Textination Newsline

Vor dem Hintergrund aktueller Krisen wie der Corona-Pandemie oder der Hochwasserkatastrophe des Sommers 2021 wird deutlich: Krisen, die auf unzureichend resiliente Wertschöpfungsketten treffen, können dramatische Auswirkungen auf Unternehmen und sogar ganze Volkswirtschaften haben. Mit dem White Paper »RESYST« stellen 17 Fraunhofer-Institute eine Analyse aller Faktoren und Bedingungen für Resilienz vor und geben praktische Handlungsempfehlungen. Das Fazit der Forschenden: Wer nachhaltige Maßnahmen zur Steigerung der Resilienz einführt, bleibt selbst in Krisen innovativ und erfolgreich.

Die Folgen der Corona-Pandemie haben auch die deutsche Wirtschaft stark getroffen. Viele Branchen melden Lieferschwierigkeiten, allen voran die Autoindustrie, aber auch die Baubranche, Möbelhersteller, die Papierindustrie und Fahrradhersteller – sogar Spielwaren sind knapp.

Die Industrie sollte die dramatischen Lieferengpässe zum Anlass nehmen, ihre Fähigkeit zur Resilienz zu überprüfen und zukunftsorientierte Maßnahmen zu planen. Hier setzt das White Paper »RESYST Resiliente Wertschöpfung in der produzierenden Industrie – innovativ, erfolgreich, krisenfest« an. 17 Fraunhofer-Institute des Fraunhofer-Verbunds Produktion bringen ihre langjährigen, umfassenden Erfahrungen und aktuellen Forschungsergebnisse ein. Die Autorinnen und Autoren wenden sich dabei nicht nur an ein Fachpublikum, sie wollen ihre Erkenntnisse auch einer breiten Öffentlichkeit aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik nahebringen.    

Reaktion auf Krisen und unerwartete Störfälle
Das White Paper untersucht die Auswirkungen unerwarteter Störfälle und plötzlich hereinbrechender Krisen auf Unternehmen und diskutiert Maßnahmen und Weichenstellungen, die auf den Ebenen der Unternehmen, des Wertschöpfungssystems oder der Politik getroffen werden können, um die Resilienz deutlich zu erhöhen. Wesentliche Faktoren sind dabei unter anderem Qualifikation und Motivation der Mitarbeitenden, der Aufbau alternativer Prozessketten oder eine schnellere Zertifizierung von Produkten und Prozessen durch die zuständigen Institutionen. Darüber hinaus sollten sich staatliche Unterstützungsleistungen nicht punktuell auf einzelne Branchen oder Unternehmen fokussieren, sondern ganze Wertschöpfungssysteme in den Blick nehmen.

»Von internationalen Handelskonflikten über die Auswirkungen des Klimawandels bis hin zur Corona-Pandemie – die vergangenen Jahre haben gezeigt: Resilienz ist eine tragende Säule für eine funktionierenden Wirtschaft, insbesondere der produzierenden Industrie,« sagt Prof. Reimund Neugebauer, Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft. »Die deutsche Wirtschaft steht heute vor enormen Herausforderungen. Sie muss innovative Technologien im Kampf gegen den Klimawandel auf den Markt bringen und ihre technologische Souveränität im globalen Wettbewerb ausbauen. Das White Paper »RESYST« vertieft das Verständnis für eine resiliente Wertschöpfung und bietet produzierenden Unternehmen praxisnahes Know-how zur Steigerung ihrer Resilienz und damit langfristiger Erfolgssicherung.«

Prof. Holger Kohl, stellvertretender Institutsleiter am Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK und Koordinator des White Papers zum Forschungsprojekt RESYST, ergänzt: »Das Thema Resilienz wird immer noch unterschätzt. Unser White Paper will das Bewusstsein für dieses komplexe Thema schärfen, damit die Verantwortlichen der produzierenden Industrie frühzeitig Maßnahmen zur dringend notwendigen Verbesserung der Resilienz ergreifen. Eine zentrale Erkenntnis von RE-SYST ist dabei, dass eine sorgfältige Analyse der internen Geschäftsprozesse, Strukturen und oftmals versteckten Abhängigkeiten grundlegend für den erfolgreichen Aufbau resilienter Wertschöpfungssysteme ist.«
 
Rahmenmodell für resiliente Wertschöpfung

Das White Paper stellt erstmals das »Rahmenmodell für Resiliente Wertschöpfung« vor, das die Fraunhofer-Forschenden institutsübergreifend gemeinsam entwickelt haben. »Das Rahmenmodell bildet ein durchgängiges Gerüst, das alle relevanten Aspekte der Resilienz adressiert, sie miteinander vernetzt und mit handlungsorientierten Lösungsbausteinen verknüpft«, erläutert Kohl. Das gibt Unternehmen die Möglichkeit, die strategisch angelegten Resilienz-Ziele nahtlos mit den Erfordernissen des Tagesgeschäfts zu verbinden. Die »RESYST«-Autoren begnügen sich nicht mit theoretischen Erörterungen. Das Rahmenmodell und die Analysen werden mit praktischen Handlungsempfehlungen, konkreten Beispielen und einer Reihe von Case Studies anschaulich gemacht.
 
