Themenspecials

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)

  • Elektronen auf der Überholspur

    Entlang mikroskopischer Strukturen in Perowskitsolarzellen können sich Elektronen schneller bewegen. Abb. MPI-P Solarzellen auf Basis von Perowskitverbindungen könnten bald die Stromgewinnung aus Sonnenlicht noch effizienter und günstiger machen. Bereits heute übersteigt die Labor-Effizienz dieser Perowskit-Solarzellen die der bekannten Silizium-Solarzellen. Ein internationales Team um Stefan Weber vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz hat mikroskopische Strukturen in Perowskit-Kristallen gefunden, die den Ladungstransport in der Solarzelle lenken können. Eine geschickte Ausrichtung dieser „Elektronen-Autobahnen“ könnte Perowskit-Solarzellen noch leistungsfähiger machen. Solarzellen wandeln das Licht der Sonne in elektrischen Strom um. Dabei wird die Energie des Lichts von den Elektronen des Materials im Inneren der Zelle aufgenommen. Dieses Material ist meist Silizium, zukünftig könnten jedoch kostengünstigere Perowskitmaterialien zum Einsatz kommen. Die durch das Licht angeregten Elektronen werden von speziellen Kontakten auf der Ober- und Unterseite der Zelle eingesammelt. Verbleiben die Elektronen jedoch zu lange im Material, können sie ihre Energie wieder verlieren. Um Verluste zu minimieren, sollten sie daher so schnell wie möglich zu den Kontakten gelangen. Mikroskopisch kleine Strukturen in den Perowskiten – sogenannte „ferroelastische Zwillingsdomänen“ – können beeinflussen, wie schnell die Elektronen sich bewegen. Dies hat eine internationale Forschungsgruppe um Stefan Weber am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz herausgefunden. Die streifenförmigen Strukturen, die die Wissenschaftler untersuchten, entstehen spontan im Zuge der Herstellung der Perowskite durch mechanische Spannungen im Material. Durch die Kombination zweier Mikroskopie-Methoden konnten die Forschenden jetzt zeigen, dass sich die Elektronen parallel zu den Streifen deutlich schneller bewegen als senkrecht dazu. „Die Domänen sind wie winzige Autobahnen für die Elektronen“, zieht Stefan Weber den Vergleich. Für ihre Experimente musste das Team um Weber zunächst die streifenförmigen Domänen nachweisen. Dies gelang ihnen mit einem Piezo-Kraftmikroskop (PFM). Bereits vor fünf Jahren entdeckten sie mit dieser Methode erstmals die Domänen in einem Perowskit-Kristall. „Schon damals fragten wir uns, ob die Strukturen Einfluss auf die Funktionsweise einer Perowskit-Solarzelle haben,“ so Weber. „Unsere neuesten Ergebnisse zeigen jetzt, dass dies der Fall ist.“ Der Beweis gelang, indem die Forschenden ihre PFM-Bilder mit den Daten einer anderen Methode, der Photolumineszenz-Mikroskopie, verglichen. „Unser Photolumineszenz-Detektor funktioniert ähnlich wie eine Radarfalle“, erklärt Ilka Hermes, Forscherin in Webers Gruppe und Erstautorin der Studie. „Wir messen damit auf mikroskopischer Ebene die Geschwindigkeiten der Elektronen in verschiedene Richtungen.“ Dabei stellte Hermes fest: Entlang der Streifen bewegten sich die Elektronen um rund 50 bis 60% schneller als senkrecht dazu. „Perowskit-Solarzellen, bei denen man darauf achtet, dass die Streifen direkt zu den Elektroden zeigen, würden also deutlich effizienter“, schlussfolgert Hermes. Ihre Ergebnisse haben die Forschenden nun in der Zeitschrift „Energy Environmental Science“ veröffentlicht. Und nicht nur Solarzellen ließen sich dadurch verbessern. Auch andere optoelektronische Anwendungen wie Leuchtdioden oder Strahlungsdetektoren könnten von einem gerichteten Ladungstransport profitieren. „Generell ist es von Vorteil, wenn wir die Elektronen in die richtige Richtung lenken können“, erklärt Stefan Weber. Die Idee der Forschenden: Perowskitkristalle könnten während ihrer Herstellung gezielt unter mechanische Spannung gesetzt werden. Durch dieses sogenannte „strain engineering“ ließen sich die Elektronen-Autobahnen optimal ausrichten. Referenz Ilka M. Hermes, Andreas Best, Leonard Winkelmann, Julian Mars, Sarah M. Vorpahl, Markus Mezger, Liam Collins, Hans-Jürgen Butt, David S. Ginger, Kaloian Koynov, Stefan A. L. Weber: Anisotropic carrier diffusion in single MAPbI3 grains correlates to their twin domains (Energy & Environmental Science); https://dx.doi.org/10.1039/D0EE01016B

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  • Wie viel Recycling steckt tatsächlich im T-Shirt?

    Das Verwenden von recycelten Kunststofffasern aus Polyester (R-PET) zum Herstellen von Kleidung oder Schuhen könnte es Unternehmen ermöglichen, den ökologischen Fußabdruck zu verringern. Aus diesem Grund könnte R-PET auch ein Marketing-Instrument werden, denn immer mehr Kunden wollen umweltbewusster einkaufen. Das Problem: „Das R-PET unterscheidet sich chemisch nicht vom so genannten Virgin-PET, also dem erdölbasierten Polyester", erklärt Tobias Herzog von Tailorlux (Münster). Da R-PET im Einkauf jedoch teurer sei als die neu hergestellten Kunststofffasern, bestehe ein großes Missbrauchspotenzial. Tailorlux will in einem Projekt, das die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) fachlich und finanziell mit 88.000 Euro fördert, einen chemischen, umweltverträglichen Marker entwickeln. Damit sollen die R-PET-Fasern beim Herstellen gekennzeichnet werden, sodass sich mit einem Sensor der Recyclinganteil eines Produktes genau bestimmen lasse. Textilfasern bestehen größtenteils aus Baumwoll- oder Kunstfasern, deren Produktion die Umwelt belaste. Als Ausgangsstoff für Kunstfasern aus Polyester verwende man meistens Polyethylenterephthalat (PET), das auch zum Fertigen von Plastikflaschen genutzt werde. Das so genannte "Virgin-PET" bestehe in der Regel aus dem endlichen Rohstoff Erdöl. „Aus den Polyesterfasern von gebrauchten Textilien kann man durch chemische Verfahren Recycling-PET, auch R-PET genannt, herstellen. Die Qualität des R-PET ist dabei genauso hoch wie die des Virgin-PET. So wird der Stoffkreislauf geschlossen – ein gutes Beispiel für circular economy", erklärt Dr. Volker Berding, DBU-Referatsleiter Ressourcenmanagement. Hohes Missbrauchspotenzial Für die Kunststoff- und Textilindustrie sei das R-PET deswegen eine Maßnahme, um den ökologischen Fußabdruck zu reduzieren. Viele Unternehmen nutzen die recycelten Fasern außerdem, um nachhaltig orientierte Kunden für ihre Produkte zu interessieren. „Das Problem ist, dass sich R-PET und Virgin-PET chemisch nicht voneinander unterscheiden lassen. Da das recycelte Material im Einkauf jedoch teurer ist, besteht hier ein hohes Missbrauchspotenzial", so Herzog. Billigeres Virgin-PET könne leicht als das teurere und umweltfreundlichere R-PET gekennzeichnet und verkauft werden. Dabei seien sowohl die Hersteller als auch die Einkäufer daran interessiert, nachzuweisen, dass ihre Produkte tatsächlich aus Recyclingmaterial bestehen. Wie viel R-PET steckt tatsächlich im T-Shirt? Hier setze das Vorhaben von Tailorlux an. Das Unternehmen entwickle stabile, umweltverträgliche Materialien, die leuchtende Eigenschaften besitzen. Beim Herstellen der R-PET werde dieses Material eingebracht und hinterlasse so einen optischen Fingerabdruck, den man mit einem einfachen Sensor auslesen könne. Das Material bleibe Teil des Produktes, zum Beispiel eines T-Shirts, selbst wenn dieses beim Recycling zerstört werde. Getestet werden verschiedene Recyclingmethoden, die unterschiedliche Zusammensetzungen von Neu- und Recyclingmaterial ergeben. Der Sensor lese die Variationen aus und füttert damit einen lernenden Algorithmus. Tobias Herzog erklärt: „Mit diesem Verfahren kann dann per Knopfdruck der tatsächliche Anteil an Recyclingfasern im Produkt festgestellt werden." Zusätzlich ließen sich weitere Informationen wie Chargen oder Bezugsquellen der Rohstoffe auslesen und speichern. So könnten sowohl Hersteller als auch Käufer von R-PET falsche Angaben ausschließen.

