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Wissenswertes rund um Kunststoff und Kautschuk

Kunststoff und Kautschuk begegnen uns überall im Alltag. Entdecken Sie spannende Geschichten, überraschende Fakten und interessante Hintergründe – von historischen Entwicklungen und bekannten Produkten bis hin zu wichtigen Persönlichkeiten und Innovationen der Branche.

Beiträge (471)

  • Spiegel-Beitrag bringt Polymere zu Unrecht in Misskredit

    Wie „Der Spiegel“ berichtet [1], produziert der Offshore-Windpark Alpha Ventus in der Nordsee Strom ohne Betriebsfreigabe. Im Beitrag des deutschen Nachrichtenmagazins wird ein Problem thematisiert, das sämtliche Offshore-Windparks betrifft. Diesen Sachverhalt verschleiert jedoch der Titel des Beitrags: Plastik im Meer. Er führt in die Irre und rückt Polymere in ein falsches Licht. Rund 45 Kilometer vor der ostfriesischen Insel Borkum produzieren seit vier Jahren zwölf Windmühlen im Alpha Ventus Offshore-Windpark rund 250 Gigawattstunden Strom – hinreichend für eine Stadt mit 70.000 Haushalten. Die Anlage produziert Strom, obgleich das Bundesamt für Schifffahrt und Hydrografie (BSH) keine Betriebsfreigabe erteilt hat. Verwunderlich, wie Autor Matthias Brendel zum Ausdruck bringt, da man doch hierzulande nicht einmal einen Plüschbären ohne hinreichende Prüfung auf den Markt bringen könne. „Nur beim grünen Strom, dieser großen gesellschaftlichen Aufgabe, heißt es: Erst mal machen – und dann sehen wir schon.“ Sinnvoll und richtig? Laut eines im Spiegel-Beitrag zitierten BSH-Geologen besteht bei Offshore-Anlagen das „Problem der ‚Auskolkung’. (...) Fachleute verstehen darunter das allmähliche Freispülen der Rammpfähle, mit denen die (Windmühlen)türme im Meeresboden verankert sind. Im Windpark Alpha Ventus treten Auskolkungen an diesen mächtigen Stahlrohren bis in drei, vier Meter Tiefe auf (...).“ Viel weiter dürfe diese „Art Parodontose am Nordseegrund nicht fortschreiten“, schreibt Matthias Brendel, andernfalls wäre die Standfestigkeit der 92 Meter hohen Türme gefährdet. Versuche, die Erosion des Meeresbodens, verursacht durch Gezeiten und Meeresströmung, zu verhindern und zwar durch Aufschüttung von Dämmen aus Steinen rund um die Rotorfundamente, hätten sich als unzureichend und teuer erwiesen. Laut Brendel versucht der Essener Energiekonzern E.on dem Problem des Auskolkens beim Bau seines Windparks Amrumbank West nunmehr anders zu begegnet: „Statt Steinen legt er in zwei Schichten Sandsäcke aus Geotextilien auf den Meeresboden aus, im Umkreis von 25 Metern. Anschließend werden die Pfähle aus Stahl, sogenannte Monopiles, einfach in der Mitte des Säckehaufens in den Grund gerammt. Auf der Amrumbank West werden 45.000 Säcke aus Propylen-Vlies im Meer deponiert. Ob und wie die rund 180 Tonnen Kunststoff das Ökosystem wieder verlassen werden, ist völlig unklar.“ Ein Antwort auf die Frage wäre allerdings dringend erforderlich, insbesondere angesichts der Tatsache, dass das Ökosystem Meer bekanntermaßen mit Kunststoffen und anderen Rückständen in nicht unerheblichem Maß belastet ist, ebenso angesichts dessen, dass Industrie, Politik und Umweltverbände gemeinsam mit Nachdruck an Maßnahmen arbeiten, die eine Belastung des aquatischen Mediums mit Kunststoffmüll nachhaltig reduzieren helfen sollen. In diesem Kontext erscheint das Vorhaben des Energieriesen E.on fragwürdig. Allerdings lässt sich der Einsatz polymerer Werkstoffe im vorliegenden Fall durchaus verstehen. Offensichtlich setzen die E.on-Ingenieure auf die besonderen Fähigkeiten und Eigenschaften von Polymeren, die sich bekanntlich im Labor nach individuellen, anwendungsspezifischen Gesichtspunkten gestalten lassen. Ob ihr Vorhaben gelingt, durch den Einsatz von Kunststoffen das Problem in den Griff zu bekommen, lässt sich aus der Distanz nicht sagen. Von daher mag die Kritik am Einsatz des Kunststoffs bei der Errichtung von Windmühlen im Meer berechtigt sein. Das eigentliche Problem ist aber nicht der Kunststoff. Das Problem ist von struktureller Natur. Wie sich zeigt, scheint das Vorhaben, Strom in Offshore-Parks zu gewinnen, nicht hinreichend tief und in letzter Konsequenz durchdacht. Der Aspekt eines „nachhaltigen Designs“, mit dem sich die Kunststoffbranche, die Automobilindustrie und auch andere Industriezweige konfrontiert sehen, fehlt bei Offshore-Anlagen offenkundig vollends: „(...) was mit den Windmühlen passiert, wenn sie wie veranschlagt nach 20 bis 25 Jahren ausgedient haben, scheint bislang weder die Energiewirtschaft noch die Politik wirklich zu kümmern.“ Die Windmühlentürme würden zwar entfernen, schreibt Matthias Brendel. Die Rammpfähle jedoch würden dicht unter dem Meeresgrund abgeschnitten und verbleiben dort wie auch die im Boden steckenden 60 Meter langen Träger. Beim gegenwärtigen Stand der Technik spiele der Recycling-Gedanke laut Spiegel-Autor Brendel eine eher untergeordnete Rolle: „Pro Megawatt Leistung bleiben zwischen 85 und 150 Tonnen hochwertiger Baustahl zurück. Wenn das von der Bundesregierung angepeilte Ausbauziel – 6500 Megawatt bis 2020 – erreicht wird, dürften bis zu eine Millionen Tonnen Stahl im Meeresgrund versenkt worden sein.“ „Welche Folgen dieses gigantische Endlager für die Umwelt hat, dafür hat das BSH keinen Prüfauftrag“, gibt Brendel zu bedenken. Obgleich damit zu rechnen sei, das infolgedessen jede Menge giftiges Material sowie knapper werdende seltene Metalle in das Ökosystem Meer eingetragen würden – mit unabsehbaren Folgen. Nicht der Kunststoff ist es, der Sorgen bereitet, sondern, dass das Projekt Offshore-Windpark nicht wirklich in hinreichender Breite und Tiefe durchdacht worden ist. Handeln tut Not. Aber, führt Aktivismus zum Ziel? Mit dem Wissen von heute erweist es sich als sinnvoll, das Potenzial anderer grüner Energiequellen, etwa das von Gezeitenkraftwerken, näher zu untersuchen und zeitgleich einen kreativen Prozess in Gang zu setzen, an dessen Ende in naher Zukunft ökologisch nachhaltigere Lösungen zur Stromgewinnung gefunden und etabliert werden. Polymere Werkstoffe werden hierbei mit großer Wahrscheinlichkeit einen wichtigen Beitrag leisten. GDeußing Quelle: [1] Der Spiegel 43 (2014) 47 Abbildung: istockphoto