Die Forschenden der Fraunhofer-Gesellschaft senden mit ihrem White Paper »RESYST« aber auch eine optimistische Botschaft aus. »Resilienz ist mehr als nur Krisenvorsorge, vielmehr hilft sie auch jenseits von Krisen innovativ und agil zu bleiben. Denn intakte und resiliente Wertschöpfungssysteme sind essenziell für den Wirtschaftsstandort Deutschland«, sagt Holger Kohl.

Das White Paper »RESYST« steht in einer Printversion und als kostenloser Download im PDF-Format zur Verfügung.

• Weltleitmesse für sicheres und gesundes Arbeiten bietet die zentrale Plattform für den persönlichen Austausch der Branche

Der verantwortungsvolle Umgang mit den Themen Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit ist durch die Pandemie noch einmal mehr in den Fokus von Gesellschaft und Politik gerückt. Auf der A+A 2021, die am 26.10.2021 beginnt, stehen diese Themen schon seit ihrer Premiere im Zentrum. Unter dem Motto „Der Mensch zählt“ präsentiert die A+A 2021 vom 26. bis 29. Oktober alles rund um Persönlichen Schutz, Betriebliche Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit. Mehr als 1.200 Aussteller aus 56 Nationen präsentieren sich den Fachbesuchern in 10 Hallen auf dem Düsseldorfer Messegelände.

„Die Vorfreude auf die Messe war groß. In diesem Jahr haben wir den persönlichen Austausch mit der Branche ganz besonders herbeigesehnt. Das gute Ausstellerfeedback bestätigt, dass die Akteure des beruflichen Gesundheitsschutzes sich eine Live-Plattform wünschen. Und wir liefern mit der A+A, was nur eine Messe bieten kann. Taktil erfahrbare Produktpräsentationen und Innovationen sowie geplante und zufällige Begegnungen mit der ganzen Branche,“ so Birgit Horn, Project Director A+A.

Spannende Themen und Best Practices auf dem A+A Kongress
Parallel zur A+A Fachmesse behandelt der 37. Internationale Kongress für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin zahlreiche aktuelle Themen und Herausforderungen der Arbeitsschutz-Fachszene. Er wird organisiert von der Bundesarbeitsgemeinschaft für Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit (Basi). In mehr als 25 Veranstaltungsreihen werden fundiertes Fachwissen und aktuelle politische Themen für alle Akteure in Sachen Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit vermittelt und intensiv diskutiert, vor Ort und teils zusätzlich digital. „Schon die Eröffnungsveranstaltung wird interessant. Sozialpartner und andere Stakeholder diskutieren über die Auswirkungen der Pandemie für den Arbeitsschutz und die jetzt beginnende Rückkehr ins ‚Neue Normal‘“, sagt Basi Geschäftsführer Dr. Christian Felten.

Renommierte Expertinnen und Experten aus dem Arbeitsschutz geben beim A+A Kongress Antworten auf zentrale Fragen wie etwa: Wie wirkt sich die Digitalisierung der Arbeit auf Gesundheit und Sicherheit der Beschäftigten aus? Wie berate ich als Fachkraft für Arbeitssicherheit Unternehmen und Beschäftigte dazu? Wie soll man dezentrale Arbeitsorte sicher und gesund managen? Wie bestimmt man das gesunde Gleichgewicht zwischen mobiler und stationärer Arbeit? Welcher betriebliche Präventionsbedarf ergibt sich bei Muskel-Skelettbelastungen und was ist der aktuelle Präventionsbedarf bei Tätigkeiten mit krebserzeugenden Gefahrstoffen und bei Biostoffen? Dazu und zu zahlreichen weiteren Themen gibt es viele interessante Veranstaltungen, weitere Informationen dazu finden sich unter www.basi.de/kongress.

Trendthemen der A+A 2021
Digitale Leistungsfähigkeit und Nachhaltigkeit bestimmen die aktuelle Diskussion und werden die Zukunft der Arbeit weiterhin stark beeinflussen. Neben diesen beiden Megatrends der A+A 2021 liegt der Fokus im Rahmenprogramm auf den Lösungen für die Zukunft (Future Solutions), neuen Arbeitswelten (New Work) und dem Thema Hygiene und Pandemie.

A+A Live: Sicheres und gesundes Arbeiten mit allen Sinnen erleben
Best Practices unter Anwendung modernster Produkte und Verfahren werden unter dem Label „A+A live“ im Trendforum, dem Themenpark Betrieblicher Brandschutz und Notfallmanagement, dem Robotics Park und der Start UP Zone vermittelt.

In Halle 10 finden die Fachbesucher mit dem Treffpunkt Sicherheit und Gesundheit das Kompetenzzentrum für alle Fragen des Arbeits- und Gesundheitsschutzes. Hier präsentieren sich die Mitglieds- und Partnerorganisationen der Basi.

Ebenfalls in Halle 10 verortet liegt der Robotics Park. Dieser ist unterteilt in den Self Experience Space und den Exoworkathlon. Partner des Robotics Park ist das Fraunhofer IPA aus Stuttgart.
Im Self Experience Space präsentieren sich folgende Hersteller von Exoskelett-Lösungen, die von den Besuchern selbst ausprobiert werden können: Ottobock SE & Co. KGaA, Japet Medical Devices SAS, Iturri, German Bionic Systems GmbH, Ergoschutz GmbH, suitX Inc., hTRIUS GmbH, Levitate Technologies Inc. und Laevo B.V.