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  • Neue Chemie für ultradünne Gassensoren

    Die Anwendung von Zinkoxidschichten in der Industrie ist vielfältig und erstreckt sich vom Schutz verderblicher Waren vor Luft bis zur Detektion von giftigen Stickoxiden. Solche Schichten können mit Hilfe der Atomlagenabscheidung (engl. Atomic layer deposition, kurz ALD) hergestellt werden, die normalerweise Vorläuferchemikalien, sogenannte Präkursoren, einsetzt, die sich an der Luft sofort entzünden. Ein interdisziplinäres Forschungsteam der Ruhr-Universität Bochum (RUB) hat jetzt einen neuen Herstellungsprozess etabliert, der auf nicht selbstentzündlichen Präkursoren basiert und bei so niedrigen Temperaturen abläuft, dass auch Kunststoffe beschichtet werden können. Um einen Sensor für Stickstoffdioxid (NO2) herzustellen, muss eine dünne Schicht nanostrukturiertes Zinkoxid (ZnO) auf ein Sensorsubstrat aufgebracht und anschließend in ein elektrisches Bauteil eingebunden werden. Das Team von Prof. Dr. Anjana Devi nutzte ALD, um ultradünne ZnO-Schichten auf solche Sensorsubstrate aufzubringen. Generell werden in der Industrie ALD-Prozesse eingesetzt, um mittels ultradünner Schichten, die teilweise nur wenige Atomlagen dick sind, elektrische Bauteile zu miniaturisieren und gleichzeitig die Effektivität zu erhöhen. Dafür sind Präkursoren notwendig, die im ALD-Prozess auf einer Oberfläche reagieren und so eine dünne Schicht bilden. „Die Chemie hinter ALD-Prozessen ist also essenziell und hat großen Einfluss auf die resultierenden Schichten“, unterstreicht Anjana Devi. Sichere Handhabung und höchste Qualität In der Industrie werden ZnO-Schichten bisher mit einem extrem reaktiven Zinkpräkursor hergestellt, der sich an Luft sofort entzündet, Experten nennen das pyrophor. „Der Schlüssel für die Entwicklung eines sicheren ALD-Prozesses war die Erforschung eines neuen, nicht pyrophoren Präkursors, der sicher gehandhabt werden kann und in der Lage ist ZnO-Schichten in der höchsten Qualität herzustellen“, so Lukas Mai, Erstautor der Studie. „Die Herausforderung war es, eine alternative Chemie zu finden, die in der Lage ist, pyrophore, industriell verwendete Verbindungen zu ersetzen.“ Das Besondere am neuen Prozess ist, dass dieser sogar bei geringen Temperaturen möglich ist, was das Beschichten von Kunststoffen ermöglicht. Somit ist der neue Prozess nicht nur für die Herstellung von Gassensoren geeignet, sondern auch für Gasbarriereschichten. Sie werden in der Industrie auf Plastik aufgebracht und dafür genutzt, empfindliche Waren wie Lebensmittel und Medikamente vor Luft zu schützen. Referenz Lukas Mai et al., Zinc Oxide: From precursor chemistry to gas sensors: Plasma‐enhanced atomic layer deposition process engineering for zinc oxide layers from a nonpyrophoric zinc precursor for gas barrier and sensor applications, Small (2020) DOI:10.1002/smll.202070122, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202070122

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  • Ausländische Investitionen in Land verstärken die Abholzung tropischer Wälder

    Fruchtbares Agrarland wird weltweit immer knapper. Das hat in den letzten Jahren zu einem Anstieg von Investitionen in Land im globalen Süden geführt. Im Rahmen solcher Investitionen versuchen sich internationale Agrarkonzerne und Regierungen langfristig Zugang zu Land in anderen Weltregionen zu sichern, um beispielsweise Agrarprodukte für den Weltmarkt oder Bergbau zu Betreiben. Diese Investitionen können durchaus positive Auswirkungen haben, z.B. wenn Arbeitsplätze entstehen oder Technologtransfer stattfindet. Gleichzeitig besteht die Sorge, dass Investitionen in Land zu einem höheren Druck auf die Umwelt führen und die lokale Bevölkerung benachteiligen. Diese Sorge ist berechtig, wie eine internationale Forschergruppe unter der Leitung von Kyle Davis von der University of Delaware und unter Beteiligung des Geographischen Instituts der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) herausfand. Die jetzt in Nature Geoscience veröffentlichte Studie zeigt erstmalig die Zusammenhänge von Landinvestitionen und Abholzung tropischer Wälder über den gesamten globalen Süden hinweg. Laut der Studie führen viele Landinvestitionen zur verstärkten Abholzung von Tropenwäldern in Agrarland – in weitaus höherem Ausmaß, als dies ohne Investitionen zu erwarten wäre. „In den letzten Jahrzehnten gab es aufgrund der weltweit wachsenden Nachfrage nach Agrarprodukten und Rohstoffen aus der Forstwirtschaft einen rapiden Anstieg der Landinvestitionen“, erklärt Tobias Kümmerle, Professor für Biogeographie an der HU und Mitautor der Studie. „Die Studie zeigt, dass diese Investitionen bevorzugt auf Gebiete abzielen, in denen noch Tropenwald vorhanden ist. Vor allem die Investitionen zur Produktion von Kautschuk und Palmöl, aber auch zur Produktion von Biomasse für die Papierherstellung führen zur Abholzung dieser Wälder“. Die Forscherinnen und Forscher nutzten eine große georeferenzierte Datenbank mit mehr als 82.000 einzelnen Transaktionen, die 15 Länder in Lateinamerika, Subsahara-Afrika und Südostasien abdeckt, und brachten diese mit globalen Daten über die jährliche Waldbedeckung und den Waldverlust zwischen 2000 und 2018 zusammen. „Diese einzigartigen Datensätze lieferten uns Informationen über die genaue Fläche, die Grenzen und die beabsichtigte Nutzung der einzelnen Landinvestitionen. Dadurch konnten wir mit Hilfe von statistischen Verfahren berechnen, ob groß angelegte Landinvestitionen wirklich mit einer erhöhten Waldverlustrate verbunden sind“, so Davis, Professor an der Universität Delaware und Hauptautor der Studie. Die Studie zeigt, dass seit Beginn des Jahrhunderts 76 Prozent aller großen Landerwerbe im globalen Süden auf ausländische Landinvestitionen zurückzuführen sind. Diese Landerwerbe deckten sechs bis 59 Prozent der Landfläche eines Landes und bis zu 79 Prozent seiner Wälder ab. Die Forscher fanden auch heraus, dass bestimmte Investitionen an besonders hohe Waldverlustraten geknüpft waren – insbesondere wo Land für den Anbau von Palmöl, Kautschuk oder forstliche Monokulturen akquiriert wird. Bei anderen Investitionstypen, wie beispielsweise der langfristigen Pachtung von Wäldern für den Holzeinschlag und mit dem Ziel des Abbaus von Bodenschätzen, waren die Ergebnisse uneinheitlicher. Manchmal stellte sich hier sogar eine kleine, schützende Funktion heraus – der Waldverlust war also weniger als in umliegenden, vergleichbaren Gebieten. „Wir müssen dringend Regulierungen hinsichtlich von Landinvestitionen sowie Handelsbestimmungen stärken, um das zu schützen, was von unseren tropischen Wäldern noch übrig geblieben ist“, erklärt Laura Kehoe, eine weitere Koautorin und ehemalige Doktorandin des Geographischen Instituts der HU. Die Forscherinnen und Forscher betonen, wie wichtig es ist, transparente und detaillierte Informationen über Landinvestitionen bereitzustellen. Nur dann sei es möglich, die Auswirkungen dieser Transaktionen objektiv zu beurteilen. Ihre Ergebnisse liefern auch konkrete Ansatzpunkte für politische Entscheidungsträgerinnen und -träger zur Vermeidung von Entwaldung: „Wir sehen, dass die gleiche Art von Investitionen in einem Land zu verstärktem Waldverlust führen kann, in einem anderen Land aber nicht. Dies deutet darauf hin, dass es Möglichkeiten gibt, die negativen Umweltauswirkungen von Landinvestitionen erheblich zu mindern“, schließt Tobias Kümmerle. Davis K.F., Koo H. I., Dell’Angelo J., D’Odorico P., Estes L., Kehoe L., Kharratzadeh M., Kümmerle T., Machava D., de Jesus Rodrigues Pais A., Ribeiro N., Rulli M. C. & Tatlhego M. (2020): Tropical forest loss enhanced by large-scale land acquisitions. Nature Geosciences, in press. https://www.nature.com/articles/s41561-020-0592-3