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  • Ebola-Virus fordert Kreativität und Innovationskraft von Polymerexperten

    Tausende Menschen sind inzwischen Opfer des Ebola-Virus geworden. Besonders gefährdet sind u. a. auch jene, die sich um die medizinische Versorgung der Infizierten kümmern. Schutz vor einen Infektion bietet einzig eine Barriere aus Atemmaske und Polymerbekleidung. Weil aber die Hitze Afrikas die Arbeit in der Schutzbekleidung erschwert, sind Ideen nach deren Klimatisierung gefragt. Die Ausbreitung des Ebola-Virus in Westafrika hat die Nachfrage nach der im Gesundheitswesen üblichen Polyethylen-basierten persönlichen Schutzausrüstung (PSA, Englisch: Personal Protective Equipment [PPE]) beflügelt. Wie zu lesen ist, plant die Weltgesundheitsorganisation mehrere hunderttausend PSA nach Westafrika zu senden, um den Bedarf zu decken. Herstellerfirmen wie DuPont oder Kimberly-Clark haben aktuellen Meldungen zufolge ihre Produktion von PSA drastisch erhöht. Ungeachtet dessen bleibt die Frage offen, ob, und wenn ja, wie und wann sich der Ebola-Virus an einer weiteren Ausbreitung hindern lässt. Angesichts des offenkundig schwierigen Sachverhalts erweist sich das Problem der schlechten Klimatisierung der Schutzanzüge, in denen sich unter den subtropischen Bedingungen Westafrikas der Schweiß staut und die resultierende Schwüle die Arbeit des medizinischen Personals erschwert, als vergleichsweise simpel zu beantworten. Oder vielleicht doch nicht? Offenkundig fehlt es nämlich, wie zu lesen ist, an zielführenden Lösungen. Nicht anders lässt es sich erklären, dass die US-amerikanische Behörde für Internationale Entwicklung (U.S. Agency for International Development [USAID]) ein Preisgeld von fünf Millionen US-Dollar ausgelobt hat für eine tragfähige Idee, wie sich eine gegen Ebola- und andere Infektionen wirksame PSA atmungsaktiv und für den Träger hinreichend klimatisieren, sprich kühlen lässt. Sollten Sie einen Lösungsweg wissen und sich der Herausforderung stellen wollen, dann wenden Sie sich an die USAID. Nähere Informationen finden sich auf der Homepage des USAID. GD Abbildung: istockphoto/ScienceCom

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  • Biopolymere – für wirksamere Medikamente