Der Exoworkathlon ist eine Live-Studie des Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) und des Institute for Industrial Manufacturing and Management der Universität Stuttgart (IFF), bei der junge Probanden (Auszubildende und Technikerschüler) einmal mit und einmal ohne Exoskelett einen Parcours durchlaufen. Die Daten, die beim Exoworkathlon erhoben werden, dienen dazu, wissenschaftlich zu evaluieren, inwieweit diese Exoskelette die Muskel- und Skelettbelastungen verringern und die Leistungsfähigkeit erhöhen.

In Halle 4 werden im Trend Forum Fachvorträge zu den Themen Digitalisierung + Sicherheit, Digitalisierung + Gesundheit, Nachhaltigkeit, Schutz und Hygiene sowie sicherer Umgang mit Gefahrstoffen einen Einblick in aktuelle Entwicklungen geben.

In Halle 5 liegt die Corporate Fashion Lounge. Hier können sich die Fachbesucher über die neuesten Trends im Bereich der modischen Berufsbekleidung informieren und erleben, wie vielfältig moderne Arbeitskleidung heute ist. Gleichzeitig gibt die Lounge einen Ausblick auf die zukünftige Rolle, die das Thema Corporate Fashion ab der A+A 2023 in der Fachmesse einnehmen wird.

In Halle 6 finden die Fachbesucher die Aktionsfläche Betrieblicher Brandschutz und Notfallmanagement, organisiert vom Bundesverband Betrieblicher Brandschutz / Werkfeuerwehrverband Deutschland (WFVD). In mehreren Live-Vorführungen wird der Einsatz von Chemikalienschutzanzügen (CSA) beim Austritt von giftigen Substanzen bei einem Unfall simuliert und die richtige Prävention demonstriert.

Unternehmen sind heutzutage mit zahlreichen Risiken konfrontiert. Nicht zuletzt die Pandemie hat gezeigt, wie Krisen Firmen existenziell bedrohen können. Mit dem Tool FReE des Fraunhofer-Instituts für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI, erhalten Unternehmen ein Werkzeug, mit dem sie ihre Resilienz berechnen können, um für kommende Krisenszenarien gewappnet zu sein.
 
Unsere Welt ist hoch komplex und störanfällig: Naturkatastrophen, Cyberattacken, Stromausfälle, Terrorangriffe, Pandemien und andere Krisenszenarien können die Existenz von Unternehmen gefährden. Wie anfällig die deutsche Wirtschaft hierzulande ist, hat die Coronapandemie gezeigt: Nach Angaben des Statistischen Bundesamts ist sie 2020 nach zehn Jahren des Wachstums in eine tiefe Rezession geraten, insbesondere im zweiten Quartal 2020 hatte die Wirtschaftsleistung einen historischen Einbruch erlitten. Auf die Pandemie werden weitere Krisen folgen. Die klassischen Methoden der Risikoanalyse und des Risikomanagements, die nur erwartbare Risiken ins Kalkül ziehen, reichen nicht aus, um Unternehmen ausreichend vor großen Schäden zu schützen.

»Oftmals berücksichtigen Firmen nur, was am wahrscheinlichsten passieren könnte, anstatt den Blick für mögliche Krisenszenarien zu schärfen«, sagt Daniel Hiller, Geschäftsfeldleiter Sicherheit und Resilienz am Fraunhofer EMI in Freiburg. Um Organisationen und Unternehmen sicher auf Krisen vorzubereiten, etabliert er mit seinem Team Resilienz als neues Sicherheitskonzept. Ein Ergebnis der Forschungsarbeiten sind das Online-Tool Fraunhofer Resilience Evaluator FReE und die Software KMU-Lagebild, die Firmen befähigen, die eigene Resilienz zu bemessen, zu bewerten und eine Resilienzanalyse vor, während und nach einem disruptiven Ereignis vorzunehmen.
 
Fünf-Phasen-Konzept »Prepare, Prevent, Protect, Respond und Recover«
Das Online-Tool FReE bietet die Möglichkeit, Resilienz strategisch zu planen, das abstrakte Konzept in das eigene Unternehmen zu implementieren und auf Managementebene anwendbar zu machen. FReE orientiert sich an dem Fünf-Phasen-Konzept »Prepare, Prevent, Protect, Respond und Recover«.

Die Software umfasst einen Katalog mit 68 Fragen, die sich an die fünf Resilienzphasen anlehnen. Durch Beantworten der Fragen erhält man erste Informationen, die für die Bewertung von Resilienz erforderlich sind. Die fünf Phasen folgen einem chronologischen Ablauf, der mit einem Was-Wäre-Wenn-Szenario beginnt. In dieser Prepare-Phase bereiten sich Unternehmen auf disruptive Situationen vor, um in der Prevent-Phase mit vorbeugenden Maßnahmen Schaden abzuwenden.

»Ein Aluminiumverarbeitender Betrieb etwa könnte sein Gelände mit Sicherheitszäunen und -kameras schützen, da bekannt ist, dass nachts häufig eingebrochen und Aluminium gestohlen wird«, veranschaulicht Hiller die ersten beiden Phasen mit einem klassischen Beispiel. Ziel der Protect-Phase ist es, sich zu schützen, beispielsweise wichtige Infrastrukturen oder Gebäude durch zusätzliche Betonschichten oder Mauern intakt zu halten. Konnte die Katastrophe nicht vermieden werden, greift die Respond-Phase. Nun gilt es, Ursache und Ausmaß des Schadens schnell zu ermitteln und hoch kritische Versorgungsfunktionen aufrechtzuerhalten. Nach dem Störfall sollte man durch systematisches Lernen die Lehren aus der Krise ziehen, um künftige Risiken besser abwehren zu können und in einem zyklischen iterativen Prozess seine Resilienz zu verbessern – Learn & Adapt bezeichnen die Forscher diese Phase.
 