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  • Der doppelte Mantel um Moleküle in Wasser

    Eine dünne Schicht So entstand ein detailliertes Bild der das Molekül umgebenden Wasserschichten. „Wir nennen die innerste Lage ‚HB-wrap’, wobei HB für water hydrogen bond, also Wasserstoffbrückenbindung steht“, erläutert Martina Havenith. Die darüber liegende Schicht wird als „HB-hydration2bulk“ bezeichnet, also die Verbindung zum restlichen Wasser („bulk“). Beide Lagen der Ummantelung zusammen sind teilweise nur so dick wie eine einzelne Schicht Wassermoleküle. „Es kann vorkommen, dass ein Wassermolekül beiden Schichten angehört“, so Havenith. Innere Schicht bleibt länger stabil Bei Temperaturerhöhung schmilzt zuerst die äußere Schicht, die innere hält sich länger um das Molekül. „Das liegt daran, dass die innere Schicht durch die wasserabweisenden Eigenschaften des umschlossenen Moleküls weniger Bewegungsfreiheit hat“, erklärt die Forscherin. „Die einzelnen Wassermoleküle müssen sich stets davon abwenden, daher bilden sie nur ein zweidimensionales, loses Netz.“ Die Moleküle darüber haben mehr Freiheiten und daher auch mehr Verbindungsmöglichkeiten untereinander, die Forscher sprechen von größerer Entropie. Diese Art der Wechselwirkung ist unter anderem bedeutend für Faltungsprozesse von Proteinen und die biomolekulare Erkennung zwischen einem Medikament und seinem Targetmolekül. Ein Verständnis der Rolle des Wassers spielt dabei eine zentrale Rolle. Referenz Valeria Conti Nibali, Simone Pezzotti, Federico Sebastiani, Daria Ruth Galimberti, Gerhard Schwaab, Matthias Heyden, Marie-Pierre Gaigeot, Martina Havenith: Wrapping up hydrophobic hydration: locality matters, in Physical Chemistry Letters, 2020, DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c00846

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  • Kunststoff in Kunst, Film, Musik und Literatur