    Bei der Herstellung von parenteralen Arzneimitteln gelten höchste Reinheitsanforderungen. Hier am Standort Birmingham (Alabahma, USA). Quelle: Evonik Ein Medikament soll wirken. Das kann es nur, wenn der Wirkstoff seinen Zielort im Körper sicher erreicht und dort lange genug in ausreichender Konzentration vorliegt. Dabei helfen bioabbaubare Polylactide (Polymilchsäuren) und ihre Copolymere; sie eignen sich besonders gut zur Herstellung von Depotformulierungen moderner Arzneimittel, die üblicherweise gespritzt werden. Die meisten Medikamente werden zwar peroral eingenommen, das heißt als Tablette, Kapsel oder Dragee durch den Mund. Doch viele moderne Biotherapeutika auf Protein- oder Nukleinsäurebasis, zum Beispiel gegen Krebs, Diabetes oder Multiple Sklerose, müssen per Injektion verabreicht, sprich: gespritzt werden – unter die Haut (subkutan), in den Muskel (intramuskulär) oder direkt in die Vene (intravenös). Einfluss auf die Wirksamkeit des Wirkstoffes hat neben der Darreichungsform, sei es etwa als Tablette oder Spritze, auch die Formulierung des Arzneimittels. Sogenannte Depot- oder Retardformulierungen sorgen für eine kontrollierte Wirkung von Arzneimitteln über einen längeren Zeitraum. Wesentlich für den Therapieerfolg ist daher neben dem Wirkstoff an sich auch die Arzneiform. „Mit unseren Biopolymeren und Formulierungen verpacken wir moderne Biotherapeutika und ermöglichen so schonende und wirksame Behandlungsoptionen“, erklärt Dr. Jean-Luc Herbeaux, Leiter des Geschäftsgebiets Health Care der Herstellerfirma Evonik. Das fertige Produkt ist meist als Mikropartikel oder Implantat formuliert. Die Injektion erfolgt subkutan oder intramuskulär – je nach gewünschter Wirkung. Die Polymermatrix wird nach und nach vom Körper abgebaut, wodurch der Wirkstoff über einen definierbaren Zeitraum kontinuierlich freigesetzt wird. Mit Hilfe neuartiger Biopolymere hoffen man, sagt Herbeaux, dass es gelingen möge, Biopharmazeutika künftig – statt sie zu spritzen –über den Verdauungstrakt oder die Atemwege in den Blutkreislauf bringen zu können. Evonik und seine Partner haben dafür im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekts neue biokompatible und bioabbaubare Copolymere auf Milch- und Glykolsäurebasis (PLGAs) entwickelt und im Zellmodell getestet. Besserte Verträglichkeit durch parenterale Depotformulierungen Dort, wo Biopharmazeutika heute noch gespritzt werden müssen, entfalten die bioabbaubaren Polymilchsäuren seit langem großen Nutzen. Davon profitieren Patienten, die etwa an einer bestimmten Art von Prostatakrebs erkrankt sind und mit einem sogenannten LHRH-Antagonisten behandelt werden. Besagte Wirkstoffe sollen die Testosteronproduktion unterdrücken und so der hormonabhängigen Krebserkrankung entgegenwirken. Da ein kontinuierlicher Wirkstoffspiegel erforderlich ist, müsste der LHRH-Antagonist mehrfach täglich gespritzt werden. Dank einer polymerbasierten Depotformulierung, die als kleines Stäbchen unter die Haut gespritzt wird, ist das nur alle sechs Monate nötig. Der Nutzen liegt auf der Hand: Die Biopolymer verpackten Medikamente wirken verträglicher und reduziert zugleich die Behandlungskosten. Einen Schritt hin zu noch gezielteren Wirkstofffreisetzungssystemen sieht im Einsatz von Nanopartikeln, erklärt Dr. Boris Obermeier, bei Evonik für die Entwicklung von Biopolymeren zuständig. „Durch maßgeschneiderte Polymere und entsprechende Formulierung können wir den Wirkstoff vor dem Angriff des Immunsystems schützen, wodurch er länger im Blutkreislauf zirkulieren und sich gezielt in einem bestimmten Gewebe anreichern kann.“ Anwendungen in der Medizintechnik heute und morgen Auch in der Medizintechnik haben bioabbaubare Polymere ihren Platz. Aus Polymilchsäuren lassen sich vielfältige Medizinprodukte herstellen – von der einfachen Schraube oder Platte zur Stabilisierung eines gebrochenen Knochens bis zu resorbierbaren Stents. Der Vorteil all dieser Anwendungen: Das Material ist so maßgeschneidert, dass es sich innerhalb von Monaten oder Jahren abbaut; und es ist auch keine zweite Operation zu seiner Entfernung nötig. Wie Obermeier darstellt, ergeben sich interessante Anwendungen aus der Möglichkeit, Medizinprodukte mit Wirkstoffen zu beladen und so eine lokale pharmakologische Wirkung zu erzielen. Die Entwicklung neuer polymerbasierter Systemlösungen für die Medizintechnik will Evonik in einem im Frühjahr dieses Jahres gestarteten Projekthaus Medical Devices vorantreiben. Künftige Chancen für bioabbaubare Polymere sieht das Unternehmen in der synthetischen Herstellung biologischer Gewebe, etwa auch um verletztes Gewebe zu ersetzen. Hierfür brauche es eine stabilisierende Matrix, auf der Zellen wachsen können. Die Matrix selbst baut sich nach festgelegter Zeit biologisch ab. Das heißt, gute Aussichten für Biopolymere auf Polymilchsäurebasis. GD

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  • Einfach ausdrucken: Batterien aus Kunststoff

    Prototyp einer ultradünnen und extrem flexiblen Folien-Batterie. Energiespeicher auf der Basis von Polymeren stehen im Fokus der internationalen Konferenz "Polymers and Energy" an der Uni Jena. Foto: Jan-Peter Kasper/FSU Auf den ersten Blick sieht es aus wie ein gewöhnlicher Stickerbogen aus dem Schreibwarengeschäft, nur nicht ganz so bunt. Doch die kleinen rechteckigen Objekte, die sich mit dem Finger aus dem Bogen herausdrücken lassen, sind Prototypen von Folien-Batterien, gedruckt mit einem Siebdrucker, ultradünn und extrem flexibel. Noch enthalten sie Metalle, doch zukünftig sollen sie vollständig aus innovativen Kunststoffen aufgebaut sein. „Batterien auf der Basis von Polymeren, sogenannte organische Radikalbatterien, sind risikoarm und nachhaltig, denn sie enthalten keine umweltschädlichen oder selten vorkommenden Metalle und metallische Verbindungen in den Elektroden, wie etwa Lithium oder Kobalt“, sagt Dr. Martin Hager vom Zentrum für Energie und Umweltchemie der Universität Jena. Sie schlössen eine wichtige Lücke im Kontext einer vollständig regenerativen Energieversorgung, betont der Chemiker, der die Forschergruppe „Neue polymere Materialien für effiziente Energiespeicher“ leitet. Bisher gebe es zwar „grüne“ Technologien zur Energiegewinnung, aber keine „grünen“ Energiespeicher. Das Konzept der druckbaren Folienbatterien aus organischen Rohstoffen präsentierte Martin Hager im vergangenen Monat bei der internationalen Konferenz Polymers and Energy, einer Tagung der Fachgruppe Makromolekulare Chemie der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) an der Friedrich-Schiller-Universität statt. Zur Speicherung der elektrischen Energie werden in den Kunststoffbatterien unter anderem stabile Radikale eingesetzt – das sind Moleküle, die mindestens ein ungepaartes Elektron enthalten. Die Polymere fungieren als eine Art Rückgrat, an dem die Radikale als Aktiveinheiten wie an einer Perlenkette hängen. Hinzu kommen leitfähige Additive, wie etwa Graphit oder Nanofasern, sowie ein Bindemittel. „Die Aktiveinheiten sind entscheidend, da ihre Struktur die elektrische Spannung bestimmt“, sagt Hager. Zudem müssen beide Elektroden – also Anode und Kathode – aufeinander abgestimmt sein. „Es gibt bereits eine Vielzahl bekannter Kathoden-Materialien, weshalb wir nun vor allem an Polymeren für die Anode forschen“, erklärt der Chemiker. Dabei setzen die Jenaer Wissenschaftler auf Konzepte, die sich für die industrielle Fertigung eignen: „Eine optimale Elektrodenmischung heißt für uns auch, dass ihre Synthese möglichst einfach und günstig ist“, betont Hager. Auch die Herstellung der organischen Radikalbatterien ist für die industrielle Massenproduktion geeignet: Denn die leitfähigen Polymere lassen sich als Paste oder flüssige „Tinte“ mittels Sieb- oder Tintenstrahldruck innerhalb weniger Minuten einfach ausdrucken. „Mit dem Tintenstrahldruck können wir die Form der Batterie entsprechend ihrer Anwendung maßschneidern, während mit dem Siebdruck sich dickere und damit leistungsfähigere Batterien herstellen lassen“, erklärt Hager. Die Kapazität der hauchdünnen Kunststoffbatterien sei zwar geringer als die eines konventionellen metallhaltigen Akkus. Für viele Anwendungen reiche aber die Kapazität der Polymerbatterien, etwa für Leuchtdioden oder intelligente Verpackungen, die anzeigen, ob das Mindesthaltbarkeitsdatum überschritten oder die Kühlkette unterbrochen wurde. Zudem ließen sich die Batterien innerhalb weniger Minuten wiederaufladen – und zwar bis zu tausendmal. GD