FReE führt den Nutzer durch den Fragebogen, der chronologisch vor, während und nach einer Disruption gegliedert ist und die Belange aller Unternehmensbereiche abdeckt. Dazu gehören etwa Personal, Finanzen, Infrastruktur und Technik. Das Tool bietet die Möglichkeit, bei der Auswertung nach Bereichen zu filtern. »Ein Controller beispielsweise kann sich ausschließlich die Ergebnisse anzeigen lassen, die die Finanzen betreffen«, so Hiller. Die Fragen können wie folgt lauten: »Gibt es im Fall einer Disruption einen Katastrophenmanager? Über welche Kompetenzen und Befugnisse verfügt diese Person?« oder »Welche finanziellen Reserven sind für Notfälle eingeplant?« Die Auswertung wird im Spinnennetzdiagramm dargestellt, wobei das schlechteste Ergebnis bei null Prozent im Fadenkreuz liegt.

FReE liegt in drei Versionen vor: die kostenlose webbasierte Quick-Version umfasst 15 Fragen. Die Vollversion mit dem kompletten Katalog von 68 Fragen erhalten Interessierte auf Projektbasis. Das begleitende Beratungsprojekt baut auf der kostenpflichtigen Version auf. Hier entwickeln Hiller und sein Team gemeinsam mit den Unternehmen geeignete Maßnahmen, um die Resilienz zu stärken und Schwachstellen zu beseitigen. Darüber hinaus lässt sich FReE durch erweiterte Fragestellungen an die Bedarfe von Branchen anpassen. Die Quick-Version ist bereits bei zahlreichen KMU im Einsatz, Updates auf die Vollversion sind geplant.

Projekt KMU Lagebild
Während FReE Firmen in die Lage versetzt, die eigene Resilienz selbst einzuschätzen, werden sie im Projekt KMU Lagebild dabei begleitet, eine umfassende Resilienzbewertung vorzunehmen. Die Forscherinnen und Forscher modellieren alle Abläufe und Prozesse anhand der vorliegenden Daten am Computer. Mithilfe der Einspielung fiktiver Störszenarien wird sichtbar, wie das System darauf reagiert und welche Gegenmaßnahmen ergriffen werden müssen. »Indem man sich nicht nur die Frage nach den wahrscheinlichsten Disruptionen stellt, sondern nach den möglichen Störfällen, weitet man seinen Blick auf Risiken. Darüber hinaus zeichnen sich resiliente Unternehmen durch eine hohe Anpassungsfähigkeit und Flexibilität aus«, resümiert Hiller.

Wer bei Forschungslaboren nur an Schutzanzüge und Reinräume denkt, hat nicht ganz recht: Seit April sind in dem neuen Textile Prototyping Lab (TPL) im Berliner Fraunhofer IZM auch Schnittmuster, Nähte und Mannequins nichts Ungewöhnliches. Mit dem TPL gibt es nun einen Ort, an dem kreative High-Tech-Textilien entstehen und der sich bereits in der Gestaltung vom Stil üblicher Forschungslabore abgrenzt. Als kollaboratives Projekt mit der Kunsthochschule Berlin Weißensee wird hier textilintegrierte Elektronik für verschiedenste Anwendungsbereiche von Architektur bis Medizin erstellt.

Seit der Eröffnung steht das Labor Designer*innen und Produktentwickelnden zur Verfügung, um individuelle Visionen im Bereich E-Textiles prototypisch umzusetzen. Dabei sind die Möglichkeiten nahezu unbegrenzt: Von Schnittstellen zwischen Textil und Elektronik bis hin zur Erprobung von Prozessketten können Teile oder sogar das gesamte Labor frei genutzt werden. Zusätzlich zur reinen Entwicklungs- und Aufbauarbeit können die Räumlichkeiten mit wenig Aufwand umgebaut und für Workshops oder Ausstellungen umfunktioniert werden.

Malte von Krshiwoblozki, der das Projekt am Fraunhofer IZM wissenschaftlich begleitet, nennt weitere Vorteile: „Nicht nur die modularen Arbeitsplätze und die Meeting-Area sind für gemeinsame Projektarbeiten attraktiv. Besonders der Maschinenpark bietet eine große Bandbreite für Interessierte. Der Arbeitsbereich ‚Nähen und Sticken‘ ist beispielsweise mit mehreren Nähmaschinen sowie einer computergesteuerten Stickmaschine ausgestattet. Er wird somit zum zentralen Punkt für das TPL, da die Textilveredelung mit kleinformatigen Maschinen im Fokus der Arbeiten dieses Labors steht.“ Ein weiterer Arbeitsbereich deckt mit einem Lasercutter und einem Schneideplotter das „Schneiden & Trennen“ ab. Hinzu kommen mehrere Pressen und Laminiergeräte, eine Lötstation sowie ein 3D-Drucker.

Im TPL können sich auch Einsteiger*innen im Bereich der E-Textiles versuchen und ihr Wissen erweitern: Außerordentlich hilfreich ist dabei das am Fraunhofer IZM entwickelte Prototyping-Kit, welches eine Serie von elektronischen Modulen, LEDs und Sensoren beinhaltet, die händisch genauso wie maschinell aufgestickt werden können.

