wird, ist in ihrer tropischen Heimat als Heilpflanze bekannt.

Abgeleitet aus den Megatrends Gesundheit, Wellness und Nachhaltigkeit besteht allgemein ein sehr großes Interesse an Textilien mit integrierten natürlichen, pflanzlichen Wirkstoffen. In der Naturmedizin werden die Blätter des tropischen Graviolabaumes (Annona muricata) zur Verbesserung des Wohlbefindens und zur Behandlung zahlreicher Krankheiten eingesetzt. Die Wirkung der Graviolapflanze ist hauptsächlich auf die enthaltenen aktiven Wirkstoffe Acetogenine zurückzuführen. Gewinnung, Aufbereitung und Einsatz dieser Wirkstoffe für textile Anwendungen waren bisher noch kein Forschungsgegenstand.

Ziel des Projektes GRAVIOLA war die Entwicklung neuartiger Textilien, die mit Wirkstoffen der Graviolapflanze ausgerüstet sind. Das Aufbringen der aktiven Wirkstoffe wurde auf zwei verschiedenen Wegen untersucht: eine direkte Ausrüstung der Textilien mit Beschichtungssystemen, in die Graviolawirkstoffe integriert wurden, und die Applikation von Mikrokapseln, welche mit Acetogeninen beladen wurden. Bei der direkten Beschichtung wurden Dispersionssysteme mit verschiedenen Bindemitteln verwendet. Diese Systeme wurden anschließend durch Imprägnierung per Foulard auf die Textiloberflächen aufgebracht. Bei der Mikrokapselmethode wurden die extrahierten Wirkstoffe aus Graviola in Mikrokapseln, kleiner als 100 Mikrometer, eingeschlossen. Textile Flächen wurden mit diesen Mikrokapseln und geeigneten Bindemittelsystemen ausgerüstet.

Durch die Einbindung von wässrigen Mikrokapsel-Suspensionen in geeignete Bindemittelsysteme wurden die Mikrokapseln so fixiert, dass eine problemlose Verarbeitbarkeit des Textilmaterials gewährleistet und die Freisetzung des Wirkstoffs über einen definierten Zeitraum aufrechterhalten werden kann. Die entwickelte stabile Ausrüstung für Maschenware und Vliesstoffe berücksichtigt wesentliche Textileigenschaften wie Farbechtheit, Wasserbeständigkeit und Reibung sowie humanökologische Anforderungen.

Mit Inhaltsstoffen der Graviola ausgerüstete Textilien bieten aufgrund ihrer entzündungshemmenden und gesundheitsfördernden Wirkung einen dermatologisch breit gefächerten Einsatz im Wellness- und Gesundheitsbereich sowie eine nachhaltige Verwendung im Textillebenszyklus.

Hergestellt wurden Funktionsmuster auf Basis a) von Mikrokapseln und b) von Graviola-Extrakten: „Sheet Masks“ aus Viskosevliesstoffen für den Beauty und Wellnesssektor sowie Single-Jersey-Gestricke mit Graviola-Extrakt und verkapselten Wirkstoffen, kombiniert mit Aloe Vera-Öl, für therapeutische Bekleidung zur Hautbehandlung.

Kooperationspartner
In diesem CORNET-Forschungsvorhaben kooperierten die deutschen Forschungsstellen Sächsisches Textilforschungsinstitut e.V. (STFI), Chemnitz (Deutschland), und Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP), Potsdam (Deutschland) mit der tschechischen Forschungsstelle INOTEX, Dvůr Kralove n.L. (Tschechien). Das Projekt wurde von den Forschungsvereinigungen Forschungskuratorium Textil e.V. (FKT), Berlin (Deutschland) und Clutex - klastr technické textilie, Liberec (Tschechien) unterstützt.

Faserverbundwerkstoffe verfügen über herausragende mechanische Eigenschaften bei gleichzeitig niedriger Dichte. Daraus gefertigte Gegenstände sind leicht und gleichzeitig sehr stabil – das macht sie zum idealen Werkstoff für Sportartikelhersteller über die Automobilindustrie bis hin zur Luft- und Raumfahrt. Statt den bisher üblichen Glas- und Carbonfasern sollen nun zunehmend natürliche Fasern wie Flachs, Hanf oder Jute als Verstärkung eingesetzt werden. Durch ihr Potential während der Herstellung Treibhausgasemissionen und Energie einzusparen, ermöglichen sie eine vergleichsweise günstige Herstellung. Ihre mechanischen Eigenschaften deuten einerseits auf noch nicht ausgeschöpftes Potenzial hin, können jedoch je nach jährlichen Wachstumsbedingungen in ihrer Dichte, Festigkeit oder Steifigkeit stark variieren. Um zukünftig Faserverbundwerkstoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe möglichst effizient, nachhaltig und vor allem wettbewerbsfähig herstellen zu können, bündeln die Hochschule Aalen und das Fraunhofer-IGCV ihre Expertisen hinsichtlich Werkstoff- und Produktionstechnik.

Die Arbeitsgruppe BioComposites mit aktuell noch zwei Forschenden aus beiden Einrichtungen hat zum Ziel, hochwertige biobasierte Faserverbundwerkstoffe für Leichtbauanwendungen zu entwickeln und deren Fertigungsprozesse zu optimieren. Faserverbundwerkstoffe aus biobasierten Komponenten können so – insbesondere in Kombination mit den richtigen Recyclingstrategien – dazu beitragen, dass weniger Schadstoffe in Luft, Wasser und Boden freigesetzt werden

Prof. Dr.-Ing. Iman Taha, Inhaberin des Lehrstuhls für nachhaltige Werkstoffe in der Kunststofftechnik der Hochschule Aalen und Leiterin der Arbeitsgruppe, sieht großes Potenzial in der gemeinsamen Forschung: "Bio-Composites haben ein grünes Image, aber sie bieten noch so viel mehr. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verbundwerkstoffen, die oft auf Erdölprodukten basieren, sind Bio-Composites eine ökologische Alternative, die einen wichtigen Beitrag auch zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes leisten kann. Damit kommt ihnen eine tragende Rolle zu, unseren Alltag nachhaltiger zu gestalten."