    Thema des Monats Serienauftakt: Kunststoffe als Gegenstand der Kunst Von Guido Deußing Skulptur der französischen Künstlerin Niki de Saint Phalle (1930-2002). Allen Vorurteilen zum Trotz: Zwischen Kunst und Kunststoff stimmt die Chemie! Die Verwendung synthetischer Materialien macht Kunstwerke nicht „unecht“. Der Vorwurf der Künstlichkeit geht fehl, denn er liefe auf die zweifelhafte Forderung hinaus, Kunst habe „natürlich“ zu sein. Die Historie belehrt eines Besseren: Kunst befindet sich zur Natur von Anfang an auf Distanz und höhlt deren Autorität nach und nach aus. Kommt in der Moderne Plastik ins Spiel, wird die Kunst vordergründig zwar „künstlicher“, aber deswegen nicht weniger künstlerisch – die Natur erlangt ihre verlorene Autorität nicht zurück. Während die Kunsttheorie oft noch mit dem sogenannten Künstlichen ringt, hat die künstlerische Praxis, insbesondere die Bildhauerei, die Integration längst vollzogen. Kunststoffskulpturen und Kunststoffplastiken – Nomen est omen! – erlebten in den 1960er-Jahren einen wahren Boom. Die historischen Anfänge aber liegen weiter zurück: Schon im Jahre 1916 schuf der russische Bildhauer Naum Gabo (1890-1977) in seiner Wahlheimatstadt Paris den Tête No. 2 eine kubistisch beeinflusste Skulptur aus Rhodoid (Zellulose-Azetat, seinerzeit vorwiegend für Billardkugeln verwendet). Der Kunstgeschichte gilt dieses Ereignis als Premiere – erstmals kam Kunststoff als Material künstlerischer Gestaltung zum Einsatz. Zu Rhodoid gesellte sich in der Kunst wenig später Zelluloid, das allerdings leicht in Brand gerät – man denke zurück an die Anfänge des Kinos, als Zelluloidfilm in Flammen aufging, sobald es im Projektor zu heiß wurde. Transparente Kunststoffe bieten neue Möglichkeiten Ende der 1920er-Jahre stand auch Polymethylmethacrylat (PMMA) zur Verfügung, besser bekannt unter seinen Handelsnamen Plexiglas, Lucite oder Perspex. Die Transparenz des neuen Materials eröffnete den bildenden Künsten ungeahnte Ausdrucksmöglichkeiten: Lichtoszillationen, die Kunstbetrachter gewöhnlich ignorieren, womöglich sogar als störend empfinden, wurden nun Teil des Kunstwerks beziehungsweise entgrenzten es in die Tiefe des Raums. Eine Entwicklung, die Gabo und Antoine Pevsner (1884-1962) bereits am 5. August 1920 in ihrem „Realistischen Manifest“ vorweggenommen hatten: Die beiden Brüder erklärten das Licht und seine Bewegung im leeren Raum zu neuen Mitteln der Bildhauerei und forderten den Verzicht auf die etablierten Werkstoffe. Das Manifest markiert den Beginn einer Traditionslinie, die sich über László Moholy-Nagy (1895-1946), den in den 1920er-Jahren am Weimarer Bauhaus lehrenden Konstruktivisten und seinen Space Modulator“ (1939) bis in die Gegenwart verfolgen lässt – etwa zu den deutschen Künstlern Adolf Luther (1912-1990, sphärische Hohlspiegelobjekte), Heinz Mack (geb. 1931, luminokinetische Kunst) oder Uli Pohl (geb. 1935, lichtplastische Skulpturen). Kunststoff - idealer Werkstoff für die Künste Gründe, als Künstler mit Kunststoff zu arbeiten, gibt es reichlich, zunächst einmal ganz pragmatische – diesseits von Wirkungsintention und spirituellem Überbau. Kunststoff fügt sich nahezu allen technischen und ästhetischen Anforderungen. Seine Wandlungsfähigkeit und Vielseitigkeit erweitern die künstlerischen Gestaltungsmöglichkeiten immens, machen ihn geradezu zum Universalmaterial: Er ist biegsamer als Glas, geschmeidiger als Wolle und vermag Holz, Stein, Marmor oder Metalle täuschend zu imitieren und mithin zu ersetzen. Künstler geben Kunststoff zum einen aus Kostengründen häufig den Vorzug, denn Plastik ist nun mal wesentlich billiger als etwa Bronze. Zum anderen ziehen natürliche Werkstoffe immer dann den Kürzeren, wenn die Kunst ins Monumentale strebt, denn mit federleichtem Kunststoff ergeben sich – anders als bei Marmor oder Metall – keine gravierenden „Gewichtsprobleme“. Bunt bemalte Skulptur der französischen Künstlerin Niki de Saint Phalle (1930-2002). Quelle: Archiv Auch die weltberühmten Nanas, hünenhaft-korpulente, bunt bemalte Frauenskulpturen der französischen Künstlerin Niki de Saint Phalle (1930-2002), hätten ohne den Gewichtsvorteil, den Polyester ihnen verschafft, wohl kaum solche Verbreitung gefunden. Allerdings war das auch schon alles, was Saint Phalle zur Verwendung von Kunststoff bewog: „Der Aspekt des Kunststoffs um seiner selbst willen oder sein ‚moderner‘ Charakter interessieren mich überhaupt nicht. Ich bemale ihn, und die Leute wissen nicht, was für ein Material es ist. Das Material zählt für mich nicht, es ist ein Mittel“, bekannte sie freimütig. Auch für die lebensecht wirkenden Menschenskulpturen, die US-Bildhauer Duane Hanson (1925-1996) ab den späten 1960er-Jahren als Repräsentanten des American Way of Life mithilfe von Gipsabdrücken schuf, spielt eine untergeordnete Rolle, dass mal Polyvinylacetat, mal Polyesterharz die Grundsubstanz bildete. Sie ist nämlich stets überdeckt von Kleidung, Farbe und Schminke. Ästhetische Eigenqualitäten des Kunststoffs kommen nicht zum Tragen, er ist reduziert auf reine Zwecktauglichkeit. Das Gros der Künstler ließ und lässt sich hingegen auf die neuartigen Materialien ein: „Kunststoffe müssen nicht so aussehen, wie sie uns tagaus, tagein begegnen“, sagt die in München lehrende Malerin, Bildhauerin und Chemikerin Bussi Buhs (geb. 1940). „Den Beweis können alleine Künstler erbringen, die bereit sind, in freiem Spiel die noch unentdeckten Seiten dieser organischen Materialien, die als schillernd weiblich empfundene ‚Superma-teria‘ die Gestaltungsmöglichkeiten aller anderen Werkstoffe in sich vereinen, in ihrem Werk persönlich zur Sprache zu bringen. Es gilt, die spezifischen Artikulationsweisen, die Kunststoffen eigen sind, zu erforschen und sie im Objekt zum „Sprechen“ zu bringen. Indem Kunst diesen Reichtum erschließt, wird sie selbst um neue Ausdrucksformen reicher. Die künstlerische Autonomie wird dabei nicht preisgegeben; die „Sprache“ des Kunststoffs soll nicht die Idee des Kunstwerks diktieren. Mit anderen Worten: Nicht die Wahl des Materials entscheidet über die künstlerische Konzeption, sondern umgekehrt. Der französische Bildhauer César Baldaccini (1921-1998) legte Wert auf die Feststellung, die Formen seiner „Expansionen“ aus Polyurethanschaum (PU) seien durch die künstlerische Aktivität bestimmt: „Hat man erst einmal den Prozess der chemischen Reaktion verstanden, so greift man mit dem Körper ein: Das ist physisch, das ist die Hand. Es gibt tausend verschiedene Arten zu gießen, um sehr verschiedene Formen zu erzielen. Es gibt auch eine Oberflächenbehandlung durch Pressung, die die Oberfläche festigt. Und bei dieser Arbeit mache ich oft beträchtliche Formveränderungen. Ich kann den Schaum auch schneiden, zerschneiden und ein noch nicht gegossenes Stück hinzufügen. Ich kann alles machen, was ich will.“ Auch auf die lichtplastischen Skulpturen des schon erwähnten deutschen Bildhauers Uli Pohl trifft das Primat der Idee zu: „Man hat geschrieben, dass ein Acrylglas-Objekt zuerst ein durchlässiges Medium ist und dass eben nur diese Durchlässigkeit das Licht und den Umraum vermittelt. Demgegenüber ist festzuhalten, dass in erster Linie die Gestaltung und ihr Ergebnis selbst die Transportmittel für die Verwirklichung der Pohl’schen plastischen Ideen bilden. Auch seine allerersten Versuche (‚Modelle‘) waren keine Materialerprobungen mit dem Ziel, eine mögliche Gestaltung zu finden, sondern Realisationsversuche einer kalkulierten Konzeption.“ (zitiert aus der 1980 auf der 1. Triennale für Kleinplastik gehaltenen Laudatio des damaligen Direktors des Duisburger Wilhelm-Lehmbruck-Museums, Dr. Siegfried Salzmann [1928-1993]) Kunst aus Kunststoff als Spiegel der Zeit Kunstautonomie hin oder her: Kunststoff ist kein neutrales Material, sondern kulturell und sozial präformiert. Die damit verbundenen weltanschaulichen Zuschreibungen sind nicht automatisch außer Kraft gesetzt, sobald die Kunst den Rahmen abgibt. Kunststoff gilt als modern, innovativ, progressiv – kein Wunder, dass auch Künstler mit dem Material Fortschritts-Utopien verbunden haben. Speziell US-amerikanische Künstler haben den Kunststoff inszeniert: poppig-bunt und auf Hochglanz poliert. Sie haben sich dafür vorwerfen lassen müssen, einen Kniefall vor der Konsumgesellschaft zu vollziehen, als deren Frucht und Symbol der Kunststoff begriffen – und angegriffen – wurde. Doch hat die Kunst der Konsumwelt wohl nur den Spiegel vorgehalten. Jedenfalls machen kritische Reaktionen wie diese deutlich, dass der Gebrauch von Kunststoffen verstärkt unter Rechtfertigungsdruck gerät, sobald sich, wie ab Ende der 1960er-Jahre der Fall, Widerstand gegen unser Wirtschaftssystem formiert. Synthetische Materialien waren bei Systemkritikern und Ökoaktivisten bereits verpönt, bevor es 1973 zur ersten Ölkrise kam. Interessanterweise erlahmte die Kunst nicht durch die Anti-Kunststoff-Tendenz, sie machte sie sich sogar zunutze: „Plastik“ wurde gezielt eingesetzt, um die Aura des Kunstwerks zu brechen, es zu entsakralisieren. Kunststoffe sollten dem Kunstbetrachter die in Museen eingeübte quasireligiöse Andachtshaltung austreiben. Der französische Künstler und Philosoph Hervé Fischer (geb. 1941) ging so weit, die Überreste zerrissener Kunstwerke in Kunststoffsäcken auszustellen. Und der irische Bildhauer Les Levine (geb. 1935) propagierte sogar eine zum Verbrauch bestimmte „Wegwerfkunst“ aus Kunststoff (Disposable Art). Das geht entschieden zu weit, finden wir – sowohl Kunst als auch Kunststoff sind Güter, die sich zu erhalten (oder immerhin zu recyceln) lohnt ... Kunst und Kunststoff: Was Künstler über Kunststoff sagen „Kunststoff ist kein Material, das ich gern habe. Er ist ein Material, zu dessen Verwendung ich gezwungen war, weil es kein anderes gab. Es muss gesagt werden, dass dieses Material das einzige heute existierende ist, das die Möglichkeit bietet, große transportierbare Volumen zu schaffen: leicht und unzerbrechlich.“ Niki de Saint Phalle (1930-2002), französische Malerin und Bildhauerin, Mitglied der Pariser Künstlergruppe „Nouveaux Réalistes“. Erste „Nanas“-Ausstellung im September 1965 in der Galerie Alexandre Iolas, Paris „Es kommt mehr auf das an, was man zu sagen hat, als auf das Material, das man verwendet. Das Material muss in den Dienst der Idee gestellt werden. Wenn es keinen Kunststoff gäbe, würde mich das nicht daran hindern zu arbeiten.“ Armand Pierre Fernandez (1928-2005), genannt Arman, französisch-US-amerikanischer Objektkünstler und Mitbegründer des „Nouveau Réalisme“. Wurde berühmt durch seine „Colères“ (zerstörte Gegenstände, in Polyesterharz inkludiert und konserviert) „Polyurethan – gemeinhin Schaum genannt – ist zum idealen Vektor für den Ausdruck von Begriffen und Ideen geworden, die meiner eigenen Einstellung zur Kompression und zur Dichte entsprechen. Der Schaum ist ein interessantes und sehr amüsantes Material, das auch einen instinktiven und sexuellen Humor zu besitzen scheint.“ John Angus Chamberlain, geb. 1927, US-amerikanischer Künstler (Bildhauerei, Film, Fotografie). Repräsentant des „Nouveau Réalisme“ und des „Abstrakten Expressionismus“. Arbeitet u. a. mit Polyurethan und Polymethylmethacrylat „Die Modernität von Kunststoff ist so augenfällig, dass viele Künstler geglaubt haben, es genüge, Kunststoff zu verwenden, um eine rückschrittliche künstlerische Ausdrucksweise zu aktualisieren und interessant zu machen. Aber obwohl sie eine schwache Idee nicht zu ersetzen vermag, existiert diese Modernität, besonders wenn sie einen technologischen Ausdruck findet.“ Hervé Fischer, geb. 1941, französischer Künstler, Kultursoziologe und Philosoph. Gründete 1971 die Bewegung „L’art sociologique“ "Letzten Endes vollzieht sich meine Arbeit innerhalb der mechanischen Grenzen, der chemischen Gesetze der Materialien, die ich verforme. Die Schönheit, die ich suche, ist die der einfachen wissenschaftlichen Gesetze und ihrer Beherrschung durch den Menschen.“ Piotr Kowalski (1927-2004), polnischer Bildhauer, lebte ab 1953 in Paris, arbeitete seit 1957 mit Kunststoffen (Polyester, Akrylharz) „Um aus Kunststoff etwas Künstlerisches zu schaffen, musste man nach meinen Gefühl die wesentliche Natur dieses Materials, seine sozialen Anwendungsgebiete und seine Fabrikationsmöglichkeiten berücksichtigen und wirklich verstehen. Das Fabrikationsverfahren wurde für mich interessanter als das fabrizierte Objekt, und ich war der Auffassung, dass dieses Verfahren mehr über die Gesellschaft und über die Kunst auszusagen habe als irgendeine ästhetische Form oder irgendein Werk, das ein Künstler daraus gestalten könnte.“ Les (Leslie Leopold) Levine, geb. 1935, irischer Bildhauer, wanderte 1958 nach Kanada aus, lebt in New York. Arbeitet mit Polyesterharz, Polymethylmethacrylat und Polystyrol "Die ästhetische Form von Kunststoffprodukten wird in der Regel von Ingenieuren und Designern nach zweckorientierten Gesichtspunkten entwickelt. Nur im zweckfreien Tun kann nach meiner Meinung zur Erscheinung gebracht werden, was in diesen immer noch nicht ausgeloteten und ihrem vollen Umfang unbekannten Materialien steckt. Hinter dem proteushaften Vermögen dieser Stoffe, jede Mimikry anzunehmen, und ihrer Fähigkeit, über die Transparenz in spirituelle Bereiche vorzustoßen, ahne ich etwas zutiefst Erotisches und Sakrales.“ Bussi Buhs, geb. 1940, deutsche Malerin, Bildhauerin und Chemikerin; seit 1961 Versuche mit Kunststoffen, 1971-2005 Aufbau und Leitung der Kunststoffwerkstätte an der Kunstakademie in München, Dozentin für Kunststofftechnik. Arbeitet u. a. mit Polyester und Acryl "Mir ist jedes Material, jedes Medium recht, um das Licht direkt oder indirekt sichtbar zu machen. Jedes Material muss immaterialisiert werden, damit die Erscheinung zustande kommen kann. Transparente Materialien wie z. B. Plexiglas sind schon von sich aus geeignet, immateriell zu erscheinen. Darum habe ich Plexiglas in den 60er-Jahren sehr oft eingesetzt. Als es von den Designern entdeckt wurde, entfernte ich mich von diesem Material.“ Heinz Mack, geb. 1931, deutscher Künstler und Philosoph, 1950-1953 Studium an der Staatlichen Kunstakademie Düsseldorf, seit 1956 schöpferisch tätig im Bereich der luminokinetischen Kunst, 1957 Mitbegründer der Düsseldorfer Künstlergruppe „ZERO“