„Für besonders langlebige Elektroniktextilien kann auch der von den Forschenden des Fraunhofer IZM entwickelte und aufgebaute Textilbonder in kooperativen Projekten des Textile Prototyping Lab genutzt werden. Die vielseitigen Module des Prototyping-Kits sind bewusst so ausgelegt, dass eine Integration ins Textil nicht nur mit klassischen textilen Technologien wie dem Sticken während der Prototyping-Phase erfolgen kann, sondern auch für anschließende industriellere Umsetzungen per Textilbonder. Ganz nach dem Motto ,Sharing is Caring‘ und dem Prinzip der Interdisziplinarität stehen wir am Fraunhofer IZM bei der Realisierung der Textilprojekte mit Rat und Tat zur Seite, sodass die Ideen der Kunstschaffenden mit weiteren Technologien angereichert werden können“, sagt Malte von Krshiwoblozki.

Die Zusammenarbeit zwischen der Kunsthochschule Berlin Weißensee und dem Fraunhofer IZM hat schon vor der Eröffnung des Labors Entwicklungen hervorgebracht, die Kunst und Forschung revolutionär verbinden. So entstand beispielsweise in Kooperation mit dem Designer Stefan Diez eine Lichtschiene aus einem weichen und leitfähigen Textilgurt. Für das Bildungs-Projekt Touch Tomorrow der Hans Riegel Stiftung wurde eine interaktive Jacke entwickelt, die über Armbewegungen die Farbe integrierter LEDs steuern kann. Das Team des Textile Prototyping Lab freut sich auf kommende, spannende und agile Umsetzungen und ist offen für Projektideen von Start-ups, KMU sowie Partnern aus der Industrie.

Stand-up-Paddling hat sich zum Trendsport entwickelt. Herkömmliche Surfbretter bestehen jedoch aus erdölbasierten Materialien wie Epoxidharz und Polyurethan.

Forschende am Fraunhofer-Institut für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut, WKI wollen die Kunststoff-Boards durch nachhaltige Sportgeräte ersetzen: Sie entwickeln ein Stand-up-Paddle, das zu 100 Prozent aus nachwachsenden Rohstoffen besteht. Das ökologische Leichtbau-Material ist vielseitig einsetzbar, etwa beim Bau von Gebäuden, Autos und Schiffen.

Stand-up-Paddling (SUP) ist eine naturverbundene Sportart, doch die Kunststoffboards sind alles andere als umweltfreundlich. In der Regel werden zur Produktion der Sportgeräte erdölbasierte Materialien wie Epoxidharz, Polyesterharz, Polyurethan und expandiertes oder extrudiertes Polystyrol in Kombination mit Glas- und Carbonfasergeweben genutzt. In vielen Teilen der Welt werden diese Kunststoffe nicht recycelt, geschweige denn ordnungsgemäß entsorgt. Große Mengen des Plastiks landen im Meer und sammeln sich in riesigen Meeresstrudeln.

Für Christoph Pöhler, Wissenschaftler am Fraunhofer WKI und begeisterter Stand-up-Paddler, war dies Anlass, über eine nachhaltige Alternative nachzudenken. Im Projekt ecoSUP treibt er die Entwicklung eines SUP voran, das zu 100 Prozent aus nachwachsenden Rohstoffen besteht und das darüber hinaus besonders fest und langlebig ist. Das Vorhaben wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF gefördert. Das Fraunhofer-Zentrum für Internationales Management und Wissensökonomie IMW begleitet die Forschungsarbeiten. Projektpartner ist die TU Braunschweig.

Balsaholz aus Rotorblättern zurückgewinnen
»Bei gängigen Boards wird der Polystyrol-Kern, also das, was man als Styropor kennt, mit Glasfasern verstärkt und mit einem Epoxidharz versiegelt. Wir nutzen hingegen biobasierten Leichtbau-Werkstoff«, sagt der Bauingenieur. Für den Kern verwenden Pöhler und seine Kollegen rezykliertes Balsaholz. Dieses weist eine sehr geringe Dichte auf, sprich: es ist leicht und dennoch mechanisch beanspruchbar.

Balsaholz wächst vor allem in Papua-Neuguinea und in Ecuador, hierzulande wird es seit vielen Jahren in großen Mengen in Windenergieanlagen verbaut – bis zu sechs Kubikmeter des Werkstoffs befinden sich in einem Rotorblatt. Derzeit gehen viele der Anlagen vom Netz. Allein im Jahr 2020 wurden 6.000 abgebaut. Ein Großteil davon wandert in die thermische Verwertung. Sinnvoller wäre es, den Werkstoff aus dem Rotorblatt zurückzugewinnen und gemäß der Kreislaufwirtschaft wiederzuverwerten. »Genau dies war unsere Überlegung. Das wertvolle Holz ist zu schade für die Verbrennung«, sagt Pöhler.