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  • Polymere versus Metall: Leistungsfähige Roboter aus Gummi

    Wenn es um die Automatisierung von Prozessen geht, sind leistungsfähige Roboter gefragt, wie man sie zum Beispiel aus der Automontage her kennt: Greifarme aus Metall, die wie von Geisterhand beseelt schrauben, schlitzen, schweißen. Nur wenig gemein mit diesen Schwergewichten hat die Kreation von Ingenieuren der US-amerikanischen Harvard Universität, deren Roboter gleicht eher einem von den Machern der TV-Serie Spongebob kreierten verbeinigen Seestern oder einem X-förmigen Toastbrot als einem Hightech-Gerät der besonderen Art. Statt Metall zu verwenden, wie es bei Robotern in der Regel üblich ist, setzen die Harvard-Ingenieure bei der Konstruktion der Gliedmaßen auf einen Polymerwerkstoff, namentlich auf Silikonkautschuk, sprich: Gummi. Um diesen zu bewegen, kommt Druckluft zum Einsatz. Um Gewicht einzusparen, wurden im Polymer Glaskugeln versenkt. An der Unterseite verstärkt Kevlar das Gewebe. Der Gummiroboter hat vier flexible Füße, ist etwa einen halben Meter lang und äußerst robust: Er kann ohne Blessuren davonzutragen von einem Auto überfahren werden und durch Flammen laufen. Obendrein ist er in der Lage, eine Last von rund zwei Kilogramm zu transportieren. Und das ist nur der Anfang... Die Harvard-Ingenieure hoffen auf eine große Zukunft für ihren Roboter, nicht nur, weil er extrem widerstandsfähig ist und beträchtliches Potenzial birgt, sondern auch und vor allem, weil er aufgrund des verwendeten Polymermaterials in der Zusammenarbeit und im Kontakt mit dem Menschen ein deutlich geringeres Verletzungspotenzial birgt. GDeußing Quelle: Harvard University Foto: istockphoto/ScienceCom

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  • Stents aus bioabbaubaren Polymere reduzieren die Zahl möglicher Komplikationen

    Die in Stents verwendeten Polymere sind in der Regel nicht biologisch abbaubar, und sie enthalten Komponenten aus korrosionsbeständigem Stahl. Beides Risikofaktoren, die Komplikationen nach sich ziehen können. Quelle: istockphoto/ScienceCom Bei der Behandlung verstopfter Herzkranzgefäße überzeugte eine neue Art von Stent, der aus biologisch abbaubarem Kunststoff und einem Kobalt-Chrom-Gemisch hergestellt wurde. Der neue Stent-Typ sei so gut wie der "Goldstandard" heißt es in einer Studie [1], die auf dem ESC Congress 2014 in spanischen Barcelona vorgestellt und in der Fachzeitschrift "The Lancet" publiziert wurde [2]. Die Vorteile der neuen Stents liegen, wie berichtet wird, in der Verwendung eines ultradünnen Kobalt-Chrom-Federbeins und biologisch abbaubarer Polymere. Diese Kombination berge nicht das Komplikationsrisiko der Kombination von Edelstahl und nicht bioabbaubarer Polymermaterialien, wie es üblicherweise heute zum Einsatz kommt. Die zugrundeliegende (randomisierte) Studie erfolgte mit Herzpatienten in der Schweiz für die Dauer von zwölf Monaten. Ziel sei es gewesen zu zeigen, dass die neuen Stents mit biologisch abbaubaren Kunststoffen gegenüber den üblicherweise verwendeten Stents in der Praxis nicht unterlegen seien. Was zumindest punktuell der Fall gewesen zu sein scheint: In einer Untergruppe von Patienten, die einen Herzinfarkt erlitten hatten, führte der neue Stent zu besseren Ergebnissen als sie mit herkömmlichen Stents erzielt wurden. Nur 3,3 Prozent der Patienten, die mit dem neuen Stent-Typ versorgt worden seien, hätten sich bemerkenswerte Nebenwirkungen gezeigt; bei den Patienten, denen der herkömmliche Stent implantiert wurde, habe die Zahl im Verglich dazu bei 8,7 Prozent gelegen. Dies sei noch kein Beleg dafür, dass der neue biologisch abbaubare Stent-Typ den bisher verwendeten Standard-Stents in allen Punkten überlegen sei. Um eine solche Aussage treffen zu können, bedürfe weiterer umfangreicher Untersuchungen und Experimente, meinen Fachleute. GDeußing Weiterführende Informationen: [1] Bericht über die Studie im Fachportal "Medical News Today" [2] Bericht in der Fachzeitschrift "The Lancet"

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  • Polymere und elektrischer Strom – keine Widerspruch!