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  • Forschungsdatenschätze werden verfügbar

    Am Freitag, dem 26.06.2020, entschied die Gemeinsame Wissenschaftskonferenz (GWK) von Bund und Ländern, welche Disziplinen im Rahmen des Projektes „Nationale Forschungsdateninfrastruktur“ (NFDI) ab Herbst gefördert werden. In dieser ersten von drei Ausschreibungsrunden profitiert das Leibniz-Institut für Katalyse (LIKAT) in Rostock und die Universitäten Rostock und Greifswald als bedeutender Teil der katalyserelevanten Wissenschaften. Das neue Projekt fördert die Digitalisierung in zentralen Wissenschaftsbereichen mit dem Ziel, wichtige Forschungsdaten der beteiligten Partner zu vernetzen und breiter verfügbar zu machen. Die aktuelle Coronakrise führt deutlich vor Augen, wie essenziell dies ist. Die in der Forschung Tätigen können auf diese Weise z.B. effektiver von den Erfahrungen, aber auch den Irrtümern, der Kollegen aus anderen Einrichtungen lernen und so deren Expertisen besser nutzen. Anstatt wie bisher üblich nach Projektende die gewonnen Forschungsdaten in die Schublade zu legen, sollen nun national, und wo es sich anbietet auch international, Forschungsdaten gebündelt, vernetzt und weiter genutzt werden. So entsteht ein umfangreicher „Wissensspeicher und Datenschatz“, der auch für Dritte leicht und übersichtlich auffindbar und zugänglich sein soll. Der Aufbau dieser nationalen Infrastruktur für Forschungsdaten wird durch das BMBF mit bis zu 90 Mio Euro gefördert. Um das zunächst auf ein Jahrzehnt angelegte Großprojekt strukturiert anzugehen, bewarben sich Zusammenschlüsse passender Disziplinen in sogenannten Konsortien. Neben acht weiteren Konsortien wird auch der Verbund NFDI4Cat, in dem sich deutschlandweit Universitäten und Forschungseinrichtungen der katalyserelevanten Wissenschaften zusammengeschlossen haben, gefördert und kann seine Tätigkeit ab voraussichtlich Oktober dieses Jahes aufnehmen. Neben dem LIKAT, als europaweit führendes Forschungsinstitut für angewandte Katalyse, werden die Universitäten in Rostock und Greifswald als Teil des NFDI4Cat mit etwa 2 Mio Euro für die nächsten 5 Jahre unterstützt. Christoph Wulf und Dr. David Linke vom Leibniz-Institut für Katalyse, die den Forschungsantrag mitkonzipiert haben, sagen dazu: „Die Digitalisierung unserer Forschungsdaten hilft uns nicht zuletzt, effizienter von der Grundlagenforschung zur (industriellen) Anwendungen zu kommen.“ Katalyse gilt bei der Eindämmung drängender Probleme, wie dem Klimawandel oder der Verknappung fossiler Ressourcen, als Schlüsseltechnologie. Um CO2 und Plastik in die Produktion rückzuführen oder Wasserstofftechnologien zur Speicherung von erneuerbaren Energien zu etablieren, erfordert es eine enge Vernetzung verschiedener Katalysedisziplinen und Verfahrenstechnik.

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  • Von Kleidern bis Fluggerät: DBU setzt Start-up-Förderung fort

    Mode im Kreislauf denken und so die Umwelt schonen – das ist das Ziel von circular.fashion. Bild: circular.fashion "Digitalisierung und Klimaschutz müssen trotz und wegen der momentanen Corona-Krise weiterhin intensiv vorangetrieben werden", sagte Alexander Bonde der Generalsekretär der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU). Dementsprechend konsequent setzt die Stiftung ihr Green Start-up-Sonderprogramm fort. Unterstützt werden die Gründerteams von Free-D Printing (Bochum), circular.fashion (Berlin), Hybrid-Airplane Technologies (Baden-Baden) und cirplus (Hamburg), die mit insgesamt einer halben Million Euro fachlich und finanziell gefördert werden. Seit letztem Sommer seien jetzt bereits 16 Start-ups mit insgesamt rund zwei Millionen Euro in der Förderung. So sollen kreative Köpfe die Chance erhalten, sich mit den drängenden Fragen unserer Zeit wie Agrar-, Energie- und Verkehrswende zu beschäftigen und innovative grüne Lösungen zu entwickeln. „Das größte Problem in der Textilindustrie ist ihre Struktur, die nicht im Sinne einer Kreislaufwirtschaft aufgebaut ist", so Ina Budde von circular.fashion, eine der wenigen Gründerinnen in der Start-up-Branche. Mehr als 97 Prozent der Textilien produziere man aktuell aus neuen Rohstoffen und vieles davon werde nach Gebrauch auf Deponien entsorgt oder verbrannt. Viele Firmen hätten inzwischen erkannt, dass ein grundlegender Wandel dieser Verhaltensmuster notwendig sei. circular.fashion unterstützt die Textilindustrie bei dieser Veränderung. „Wir wollen den Modemarken und Altkleidersortierern eine Software zur Verfügung stellen, die es ermöglicht, kreislauffähige Produkte zu designen und später den passenden Recyclingbetrieben zuzuführen. Gleichzeitig sollen die Kunden ermutigt werden, ihre Kleidung länger zu tragen und sie dann ebenfalls recyceln zu lassen“, erklärt Budde die Idee des jungen Unternehmens. Sechs Achsen für sparsames Arbeiten Beim gewöhnlichen 3D-Druck – 3D steht für dreidimensional – handelt es sich um ein Verfahren, mit dem zum Beispiel Bauteile hergestellt werden. Dabei trägt der 3D-Drucker entlang von drei Achsen – links nach rechts, oben nach unten und vorne nach hinten – das verwendete Material Schicht für Schicht auf einer Grundplatte zum fertigen Bauteil auf. Dieses eingeschränkte Bewegungsmuster habe jedoch viele Nachteile wie zum Beispiel erforderliche Stützkonstruktionen, die unnötig Material verbrauchen. Das will das Start-up „Free-D Printing“ ändern: Mit einem sechsachsigen Industrieroboter soll das Drucken freigeformter Objekte möglich gemacht werden, um so Materialverbräuche zu reduzieren und Fertigungskosten einzusparen. Besonders interessant sei, dass so an vorhandene Oberflächen anderer Bauteile direkt angeschlossen werden könne, was völlig neue Anwendungen ermöglicht. Das Team wurde bereits mit dem Erfinderpreis 2017 der Ruhr-Universität Bochum ausgezeichnet, konnte beim ERCIS Launch Pad 2017 mit der besten wissenschaftlichen Fundierung überzeugen und gewann den Gründerwettbewerb start2grow. Doppelt nachhaltig: Mit Altplastik Ressourcen schonen „Der Einsatz von recycelten Kunststoffen, so genannten Rezyklaten, ist ein zentraler Ansatz, um Rohstoffe zu sparen und den Eintrag von Plastik in die Umwelt zu verringern. Denn: eine Nachfrage nach Abfällen verhindert, dass Plastik unsachgemäß in der Umwelt abgelagert wird. Außerdem spart der Einsatz von Rezyklaten zwischen 50 und 85 Prozent des Kohlendioxid (CO2)-Ausstoßes ein, der beim Herstellen von Neuware entsteht“, erläutert Christian Schiller von „cirplus“. Das zentrale Problem der Plastikkrise: Neuware sei im Einkauf oft günstiger und der Handel von Rezyklaten sei durch schwankende Qualität, unklare Stoffströme, fehlende Standards und einem geringen Grad an Digitalisierung gekennzeichnet. „cirplus“ bietet eine digitale Handelsplattform für Anbieter und Nachfrager von Kunststoffabfällen und Rezyklaten weltweit, um eben diese Kosten für den industriellen Einsatz zu senken. Dadurch erziele „cirplus“ einen doppelten Nachhaltigkeitseffekt: Das Verschmutzen der Umwelt und der Ausstoß von CO2 werden reduziert. Ein echter Senkrechtstarter Großflächig Waldbrandschäden vermessen, Schadstoffpartikel in Metropolen erfassen oder die Bewuchsdichte von Wäldern ermitteln; dafür werden derzeit noch Hubschrauber und bemannte Kleinflugzeuge eingesetzt. Die Erfindung „h-aero“ soll diese Technologien in Zukunft bei zahlreichen Anwendungen ersetzen, so die Vision des Gründers Dr. Csaba Singer. Es handelt sich dabei um das Fluggerät des Start-ups „Hybrid Airplane Technologies“, das den Auftrieb eines mit Helium gefüllten ellipsenförmigen Ballon mit dem erzeugten Schub von schwenkbaren elektrischen Propellerantrieben kombiniert und dies für einen wahlweise Senkrechtstart, Rotations- oder Vorwärtsflug zunächst als unbemannte robotische Einheiten nutzt. Spätere größere Exemplare benötigten daher weder Start- noch Landebahn. Verschiedenste Sensoren können mit dem h-aero punktgenau an den Messort transportiert werden. Auf dem Testfeld lädt das Team die Batterien bereits heute mit handlichen Solar-Paneelen, somit wird h-aero bereits heute mit Solarenergie betrieben. Geplant ist ein eigenständiger 24-stündiger Flugbetrieb mit einem eingebauten ultraleichten Solar-Paneel an Board. Dabei weist das Flugkonzept nachhaltige Potenziale auf, die dem Projekt den Projektnamen „Fliegen mit erneuerbaren Energien“ verleiht. Die Unternehmer fördern bewusst die soziale Akzeptanz für Zukunftstechnologien indem sie sich auf zivile, nachhaltige und umweltfreundliche Zwecke fokussieren.