Da das gesamte Sandwichmaterial, das in herkömmlichen Boards verwendet wird, komplett ersetzt werden soll, besteht auch die Hülle des ökologischen Boards aus 100 Prozent biobasiertem Polymer. Sie wird mit in Europa angebauten Flachsfasern verstärkt, die sich durch sehr gute mechanische Eigenschaften auszeichnen. Um die Hülle über den Balsaholzkern zu ziehen, verwenden Pöhler und sein Team das Handlaminier- und das Vakuuminfusionsverfahren. In Machbarkeitsstudien wird derzeit noch die optimale Methode untersucht. Ein erster Demonstrator des ökologischen Boards soll Ende 2022 vorliegen. »Im Sinne des Umweltschutzes und der Ressourcenschonung wollen wir Naturfasern und biobasierte Polymere überall dort einsetzen, wo es technisch möglich ist. Vielerorts wird GFK eingesetzt, obwohl ein biobasiertes Pendant das gleiche leisten könnte«, resümiert Pöhler.

Patentierte Technologie zum Herstellen von Holzschaum
Doch wie gelingt es, das Balsaholz aus dem Rotorblatt zurückzugewinnen – schließlich ist es mit der äußeren Hülle, einem Glasfaserverbundkunststoff (GFK), fest verklebt? Zunächst wird das Holz in einer Prallmühle vom Compositwerkstoff abgetrennt. Über die Dichteunterschiede lassen sich die Materialmixstrukturen über einem sogenannten Windsichter in die einzelnen Bestandteile aufsplitten. Anschließend werden die als Späne und Bruchstücke vorliegenden Balsaholzfasern feingemahlen. »Dieses sehr feine Ausgangsmaterial benötigen wir, um Holzschaum herzustellen. Dafür hat das Fraunhofer WKI eine patentierte Technologie«, erläutert der Forscher. Dabei werden die Holzpartikel zu einer Art Kuchenteig aufgeschleimt und zu einem leichten und zugleich festen Holzschaum weiterverarbeitet, der durch die holzeigenen Bindekräfte hält. Die Zugabe von Klebstoff ist nicht erforderlich. Dichte und Festigkeiten des Schaums lassen sich einstellen. »Dies ist insofern wichtig, da die Dichte nicht zu hoch sein sollte. Andernfalls wäre das Stand-up-Paddle zu schwer für den Transport.«

Zunächst legen die Forschenden den Fokus auf SUPs. Das Hybridmaterial eignet sich jedoch auch für alle anderen Boards, etwa Skateboards. Das künftige Anwendungsspektrum ist breit: Denkbar ist beispielsweise der Einsatz als Fassadenelement in der Wärmedämmung von Gebäuden. Die Technologie kann darüber hinaus beim Bau von Fahrzeugen, Schiffen und Zügen verwendet werden.

• Kunststoffe im Kreislauf halten: Fraunhofer, SABIC und Procter & Gamble kooperieren

Der Fraunhofer Cluster of Excellence Circular Plastics Economy CCPE und das Fraunhofer Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT haben ein innovatives Recyclingverfahren für Altkunststoffe entwickelt. Das Pilotprojekt, an dem auch SABIC und Procter & Gamble beteiligt sind, soll zeigen, dass Einweg-Gesichtsmasken für das sogenannte Closed-Loop-Recycling geeignet sind.

Der Übergang von einer Linear- zu einer Kreislaufwirtschaft in der Kunststoffproduktion kann dann gelingen, wenn die beteiligten Akteure und Akteurinnen zusammenarbeiten. Der Fraunhofer Cluster of Excellence Circular Plastics Economy CCPE bündelt die Kompetenzen von sechs Fraunhofer-Instituten und setzt auf eine enge Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie.

Durch den Transfer von wissenschaftlichen Erkenntnissen in die Wirtschaft, Gesellschaft und Politik zählt das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT zu den Vorreitern beim nachhaltigen Umgang mit Energieträgern und Rohstoffen. Gemeinsam mit verschiedenen Partnern und Partnerinnen erforschen und entwickeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Fraunhofer UMSICHT spannende Produkte, Prozesse und Dienstleistungen zum Thema Nachhaltigkeit.  

Das Fraunhofer-Institut UMSICHT, SABIC und Procter & Gamble (P&G) arbeiten im Rahmen eines innovativen Pilotprojekts zur Kreislaufwirtschaft zusammen, das die Möglichkeiten zur Rückführung von Einweg-Gesichtsmasken in den Verwertungskreislauf aufzeigen soll.

Die milliardenfache Verwendung von Einweg-Gesichtsmasken zum Schutz vor dem Coronavirus birgt große Gefahren für die Umwelt, insbesondere wenn die Masken in der Öffentlichkeit, z.B. in Parks, bei Open-Air-Veranstaltungen oder an Stränden, gedankenlos weggeworfen werden. Neben der Herausforderung, eine nachhaltige Lösung für derart große Mengen unverzichtbarer Hygieneartikel zu finden, bedeutet die bloße Entsorgung der gebrauchten Masken auf Mülldeponien oder in Verbrennungsanlagen einen Verlust an wertvollem Rohstoff, mit dem sich neue Materialien herstellen ließen.

»Vor diesem Hintergrund haben wir untersucht, wie gebrauchte Gesichtsmasken wieder zurück in die Wertschöpfungskette der Maskenproduktion gelangen könnten«, so Dr. Peter Dziezok, Director R&D Open Innovation bei P&G. »Doch für eine echte Kreislauflösung, die sowohl nachhaltige als auch wirtschaftliche Kriterien erfüllt, braucht es Partner. Deshalb haben wir uns mit den Expertinnen und Experten vom Fraunhofer CCPE und Fraunhofer UMSICHT sowie den Technologie- und Innovations-Fachleuten von SABIC zusammengetan, um Lösungen zu finden.«

Im Rahmen des Pilotprojekts sammelte P&G an seinen Produktions- und Forschungsstandorten in Deutschland gebrauchte Gesichtsmasken von Mitarbeitenden und Besuchenden ein. Auch wenn diese Masken immer ordnungsgemäß entsorgt werden, fehlte es doch an Möglichkeiten, diese effizient zu recyceln. Um hierbei alternative Herangehensweisen aufzuzeigen, wurden extra dafür vorgesehene Sammelbehälter aufgestellt und die eingesammelten Altmasken an Fraunhofer zur Weiterverarbeitung in einer speziellen Forschungspyrolyseanlage geschickt.