    In der Nutzung regenerativer, sauberer Quellen liegt die Zukunft unserer Energieversorgung. Eine neue Möglichkeit, „sauberen Strom“ zu produzieren, haben Forscher nun im Meer entdeckt. Um die neue Quelle sprudeln zu lassen, bedarf es der Wellenbewegung, eines speziellen, oberflächenmodifizierten Polymermaterials und der Kräfte der Physik. Für die Gewinnung elektrischen Stroms bilden Sonne und Windkraft inzwischen eine wichtige Grundlage. Aus den sogenannten regenerativen Quellen fließt schlicht „sauberer“ Strom, das heißt, ohne die Umwelt mit Schadstoffemissionen zu belasten. Auch die Energie, die man aus Wasser zieht, wenn es von einem Staudamm herabfließ oder im Gezeitenkraftwerk Stromgeneratoren antreibt, lässt sich als „sauber“ bezeichnen. Wasser bietet noch weitere Angriffsflächen, um Strom zu produzieren, wie US-amerikanische Wissenschaftler jüngst herausgefunden haben. Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der Trennung elektrisch geladener Teilchen. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellen die Forscher in diesem Zusammenhang den Prototypen eines sogenannten triboelektrischen Nanogenerators vor, den sie zur Energiegewinnung nutzen. Foto: istockphoto/ScienceCom Stromgewinnung mit der Wellenbewegung des Meeres: Ein Prototyp amerikanischer Wissenschaftler nutzt hierzu den triboelektrischen Effekt. (Link zu einer höher aufgelösten Darstellung der Abbildung am Ende des Beitrags.) Quelle: Wiley-VCH Der triboelektrische Effekt lässt sich beobachten, wenn man sich einen Pullover an- oder auszieht – wenn es im Gewebe leuchtet und knistert. Dieser Effekt entsteht durch Kontakt und Trennung unterschiedlicher Materialien und der dabei erfolgten Verschiebung elektrisch geladener Teilchen – eine Grundvoraussetzung für elektrischen Stromfluss. Wissenschaftler des Institute of Technology in Atlanta im US-amerikanischen Bundesstaat Georgia haben bereits einen triboelektrischen Nanogenerator unter Einsatz von Festkörpern entwickelt, mit dem sich ein Mobiltelefon-Akku erfolgreich laden lässt. Das funktioniert jedoch nur dann zuverlässig, wenn die Luftfeuchtigkeit nicht zu hoch ist. Interessanter Weise scheint dieses Problem nebensächlich, findet das Treiben unmittelbar im Wasser statt. Der triboelektrische Effekt ist nicht allein auf Festkörper beschränkt, sondern funktioniert auch bei Flüssigkeiten, wenn sie mit einem geeigneten Feststoff in Berührung kommen. Vorausgesetzt, die elektronischen Energieniveaus beider Stoffe liegen günstig zueinander. Dies ist zum Beispiel der Fall bei Wasser und einigen Kunststoffen wie Polydimethylsiloxan (PDMS). Das für den triboelektrischen Effekt Notwendige findet sich auf Nanomaßstab reduziert auf der Oberflächenstruktur des PDMS, die an eine Pyramidenlandschaft erinnert. Wie gingen die Forscher vor? Den Prototypen ihres triboelektrischen Generators bauten sie unter Einsatz eines isolierten Kunststoff-Tanks, an dessen Deckel und Boden Kupferfolie als Elektroden befestigt sind. Auf der Deckelinnenseite wurde eine PDMS-Schicht aufgetragen. Kommen nun die PDMS-Nanopyramiden durch Absenken des Deckels mit dem Wasser in Berührung, werden Atomgruppen des PDMS ionisiert und negativ aufgeladen. Im Gegenzug entsteht eine positiv geladene Schicht auf der Wasseroberfläche. Wird die PDMS-Schicht aus dem Wasser gehoben, bleiben die elektrischen Ladungen erhalten, was heißt, dass eine elektrische Spannung zwischen PDMS und Wasser entsteht; der resultierende Unterschied im elektrischen Potenzial ist Grundvoraussetzung für einen Stromfluss. Damit möglichst wenig Wasser haften bleibt, was die Spannung mindern würde, wurde PDMS als hydrophobes, sprich: wasserabweisendes Polymer gewählt, und die Pyramidenform, weil Wasser davon gut abtropfen kann. Periodisches Heben und Senken des Deckels und das Verbinden der Elektroden über einen Gleichrichter und einen Kondensator führt zu einem Gleichstrom, mit dem 60 LEDs zum Leuchten gebracht werden konnten. Ein periodischer Kontakt mit Wasser kann auch durch Wellen zustande kommen. Tests mit Salzwasser zeigten, dass der Generator weniger Output liefert, prinzipiell aber mit und im Meerwasser betrieben werden kann. GDeußing Abbildung in höherer Auflösung (17.9 KB)

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  • Polymer können helfen, Knochendefekte zu reparieren