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  • Faser-Metall-Laminate mit kompostierbaren Biomaterialien für den ökologischen Leichtbau

    S-Profil mit Flachs-Polylactid-Kern und Aluminium-Decklage, mit einem neu entwickelten, temperierbaren Tauchkantenwerkzeug heißgepresst und durch Thermoforming umgeformt. Foto: Guido Flüchter/Fraunhofer IPT Recyclingfähigkeit und Kompostierbarkeit sind heute besonders bei Baumaterialien sehr gefragt, um am Ende des Produktlebenszyklus die Umweltbelastung zu reduzieren. Für die Herstellung moderner Fassadenelemente sowie Luftfracht- und Wohncontainer entwickelt das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen jetzt gemeinsam mit drei Partnern aus Industrie und Wissenschaft ein Produktionssystem, mit dem sich vollständig recycelbare Faser-Metall-Laminate mit kompostierbaren Biomaterialien herstellen lassen. Biologisch abbaubare Naturfasern und Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen bieten vielversprechende Alternativen zu konventionellen Halbzeugen und etablierten Matrixmaterialien in Faserverbundwerkstoffen. Zum Einsatz kommen diese sogenannten thermoplastischen Biowerkstoffe jedoch bisher eher selten, da verschiedene technische Voraussetzungen fehlen, um diese kostengünstiger zu produzieren. Dabei wären gerade Faser-Metall-Laminate mit einem Kern aus Naturfaser-Verbundkunststoffen nicht nur aufgrund ihrer mechanischen Belastbarkeit, sondern auch aufgrund ihrer isolierenden Eigenschaften und ihrer Recyclingfähigkeit prädestiniert für Anwendungen im Bau- und Transportsektor. Gemeinsam mit der Delcotex Delius Techtex GmbH & Co. KG aus Bielefeld, dem Aachener Zentrum für integrativen Leichtbau (AZL) der RWTH Aachen und der Dirkra Sondermaschinenbau GmbH aus Stolberg entwickelt das Fraunhofer IPT deshalb nun ein effizientes Fertigungssystem für die Serienherstellung eines vollständig recycelbaren und teilweise biologisch abbaubaren Laminats aus Naturfasern und Metall: Textile Halbzeuge aus Naturfasern verstärken einen thermoplastischen Biokunststoff und werden beidseitig von metallischen Decklagen ummantelt. Der Metallmantel des Faserverbundkerns dient vor allem dazu, die biologisch bedingte Varianz der Naturfasern auszugleichen und die mechanischen Eigenschaften des Bauteils zu verbessern. Außerdem ermöglicht es die spezielle Struktur der Faser-Metall-Laminate klassische metallverarbeitende Prozesse einzusetzen, die effizient in die Wertschöpfungskette integriert werden können. Kostengünstig und recycelbar: Das Werkzeug verbleibt im Bauteil Das kostengünstige Produktionssystem der vier Partner im Forschungsprojekt »Bio-FML« wird für eine kontinuierliche Herstellung des nachhaltigen Hybridwerkstoffs konzipiert: Während des Imprägnier- und Fügeprozesses dient die beidseitige Metallummantelung bereits als Werkzeug zur Wärme- und Druckübertragung auf den Faserverbundkern. Auf diese Weise lässt sich der Einsatz kostspieliger Imprägnier-Pressen umgehen. Um eine feste Verbindung zwischen dem Kern und dem umgebenden Metall zu erzielen, integrieren die Aachener Forscher einen laserbasierten Strukturierprozess zur Oberflächenbehandlung des Metalls in die Produktionslinie, der teure und umweltschädliche Haftvermittler zwischen den Schichten überflüssig macht. So wird sichergestellt, dass sich das Verbundmaterial am Ende des Produktzyklus allein durch Wärmezufuhr trennen und recyceln lässt. Günstige, stabile Bauteile mit individueller Oberflächengestaltung Der neue Werkstoff erhält durch die Sandwichbauweise eine robuste, lackierbare Metalloberfläche und lässt sich leicht an Kundenwünsche, beispielsweise für neue Fassadendesigns, anpassen. Das Verbundmaterial kann zudem in herkömmlichen Pressen, wie sie bisher in der Metallverarbeitung eingesetzt werden, zu 3D-Bauteilen und Profilen umgeformt werden. Mit einem neu entwickelten temperierbaren Tauchkantenwerkzeug hat das Fraunhofer IPT im Projekt bereits erste Bauteile im stationären Heißpressversuch hergestellt und durch Thermoforming beispielhaft zu einem S-Profil umgeformt. Als Decklage diente Aluminium, als Kern wurde ein kompostierbares Flachs-Polylactid-Verbundmaterial (FPL) eingesetzt.