»Einmal-Medizinprodukte wie Gesichtsmasken haben hohe Hygieneanforderungen, sowohl in Bezug auf die Entsorgung als auch hinsichtlich der Produktion. Mechanisches Recycling wäre hier keine Lösung«, erklärt Dr. Alexander Hofmann, Abteilungsleiter Kreislaufwirtschaft am Fraunhofer UMSICHT. »Unser Konzept sieht zunächst die automatische Zerkleinerung und anschließend die thermochemische Umwandlung in Pyrolyseöl vor.

Unter Druck und Hitze wird der Kunststoff bei der Pyrolyse in molekulare Fragmente zerlegt, wodurch unter anderem Rückstände von Schadstoffen oder Krankheitserregern wie dem Coronavirus zerstört werden. Im Anschluss können daraus neuwertige Rohstoffe für die Kunststoffproduktion gewonnen werden, die zudem die Anforderungen an Medizinprodukte erfüllen«, ergänzt Hofmann, der auch Leiter der Forschungsabteilung Advanced Recycling am Fraunhofer CCPE ist.

Das Pyrolyseöl wurde im nächsten Schritt an SABIC weitergereicht, wo es als Ausgangsmaterial für die Herstellung von neuwertigem Polypropylen (PP) zum Einsatz kam. Das Polymer wurde nach dem allgemein anerkannten Massenbilanz-Prinzip hergestellt, bei dem das alternative Ausgangsmaterial im Produktionsprozess mit fossilen Rohstoffen kombiniert wird. Das Massenbilanz-Prinzip gilt als wichtige Brückenlösung zwischen der heutigen Linearwirtschaft und der nachhaltigeren Kreislaufwirtschaft der Zukunft.

»Das in diesem Pilotprojekt gewonnene, hochwertige zirkuläre PP-Polymer zeigt deutlich, dass Closed-Loop-Recycling durch die aktive Zusammenarbeit von Akteuren aus der gesamten Wertschöpfungskette erreicht werden kann«, betont Mark Vester, Global Circular Economy Leader bei SABIC. »Das Kreislaufmaterial ist Teil unseres TRUCIRCLE™-Portfolios, mit dem wertvolle Altkunststoffe wiederverwertet und fossile Ressourcen eingespart werden sollen.«

Mit der abschließenden Lieferung des PP-Polymers an P&G, das dort zu Faservliesstoffen verarbeitet wurde, schloss sich der Kreis. »Durch dieses Pilotprojekt konnten wir besser beurteilen, ob der Kreislaufansatz auch für Kunststoffe, die bei der Herstellung von Hygiene- und Medizinprodukten zum Einsatz kommen, geeignet wäre«, so Hansjörg Reick, Senior Director Open Innovation bei P&G. »Natürlich muss das Verfahren noch verbessert werden. Die bisherigen Ergebnisse sind jedoch durchaus vielversprechend.«

Das gesamte Kreislaufprojekt – von der Einsammlung der Gesichtsmasken bis hin zur Produktion – wurde innerhalb von nur sieben Monaten entwickelt und umgesetzt. Der Einsatz innovativer Recyclingverfahren bei der Verarbeitung anderer Materialien und chemischer Produkte wird im Fraunhofer CCPE weiter erforscht.

Teppichabfälle bestehen zu einem erheblichen Teil aus erdölbasiertem Polypropylen. Bislang sind sie jedoch nicht recycelbar; sie werden daher verbrannt oder deponiert. Über ein neuartiges Lösungsmittel lässt sich das Polypropylen aus Teppichabfällen in Primärqualität zurückzugewinnen – ohne merkliche Qualitätseinbußen. Auch in punkto Kosten ist das Verfahren des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP und seiner Partner durchaus konkurrenzfähig. Entwickelt wurde es im EU-Projekt »ISOPREP«.

Etwa 1,6 Millionen Tonnen Teppichabfälle fallen pro Jahr an – allein in der EU. Der Großteil davon wird deponiert oder verbrannt, denn Teppiche gehören zu den Verbundwerkstoffen, bei denen man mit einem rein mechanischen Recycling kaum weiterkommt. Doch damit gehen viele Ressourcen verloren, schließlich bestehen Teppichabfälle, die im Projekt ISOPREP behandelt werden, etwa zu einem Viertel aus dem erdölbasierten Kunststoff Polypropylen.

Teppich-Recycling: Neuartiges Verfahren macht´s möglich
Ein Forscherteam, dem auch das Fraunhofer IBP angehört, hat im EU-Projekt »ISOPREP« (siehe auch Logo) ein neuartiges Recycling-Verfahren entwickelt. »Mit diesem lässt sich erstmals Polypropylen aus Teppichabfällen zurückgewinnen – und zwar in Primärqualität«, sagt Maike Illner, Wissenschaftlerin am Fraunhofer IBP. Das wiedergewonnene Polypropylen kann also nicht nur für minderwertigere Produkte verwendet werden – man spricht dabei von »Down-Cycling« – sondern kommt mit seiner Qualität an die von neu hergestelltem Polypropylen heran. Es eignet sich somit auch für hochwertige Produkte.