    Statistisch betrachtet ist eines von 500 Neugeboren von einer Lippen-Kiefer-Gaumenspalte betroffen, eine im Volksmund als „Hasenscharte“ beziehungsweise „Wolfsrachen“ bezeichnete Fehlbildung. Deren Therapie umfasst nicht nur eine psychologische Komponente, sondern auch und vor allem einen gesichts- und kieferorthopädischen Eingriff, bei dem bislang aus dem Becken entnommener Knochen implantiert oder Zement verwendet wurde, um die Lücke zu schließen, was allerdings nicht ganz unproblematisch ist. Mit einem schwammartigen, bioabbaubaren Polymer (s. Foto oben), der die Lücke in Gänze auszufüllen scheint und von Knochenzellen durchwachsen werden kann, hoffen US-amerikanische Wissenschaftler, einen entscheidenden Schritt in eine bessere Therapierbarkeit der Kiefer-Gaumenspalte unternehmen zu können. Der Fehler passiert in einer relativ frühen Phase der Embryonalentwicklung, die etwa von der dritten bis zur achten Schwangerschaftswoche verläuft. Der befruchtete Keim beginnt, Gestalt anzunehmen. Die Achsen bilden sich aus, die Grundlage für die unterschiedlichen Gewebearten, die ein Mensch besitzt, und das Organsystem werden in groben Zügen angelegt. Das Gesicht erfährt eine erste Einteilung. Es entwickelt sich nicht, lapidar gesagt, in einem Guss, sondern partiell, wobei die einzelnen Partien im Laufe der weiteren Entwicklung zusammenwachsen. Unter unglücklichen Umständen, denen genetische Ursachen zugrunde liegen können aber auch exogene Einflüsse eine Rolle spielen, können sich Fehler in den Montageprozess schmuggeln, die zur Folge haben, das die Oberlippe nicht zusammenwächst und sich eine sogenannte y-förmige Hasenscharte bildet. Schwerer wiegt es jedoch, wenn nicht nur weiches Gewebe, sondern auch Knochenmaterial fehlt, namentlich im Oberkiefer, oder gar der ganze Gaumen und Mundraum und Nase, vereinfacht gesagt, eine große Höhle ausbilden. Diesen Zustand, im Volksmund Wolfsrachen genannt, zu behandeln, ist medizinisch machbar, jedoch aufwendig und nicht trivial. Bislang gingen die Mediziner bei der Therapie dem Schwergrad der Fehlbildung entsprechend in unterschiedlichen Schritten vor. Während die Lippenspalte bereits im Alter von drei bis sechs Monaten operiert werden kann, zieht die Kiefer- und Gaumenspalte mehrere Operationen bis ins Alter von zehn Jahren nach sich. Ein wichtiger Eingriff dient dazu, die Lücke durch einsetzen von Knochenmaterial, das dem Becken des Kindes entnommen wurde, zu implantieren in der Hoffnung, es möge anwachsen und dem Patienten ein vergleichsweise normales Leben in puncto Essen, Trinken und Sprechen, ermöglichen. Das aber ist nicht per se zu erwarten. Als problematisch erweist sich insbesondere die Tatsache, kein Knochen lässt sich derart entnehmen und von Hand gestalten, dass es die Lücke gemäß dem Bauplan der Natur exakt in Form, Wölbung und Ausmaß zu schließen im Stande wäre. Das heißt, eine Operation, wie sie derzeit durchgeführt wird, kann im Grund nur das Schlimmste überwinden helfen und dem Patienten einen gewissen Grad an Normalität erlauben. Ein Idealzustand aber wird nicht oder nur ganz selten erreicht. Auch nicht wirklich unter Verwendung von Zement, der zwar modellierbar ist und Aushärte, jedoch spröde ist und Knochenzellen keine Chance bieten, in die innere Struktur hineinzuwachsen und den Knochenspalt zu überbrücken. Das aber könnte sich in Zukunft ändern. US-amerikanische Wissenschaftler der Texas A&M University haben nun ein Polymermaterial entdeckt, das in der Lage ist, so die Hoffnung der Forscher, die Kiefer-Gaumenspalte vollends auszufüllen, wie Bauschaum bei der Montage von Türzargen die Lücke zwischen Mauerwerk und Zarge ausfüllt. Polycaprolacton (PCL), genauer Poly-ε-Caprolacton, ist ein biologisch abbaubarer, Erdöl-basierter, thermisch verformbare Kunststoff. Gebildet wird er als Kette des Caprolacton, dem ε-Lacton der Capronsäure. PCL erweist sich unter gewissen Bedingungen als eine elastische Substanz mit einer schwammartigen Struktur und der Eigenschaft, ein Formgedächtnis zu entwickeln. Dieses Eigenschaftsprofil brachte die Forscher auf die buchstäblich heiße Spur: Erhitzt man SMP auf etwa 82 °C (140 °F), wird das Material weich und formbar. In den Knochendefekt eingesetzt, würde es abkühlen und seine vergleichsweise steife Textur wieder annehmen und somit an Ort und Stelle bleiben. Das Gerüst beziehungsweise die Schwammstruktur wiederum ist gut für Knochenzellen zu durchdringen; die Lücke kann mit Körper eigener Knochensubstanz geschlossen werden. Sie bliebe zurück, wenn der Körper das Polymermaterial abgebaut hat. Ob und in welcher Weise sich PCL aber in beschriebener Form bei der Behandlung von Kiefer-Gaumenspalten bewährt, soll absehbar experimentell ermittelt und untersucht werden. Wenn es sich als wirksam herausstellen sollte, böte PCL neue Ansätze bei der Behandlung von Knochendefekten infolge von Geburtsfehlern, Unfällen oder Krebserkrankungen, spekulieren die Wissenschaftler. Guido Deußing Foto: Plastics Today Quelle: Plastics Today

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  • Polymere helfen, der Treibstoffverbrauch von Flugzeugen zu senken