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  • Heiße Muster im kalten All

    Nach dem Isolieren in einer thermischen Spritzanlage mit einer dünnen Keramikschicht werden die Heizelemente mit einer Dispersionsdruckmaschine aufgebracht, die den Windungen eines Flusses ähneln. Foto: Fraunhofer IWS Dresden Satelliten und Raumschiffe zu bauen, ist alles andere als billig. Das liegt auch daran, dass kosmische Technik weit ausfallsicherer konstruiert sein muss als auf Erden. Im All können selbst minimale Probleme wie eine vereiste Batterie dramatische Folgen haben. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden hat daher nun für Airbus besondere zuverlässige dünne Keramik-Silber-Heizungen entwickelt. Diese lassen sich auf Rohre und andere kompliziert geformte Bauteile nahtlos und automatisiert aufdrucken. "Wir arbeiten mit unseren Forschungspartnern kontinuierlich daran, für unsere Kunden noch leistungsfähigere Lösungen zu finden sowie die Zuverlässigkeit unserer Systeme weiter zu erhöhen", unterstreicht Dr. André Holz, Teamleiter Thermal Engineering bei Airbus Defence and Space in Bremen. "Fraunhofer-Technologien wie die gedruckten Heizungen, für deren Weiterentwicklung wir aktiv und mit Gewinn für beide Seiten kooperieren, sind dabei eine wertvolle Unterstützung." Denn bisher mussten Techniker in solchen Fällen Heizfolien aus Polymeren von Hand aufkleben. "Das ist nicht nur aufwendig, sondern auch fehleranfällig", erklärt Lukas Stepien, Gruppenleiter Drucken, der die additiv gefertigten Heizungen am Fraunhofer IWS mitentwickelt hat. "Im Klebeprozess können unerkannt kleine Gasbläschen eingeschlossen werden. Die Bläschen dehnen sich im Vakuum des Weltraums aus. Das senkt letztlich die Heizleistung." Ein neues IWS-Konzept löst nun diese Probleme. Im konkreten Fall sind Titanrohre mit nur sechs Millimetern Durchmesser zu beheizen, die später Gase oder Flüssigkeiten transportieren sollen. Zunächst isolieren die Fraunhofer-Ingenieure diese Röhrchen in einer thermischen Spritzanlage mit einer dünnen Keramikschicht. Dann bringen sie mit einer Dispersionsdruckmaschine die Heizelemente auf, die äußerlich den Windungen eines Flusses ähneln. Durchfließt später ein Strom das metallische Mäander, setzt es Wärme frei. Hauchdünne Mäander passgenau auf gewölbte Flächen gedruckt Das Fraunhofer IWS hat für Airbus besondere zuverlässige dünne Keramik-Silber-Heizungen entwickelt. Diese lassen sich auf Rohre und andere kompliziert geformte Bauteile nahtlos und automatisiert aufdrucken. Foto: Fraunhofer IWS Dresden Um dieses heizende Muster zu erzeugen, füllen die Spezialisten eine Kartusche mit einer besonderen Paste, die kleine Silberteilchen enthält. Einsetzbar sind aber auch Pasten mit Partikeln aus Kupfer, Nickel oder anderen leitfähigen Metallen. Druckluft presst das zähflüssige Material dann durch die Kartusche hin zu einer feinen Kanüle. Diese Hohlnadel druckt schließlich das etwa zehn Mikrometer dünne Heizmuster auf die keramikisolierten Rohre, die sich dabei auf einer Welle drehen. "Dabei muss der Druckkopf die ganze Zeit über einen konstanten Abstand zur Keramikschicht halten – und das nicht auf einer zweidimensionalen Fläche, sondern eben auf einem gekrümmten Rohr", betont Lukas Stepien. Dies ist eine ganz besondere Herausforderung, die das Fraunhofer IWS durch ein raffiniertes Zusammenspiel aus Wellen- und Kanülensteuerung gelöst hat. Solch eine Lösung beinhaltet gleich mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Heizfolien zum Aufkleben: Einerseits fällt viel fehlerträchtige Handarbeit weg. Stattdessen lassen sich die Fraunhofer-Heizungen automatisiert drucken und so auch kompliziert geformte Objekte passgenau beschichten – ohne Luftblasen oder Falten, wie sie bei Folien immer wieder entstehen. Weiter rechnen die Dresdner Ingenieure damit, dass ihre gedruckten Heizungen preiswerter und flexibler herzustellen sind. Sie sollen, besonders bei hohen Betriebstemperaturen, länger halten, zuverlässiger funktionieren und mehr Langzeit-Heizleistung erreichen als herkömmliche Lösungen. Erreichbar sind höhere Leistungsdichten, Material- und Zeitersparnisse. Zudem können die Hersteller vorab testen, wie gut die gedruckten Heizungen im Praxiseinsatz funktionieren werden. "Jenseits der 300 Grad scheiden Folienheizungen ohnehin aus", betont Lukas Stepien. "Solche Betriebstemperaturen halten Kunststoffe dauerhaft nicht aus." Bisher sind die gedruckten Heizelemente aus dem Fraunhofer IWS für bis zu 200 Grad ausgelegt. Durch neue Pastenkompositionen und andere Weiterentwicklungen wollen die Dresdner Forscher diese Grenze künftig auf etwa 800 Grad anheben. Eine weitere Verbesserung steht zusätzlich auf der Forschungsagenda des Instituts: Damit die gedruckten Heizungen Wärme liefern, benötigen sie einen Stromanschluss. Was bislang in Form von Lötverbindungen gelöst wird, soll im nächsten Schritt über effektivere Kontaktierungsmethoden "Made in Dresden" funktionieren. Gegen Kondenswasser an Linsen Neben der Raumfahrt winken im Übrigen ganz irdische Anwendungsmöglichkeiten: Vorstellbar sind beispielsweise filigrane Heizungen, die störendes Kondenswasser von Spiegelreflexkameras oder von den Kameralinsen autonom fahrender Fahrzeuge fernhalten. Auch für die Chemie-, Halbleiter- oder Lebensmittelindustrie, deren Rezepte oft nur bei präzise eingepegelten Temperaturen funktionieren, sind Rohrsysteme mit passgenau aufgedruckten Heizungen interessant.

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  • „Grüner Bruder“ des PET – Vereinfachtes Verfahren zur Herstellung des Bio-Polymers PEF

    „Anfangs nahmen wir einfach Luftballons, bliesen sie im Labor auf und stülpten sie über die Apparatur.“ – Experiment mit Gaseintrag ins Reaktionsgefäß. Abb. Nordlicht/LIKAT Nachwuchsforscher am Rostocker Leibniz-Institut für Katalyse, LIKAT, entwickelten ein katalytisches Verfahren für Bio-Polymere, das unter sehr milden Bedingungen abläuft. Ergebnis sind Bausteine des Kunststoffs PEF, eine nachhaltige Alternative zu Getränkeverpackungen aus PET. Die Herstellung der PEF-Bausteine kommt ohne Erdöl aus, benötigt wird stattdessen Zellulose, also Biomasse, und im Wesentlichen nur noch Alkohol und Luft. Das Verfahren kann sofort in die Praxis umgesetzt werden. Um es frei zugänglich zu machen, veröffentlichten die jungen Chemiker ihre Erkenntnisse auf einer Open-access-Plattform. Als erstes Unternehmen baute Coca Cola in den USA eine Plant-Bottle-Fabrik für Getränkeflaschen aus Polyethylenterephthalat (PET), die komplett auf pflanzlicher Basis hergestellt werden – allerdings unter hohem Aufwand an Energie. Der herkömmliche Prozess für die PET-Bausteine braucht nämlich Temperaturen bis zu 300 Grad Celsius und einen Druck um 100 bar. „Diese harschen Bedingungen dämpften bisher die Begeisterung der Industrie für biobasierten Kunststoff“, sagt Dr. Esteban Meija. Er leitet am LIKAT die Nachwuchsgruppe „Polymerchemie und Katalyse“, unter seiner Federführung liefen die Arbeiten zum neuen Verfahren. Das Ergebnis ist gewissermaßen der „grüne Bruder“ von PET: und zwar PEF, vollständiger Name: Polyethylenfuranoat. Das PEF-Verfahren kommt mit maximal 60 Grad Celsius aus, funktioniert bei normalen atmosphärischem Druck und kann seine Produktivität unter kontinuierlichen Flussbedingungen um das 15fache steigern. Dr. Meija: „Damit werden biobasierte Polymere wie PEF für die Industrie wieder interessant.“ Plattformchemikalie aus Reisstroh Ausgangsstoff für die PEF-Bausteine ist eine sogenannte Plattformchemikalie, ein Furan-Derivat namens HMF, das aus Zellulose, einem Mehrfachzucker aus Abfällen etwa der Landwirtschaft, produziert wird. Weltweit forschen Labors an insgesamt einem Dutzend solcher Plattformchemikalien, um die Rohstoffbasis der Chemie im großen Maßstab von Erdöl und Erdgas auf Biomasse umzustellen. HMF, präzise: Hydroxymethylfurfural, zählt zu den heißen Kandidaten, wie Esteban Meija sagt. Doch es braucht auch neue Ideen für eine einfache und möglichst billige Umsetzung dieses Ausgangsstoffs und seiner Produkte im Großmaßstab. Über Dr. Meijas Forschungskontakte mit Vietnam ergab sich die Kooperation mit Nguyen Trung Thanh, einem Professor der Technischen Universität Hanoi. Meijas Nachwuchsgruppe bot ihm die Möglichkeit, in seiner Habilitationsarbeit ein vereinfachtes Verfahren für die Herstellung von HMF aus Reisstroh zu entwickeln. Parallel dazu übertrug Meija einem Studenten aus Venezuela, Abel Salazar, die Aufgabe, das PEF-Verfahren auf Basis von HMF zu verbessern. Luftballons im Labor Auf Basis von Cellulose, z. B. Abfälle der Landwirtschaft, kann mit geeigneten Katalysatoren in wenigen Schritten ein nachhaltiger Kunststoff hergestellt werden. Die Anwendungszwecke des PEF sind vielseitig: von Textilfasern bis zu Verpackungsmaterial. Quelle: LIKAT Prinzipiell reagiert bei diesem Verfahren ein Gemisch aus HMF und Alkohol mit Sauerstoff und unter Beisein eines Katalysators zu einem Ester, genauer gesagt einem Diester, das in einem weiteren Schritt zu PEF polymerisiert werden kann. Verglichen mit dem bisherigen Verfahren kommt das neue Verfahren am LIKAT mit einem Bruchteil an Wärme und Druck aus. Obendrein führen die Forscher der Reaktion den benötigten Sauerstoff nicht in konzentrierter Form zu, sondern aus der Luft – was den Prozess wesentlich vereinfachte und offenbar auch den Spaßfaktor der Experimente erhöhte: „Anfangs nahmen wir einfach Luftballons, bliesen sie im Labor auf und stülpten sie über die Apparatur.“ Bei drei, vier Reaktionen gleichzeitig ergab das im Labor schon einmal eine nette Party-Kulisse. Die Verwendung von Raumluft hatte für die Reaktion allerdings einen Nachteil: sie lief zu langsam. Das Produkt ließ sich erst am nächsten Morgen begutachten. Meija und sein Team lösten das Problem an zwei Stellen. Zum einen erhöhten sie leicht den Druck und fanden ein Optimum bei 20 bar. „Zum anderen ersetzten wir unser Reaktionsgefäß durch einen Microflow-Reaktor. Kontinuierlicher Prozess Dabei werden die Ausgangsstoffe, im Wesentlichen ein Mix aus HMF und Alkohol, mit Sauerstoff oder Luft durch ein System von feinen Röhrchen gepresst. Durch die kapillare Zwangsführung kommen die Sauerstoff-Moleküle gewissermaßen wohldosiert mit dem Ausgangsmix in Kontakt. Danach passiert das Reaktionsgemisch eine Kartusche. Dort befindet sich der Katalysator, der die Reaktion auf Trab bringt, in diesem Falle Partikel aus Kobaltoxid und Ruthenium, aufgebracht auf die Oberfläche kleiner Kügelchen. Diese Anordnung sorgt für die „oxidative Veresterung“, wie Chemiker diese Reaktion nennen, und vor allem ermöglicht sie einen kontinuierlichen Prozess. Der Katalysator wird nicht verbraucht, er kann immer wieder verwendet werden. Das Produkt, der veresterte PEF-Baustein, verlässt die Kartusche als Flüssigkeit und kann nun polymerisiert werden. „Unsere Reaktion läuft inzwischen 15mal schneller als zu Beginn der Experimente“, sagt Esteban Meija. Der Chemiker ist überzeugt davon, dass das Ergebnis viele interessiert. „Wir haben uns deshalb für eine Open-access-Veröffentlichung entschieden.“ Referenz Salazar et al., Oxidative Esterification of 5‐Hydroxymethylfurfural under Flow Conditions Using a Bimetallic Co/Ru Catalyst, ChemCatChem (2020), https://doi.org/10.1002/cctc.202000205