    Landeklappen an einer Boeing 737. Quelle: istockphoto/ScienceCom Sprit einsparen und Kosten senken, das ist das Ziel der Fluggesellschaften. Wenn dabei noch die Umwelt geschont werden kann, umso besser. Im Rahmen des Projekts SARISTU der Europäischen Union (EU) soll versucht werden, den Kerosinverbrauch von Flugzeugen um sechs Prozent zu senken. Kunststoffe spielen bei diesem Vorhaben eine wichtige Rolle. Ab in den Urlaub… Ferienzeit ist Flugzeit: Rund 2,2 Milliarden Menschen steigen jährlich in den Flieger, sei es, um in den Urlaub zu fliegen oder um auf Geschäftsreise zu gehen. So bequem und sicher die Fliegerei auch ist, sie hat auch einen Haken: Die Jets blasen im Betrieb jede Menge Schadstoffe in die Luft und belasten damit die Umwelt. Fluggesellschaften, Flugzeugbauer und Wissenschaftler arbeiten daher daran, den Kerosinverbrauch der Flugzeuge zu senken und damit zum einen Ausgaben zu minimieren, Sprit ist bekanntermaßen teuer, und letztlich damit auch die Umwelt zu schonen. Diese Motivation steckt auch hinter dem EU-Projekt SARISTU, das Akronym steht für „Smart Intelligent Aircraft Structures“. Worum geht’s? Im Gegensatz zu Vögeln, die ihre Federn während des Fluges an die Luftströmung anpassen und damit Kräfte nutzen und einsparen können, sind die flugrelevanten Bauteile im beziehungsweise am Flugzeug starre, unbewegliche Gebilde. Das gilt auch für die Landeklappen, die an der Hinterkante der Flügel angebracht sind und zur Landung ausgefahren werden. Abgesehen davon, dass die Landeklappen über eine Achse ausgefahren werden, sind sie völlig steif und unbeweglich. Um nun aber einen dem Vogelflug nachempfundenen Einfluss auf die Aerodynamik des Flugzeugs nehmen zu können, müssen sich die Landeklappen der Luftströmung anpassen, erklärt Martin Schüller, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS in Chemnitz. Die hierfür erforderliche Mechanik wurde bereits entwickelt, und auch die Software, die zur Steuerung benötigt wird, wurde bereits in Zusammenarbeit mit italienischen Kollegen des Luftfahrtinstituts CIRA und der Universität Neapel programmiert. Was fehlt und als Prototyp derzeit getestet wird, ist die Hülle der Landeklappen, die wie eine Haut vergleichsweise flexibel und dehnbar sein muss. Daran werkeln derzeit Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen. Eines jedenfalls scheint offenkundig: Die grundlegende Lösung kann nur polymerbasiert sein: „Wir haben eine Silikonhaut kreiert, in der sich starre und weiche Elemente abwechseln“, erläutert Andreas Lühring, Wissenschaftler am IFAM. Jede Landeklappe besteht aus fünf harten und drei weichen Bereichen, über die eine flexible und dehnbare, sprich extrem belastbare Haut aus Silikon gespannt wird. Die weichen Elemente befinden sich jeweils über der Mechanik, also an den Stellen, die am meisten gedehnt werden. Das Besondere an der beschriebenen Materialkombination liegt nicht nur in dem neuartigen Aufbau, sondern auch im Material an sich: Die Dehnelemente bestehen aus einem temperaturbeständigen Elastomerschaum, der weder bei minus 55 °C noch bei 80 °C seine Elastizität einbüßt. Vier 90 Zentimeter lange Prototypen – zwei davon mit Hautsegmenten – sind derzeit in der Testphase. Doch damit nicht genug: Sechs Prozent Kerosin lassen sich nicht allein durch eine einzige Verbesserung einsparen – dazu ist eine ganze Reihe von Ansätzen nötig. In einem zweiten Teilprojekt widmen sich die Forscher vom IFAM daher dem Wingtip, mit anderen Worten der aufgestellten Flügelspitze. Das Konsortium von SARISTU hat eine Klappe entwickelt, die in der Flügelspitze angebracht ist und ihre Form während des Fluges so verändert, dass der Luftwiderstand möglichst klein ist. Doch zwischen Klappe und feststehendem Flügel darf kein Spalt entstehen, denn dieser würde den Effekt aufheben. „Wir haben daher ein elastisches Verbindungselement entwickelt, und zwar von der chemischen Zusammensetzung über die Verfahrenstechnik bis hin zur Herstellung des Bauteils, sagt Lühring. Auch dieses Bauteil behält seine Elastizität über den gesamten Temperaturbereich zwischen 80 Grad Celsius und minus 55 Grad Celsius – und trotzt zudem der starken Windbelastung. Was Polymere alles zu leisten in der Lage sind, oder? GDeußing

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  • Polymere im Sport: Von WM-Kickern und Plastikflaschen

    Nicht jeder macht sich etwas aus Fußball, obgleich diesem Ballsport grundsätzlich und weltweit viel Beachtung geschenkt wird, vor allem derzeit angesichts der Fußball-Weltmeisterschaft in Brasilien. Wie dem auch sei, am 26. Juni 2014 lohnt es sich – auch für Nicht-Fußball-Fans –, den Fernseher anzuschalten und einen Blick auf die Auseinandersetzung zwischen Deutschland und den USA zu werfen. Das Augenmerk ist vor allem auf das US-amerikanische Team zu lenken, das mit zahlreichen "Flaschen" antritt. Nicht falsch verstehen: Diese despektierliche Formulierung gilt nicht den Spielern von Trainer Jürgen Klinsmann, sondern deren Garderobe: Das Trikot der US-Elf besteht aus recycelten Plastikflaschen. Das neue Auswärtstrikot der US-Kicker ist bemerkenswert, obgleich man es ihm nicht ansieht. Hemd, Hose und auch die Socken wurden aus einem Gewebe herstellte, das aus recycelten Plastikflaschen gesponnen wurde: Die Shorts bestehen zu 100 Prozent, die T-Shirt zu 96 Prozent und die Socken zu 78 Prozent aus recyceltem Polyester. Umgerechnet läuft jeder Spieler mit rund 18 recycelten Plastikflaschen am Körper über den Platz. Trikot-Hersteller Nike hat nach eigenen Angaben seit dem Jahr 2010 fast zwei Milliarden Flaschen aus Deponien gesammelt, genug, um damit mehr als 2.800 „Full-Size“-Fußballfelder zu bedecken. "Die Integration der ökologischen Nachhaltigkeit ist für uns ein wichtiger Teil des Design-und Entwicklungsprozess", sagte Martin Lotti. Ziel sei es, meint der Nike Football Global Creative Director, Kleidung zu schaffen, die den Spielern gut tun und wertvoll ist für den Planeten. Gemeint ist die Wirkung des verwendeten Materials auf die Umwelt – am Körper des Spielers im Sinne eines optimalen Schweißtransfers durch das Material ohne den Organismus zu Stark auszukühlen und gleichfalls für das gesunde Gleichgewicht der Erde. Das WM-Spiel Deutschland-USA mag folglich eine besondere Beachtung finden, wenn konventionelle deutsch Trikots gegen innovative, ökologisch wertvolle antreten. Ob davon letztlich der Sieg der einen über die andere Mannschaft abhängt, ist eher unwahrscheinlich. Gleichgütig, wer gewinnt, die USA oder Deutschland, oder ob beide von einem Deutschen trainierte Mannschaft nur ein Unentschieden herausholen: Die Erde und jeder einzelne von uns profitiert, wenn Deponien kleiner werden und aus vermeidlichem Abfall mit attraktive und funktionale und sichere Werkstoffe und Textilien werden. Apropos: England, Portugal, Korea mögen zwar die Fußball-WM für sich als verloren verbuchen, allerdings in Trikots, die ihrem Ansehen als ökologisch wertvolle Fußballer Ehre machen: Wie die der US-Mannschaft wurden ihre Trikots aus recyceltem Plastik hergestellt. Bei dieser Gelegenheit: Für den Fall, dass Brasilien die WM gewinnt, was dem Gastgeberland zu gönnen wäre, würde eine Mannschaft den Fußballthron besteigen, die nicht nur spielerisches Können beweist, sondern auch ökologisches Bewusstsein im Umgang mit polymeren Materialien, denn auch die Brasilianer tragen Trikots aus recycelten Plastikflaschen. Das gute Beispiel gewinnt!GDeußing (Quelle Text und Foto: Nike) Autor Guido Deußing