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  • Verteilung der Kettenlängen von Polymeren gezielt einstellen

    ETH-​Forschende entwickeln eine neue Methode, um kontrolliert Polymere von unterschiedlicher Länge zu erzeugen. Dies ebnet den Weg für neue Klassen von Kunststoffen, die in bisher undenkbaren Anwendungen eingesetzt werden können. Aus unserem Alltag sind Materialien aus synthetischen Polymeren kaum mehr wegzudenken. Kleider, Autoteile, Computer oder Verpackungen – sie alle bestehen aus Polymermaterialien. Auch in der Natur gibt es eine Reihe von Polymeren, wie etwa die DNA oder Proteine. Die Architektur von Polymeren ist universell: Sie sind aus Grundbausteinen, die Monomere genannt werden, zusammengesetzt. Bei der Synthese von Polymeren werden Monomere zu langen Ketten verknüpft. Eine einfache Vorstellung davon ist, dass man Glasperlen an einer Schnur aufreiht und so Ketten von unterschiedlicher Länge (und unterschiedlichem Gewicht) erstellt. Polymerisationsverfahren mit Grenzen Ein wichtiges industrielles Verfahren, um Polymere zu erzeugen, ist die radikalische Polymerisation (engl. Free Radical Polymerisation, FRP). Damit produziert die chemische Industrie jährlich 200 Millionen Tonnen Polymere verschiedenster Art, wie etwa Polyacryl, Polyvinylchlorid (PVC) oder Polystyrol. Obwohl diese Herstellungsweise zahlreiche Vorteile hat, so hat sie auch ihre Grenzen. Bei der radikalischen Polymerisation entsteht auf unkontrollierbare Weise ein Gemisch, das aus unzähligen, verschieden langen Polymerspezies besteht, also eine hohe Dispersität aufweist. Die Dispersität ist ein Mass dafür, wie einheitlich respektive uneinheitlich die Länge der Polymerketten in einem Material ist. Die Dispersität bestimmt auch wesentlich, welche Eigenschaften dieses aufweist. Für alltägliche Polymermaterialien sind Polymere mit sowohl hoher als auch niedriger Dispersität erforderlich. Tatsächlich kann für viele High-​Tech-Anwendungen wie Pharmazeutika oder beim 3D-​Druck, eine hohe Dispersität sogar von Vorteil sein. Polymere mit neuen Eigenschaften Wollen Chemiker jedoch gezielt Polymermaterialien mit ganz bestimmten Eigenschaften produzieren, dann müssen sie in erster Linie die Dispersität wunschgemäss einstellen können. So können sie eine grosse Bandbreite von Polymermaterialien erzeugen, die entweder einheitliche Polymerspezies, also eine tiefe Dispersität haben, oder eben hoch dispers sind mit einer hohen Zahl verschieden langer Polymere. Bis anhin war das kaum möglich. Nun hat aber eine Gruppe von Forschenden um Athina Anastasaki, Professorin für Polymermaterialien am Departement Materialwissenschaft, eine Methode der radikalischen Polymerisation entwickelt, die es erlaubt, die Dispersität von Polymermaterialien systematisch und vollständig zu kontrollieren. Die Forschungsergebnisse wurden soeben in der Fachzeitschrift «Chem» veröffentlicht. Um die radikalische Polymerisation wenigstens einigermassen kontrollieren zu können, verwendeten Chemikerinnen nur einen Katalysator. Dieser sorgt dafür, dass die entstehenden Polymerketten einheitlich lang werden. Dadurch liess sich die Dispersität insgesamt aber nicht nach Wunsch steuern. Zwei Katalysatoren einsetzen Neu setzten die ETH-​Forschenden gleichzeitig zwei Katalysatoren von unterschiedlicher Wirkung ein – der eine ist hochaktiv, der andere wenig aktiv. Über das Mischverhältnis der beiden Katalysatoren gelang es ihnen, die Dispersität genau einstellen. Lag es zugunsten des aktiveren, entstanden mehr einheitliche Polymere und damit ein Material von geringer Dispersität. War hingegen der weniger aktive Katalysator in der Mehrheit, dann entstand eine Vielzahl verschiedener Polymermoleküle. Damit haben Anastasaki und ihre Mitarbeitenden eine Grundlage geschaffen für die Entwicklung neuer Materialien aus Polymeren. Der Prozess ist zudem skalierbar, er funktioniert nicht nur im Labor, sondern lässt sich auch auf grössere Stoffmengen anwenden. Ein weiterer Vorteil dieser Methode: Selbst Polymere von hoher Dispersität können nach erfolgter Polymerisation weiterwachsen, was bisher für unmöglich gehalten wurde. Die hohe Effizienz und Skalierbarkeit des Ansatzes haben bereits das Interesse der Industrie geweckt. Polymere, die mit dem neuen Verfahren erzeugt werden, könnten in der Medizin, bei Impfstoffen, in Kosmetika oder im 3D-​Druck verwendet werden. Referenz Whitfield R, Parkatzidis K, Truong NP, Junkers T, Anastasaki A: Tailoring Polymer Dispersity by RAFT Polymerization: A Versatile Approach. Chem, Vol. 6, Issue 6, P 1340-​1352, 11. Juni 2020. doi: 10.1016/j.chempr.2020.04.020

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