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  • Polymere aus Tomaten

    Auf den ersten Blick scheint es, dass Tomaten und Autos nichts Gemeinsames haben. Doch die Ford Motor Company und der Ketchup-Hersteller H.J. Heinz Company sehen Potenziale für eine innovative Kooperation: Ingenieure beider Unternehmen untersuchen derzeit die Verwendung von Tomatenfasern bei der Entwicklung nachhaltiger Verbundwerkstoffe für den Fahrzeugbau. Insbesondere könnten getrocknete Tomatenschalen in Kabelhalterungen und Innenraumablagen Verwendung finden. "Wir untersuchen, ob sich dieses Nebenprodukt aus der Lebensmittelverarbeitung für Anwendungen im Automobilbau eignet", sagte Ellen Lee, Plastics Research Technical Specialist, Ford Motor Company. "Unser Ziel ist es, ein stabiles und leichtes Material zu entwickeln, das die strengen Anforderungen in Fahrzeugen erfüllt und gleichzeitig die Umwelt entlastet". Vor fast zwei Jahren begann eine Zusammenarbeit von Ford mit Unternehmen wie Heinz, Coca-Cola, Nike und Procter & Gamble mit dem gemeinsamen Ziel, einen Kunststoff (PET) auf 100-prozentiger Pflanzenbasis zu entwickeln. Das neuartige Bio-Material soll sich unter anderem auch als Verpackung eignen und dank seiner universellen Eigenschaften die Verwendung von Erdöl-basierten Produkten bei der Kunststoffproduktion drastisch reduzieren. Bei der H.J. Heinz Company suchen Forscher nun nach Möglichkeiten, jene Schalen, Stängel und Samen zu nutzen, die bei der Verarbeitung von jährlich mehr als zwei Millionen Tonnen Tomaten anfallen. "Wir sind sehr gespannt auf neue Technologien", sagte Vidhu Nagpal, Associate Director, Packaging bei der H.J. Heinz Company. "Obwohl wir uns noch in einem frühen Stadium der Forschung befinden und viele Fragen offen sind, freuen wir uns über die Möglichkeiten, die uns ein nachhaltiger Kunststoff auf vollkommen pflanzlicher Basis eines Tages bieten wird". Quelle: istockphoto/ScienceCom

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  • Carbon – Das Material der Zukunft

    Blick in die Sonderausstellung "Harter Stoff: Carbon - Das Material der Zukunft" des Deutschen Museums in München. Quelle: Messe München Die neue Sonderausstellung „Harter Stoff: Carbon – Das Material der Zukunft“ lädt Besucher ein, dem Werkstoff Carbon von der Entstehung bis zur heutigen Verarbeitung zu begegnen. Im Zentrum Neue Technologien des Deutschen Museums wird auf 300 m? gezeigt, mit welchen Methoden Kohlenstofffasern verarbeitet und in welchen Bereichen Carbon bereits eingesetzt wird. Ein Blick in die Zukunft stellt Objekte vor, in denen der Werkstoff künftig zum Einsatz kommen kann. Organisiert wird die Ausstellung durch das Spitzencluster MAI Carbon. Carbon-Werkstoffe sind sehr leistungsfähig und vielfältig einsetzbar. Das neue Material fordert Wissenschaftler und Konstrukteure heraus; in vielen Branchen entstehen derzeit neue Produkte und Verfahren. Die Sonderausstellung zeigt Ergebnisse dieser Pionierarbeit aus der Luft- und Raumfahrt, aus dem Fahrzeug- und dem Anlagenbau, aus der Medizintechnik sowie aus der Materialforschung. Ein Beispiel für den Einsatz von Carbon beim Leichtbau von Fahrzeugen ist die ausgestellte Fahrgastzelle des BMW i3. Weltweit ist sie die erste, automatisiert in Großserie hergestellte Fahrgastzelle aus Carbon. Ein weiteres Highlight ist ein frei schwingender Klangstuhl, aus sehr leichtem und steifem kohlenstofffaser-verstärktem Kunststoff (CFK). Der Stuhl hat keinen Lautsprecher, stattdessen wird er selbst zum Klangkörper, in dem zwei „Schwingspulen“ den Sitz zum Klingen bringen. Ein Ariane Boostergehäuse veranschaulicht die zukünftigen Einsatz-möglichkeiten von CFK bei der nächsten Raketengeneration. An der „König Artus Station“ können Besucher beim Ziehen an einem nur zwei Millimeter dünnen Stab aus Carbon selbst erfahren, dass das Material tatsächlich ein „harter Stoff“ ist. Zusammen mit der Sonderausstellung wird im Kinderreich eine Dauereinrichtung eröffnet, mit der sich die jüngsten Besucher mit dem Werkstoff vertraut machen können. Ein Fahrrad und eine kleine Brücke aus Carbon stehen dort zum testen bereit. „Die Ausstellung im Deutschen Museum soll die Einzigartigkeit des Werkstoffes Carbon zeigen und mit allen Sinnen erfahrbar machen“, schildert Dr. Hubert Jäger, Vorstandsvorsitzender des Carbon Composites e.V. (CCeV). MAI Carbon, ein Projekt des CCeV, möchte mit der Sonderausstellung den Werkstoff erklären und eine Zukunft skizzieren, in der Kohlenstofffaserverbundtechnologien eine große Rolle spielen. Prof. Wolfgang M. Heckl, Generaldirektor des Deutschen Museums: „Das Deutsche Museum ist als interdisziplinäre Bildungseinrichtung der ideale Ort, um ein Millionenpublikum für den Zukunftswerkstoff Carbon zu begeistern.“

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