Basis für das Verfahren ist ein besonderes Lösungsmittel, genauer gesagt ein ionisches Liquid. Besteht dieses aus den passenden Komponenten, löst es selektiv das Polypropylen aus den Teppichfasern heraus. Bevor das Expertenteam den Teppichabfällen mit dem Lösungsmittel zu Leibe rückt, werden diese gereinigt – dabei wird unter anderem möglichst viel des Teppichrückens abgetrennt– und zerkleinert. Die vorbehandelten Teppichabfälle kommen in einen Reaktor, in dem sie mit dem Lösungsmittel behandelt werden: Das Polypropylen wird selektiv im Lösungsmittel gelöst, was für eine effektive Abtrennung von Farbstoffen und anderen Additiven sorgt. Im größeren Labormaßstab mit mehreren Litern funktioniert das Verfahren bereits. Nun arbeitet das Konsortium daran, den Prozess auf eine Pilotanlage zu übertragen: Eine Tonne Teppichabfälle soll diese pro Tag recyclen können. Zum Projektende im März 2022 soll die Pilotanlage in Betrieb sein.

Kosten und Umweltwirkung
Doch ein Recyclingverfahren kommt nur dann zum großtechnischen Einsatz, wenn es kostenmäßig konkurrenzfähig ist. Das heißt in diesem Fall: Das recht teure ionische Liquid muss möglichst vollständig im Kreislauf geführt werden. »Liegen die Verlustraten bei einem Prozent oder darunter, hat der Prozess das Potenzial, hinsichtlich der Kosten mit der Neuherstellung von Polypropylen zu konkurrieren«, fasst Illner zusammen. »Das zeigt eine vorläufige ökonomische Analyse, die wir am Fraunhofer IBP durchgeführt haben.« Dazu untersuchten die Fraunhofer-Forscherinnen und -Forscher, welche Mengen an Material und Energie für den Prozess benötigt werden sowie was als Produkt wieder herauskommt, und errechneten die entsprechenden Kosten. Sie berücksichtigten in der ökonomischen Analyse zudem, wie sich die Kosten langfristig entwickeln könnten.

Die Ökologie des Teppich-Recyclings steht am Fraunhofer IBP im Fokus. Aufschluss gibt unter anderem die Lebenszyklusbetrachtung: Welche Emissionen beispielsweise entstehen beim Recyclingprozess? Auch hier gilt: Erreicht das Konsortium sein Ziel, die Verlustraten des Lösungsmittels auf ein Prozent und weniger zu senken, sind Primärenergiebedarf und Treibhausgasemissionen in einer ähnlichen Größenordnung wie die der Neuherstellung.

Auf andere Polypropylen-Abfallströme übertragbar
Zwar stehen Teppichabfälle im Blickpunkt des Projekts. Doch das entwickelte Verfahren kann deutlich mehr: Die Expertinnen und Experten gehen davon aus, dass es sich auf eine Vielzahl an Abfallströmen übertragen lässt, die Polypropylen enthalten und für das konventionelle Recycling ungeeignet sind. »Ein Beispiel sind Polypropylen-Produkte, die Farbstoffe und Additive enthalten«, konkretisiert Illner. »Bislang ist es schwierig, diese aus dem Kunststoff herauszulösen, so dass sich das recycelte Polypropylen nur für einen minderwertigeren Einsatz verwenden lässt.« Mit dem neuen Verfahren lässt sich das Polypropylen nicht nur von anderen Materialien, sondern auch von zugesetzten Farbstoffen und Additiven trennen und steht somit einer hochwertigen Anwendung zur Verfügung.

Dieses Projekt wird mit Mitteln aus dem Horizon 2020 Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union unter Grant Agreement Nr. 820787 gefördert.

Das Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT ist mit seiner langjährigen Expertise im Bereich der Nanotoxizitäts- und Nanosicherheitstests an einem neuen EU-Projekt für wassersparende Lösungen für die Textilindustrie beteiligt. Diese Industrie verbraucht große Mengen an Wasser für verschiedene Schritte im Textilfärbeprozess und produziert Abwasser, das eine Reihe von Chemikalien und Farbstoffen enthält.

In energieintensiven Industrien sind bahnbrechende Innovationen erforderlich, um Wasser zu recyceln und geschlossene Kreisläufe in industriellen Prozessen zu realisieren. 20 % der weltweiten industriellen Wasserverschmutzung stammt aus der Textilherstellung. Um den hohen Frischwasserverbrauch in der Textilindustrie zu reduzieren, wird im Rahmen des von der EU geförderten Projekts »Waste2Fresh« ein geschlossener Kreislaufprozess für textilverarbeitende Fabriken entwickelt, bei dem das Abwasser gesammelt, recycelt und wiederverwendet wird. Dabei werden neuartige und innovative katalytische Abbauprozesse mit hochselektiven Trenn- und Extraktionstechniken entwickelt, die auf Nanotechnologie basieren. Laut Europäischer Kommission würden solche geschlossenen Kreisläufe den Verbrauch von Frischwasser deutlich reduzieren und die Wasserverfügbarkeit in den entsprechenden EU-Wassereinzugsgebieten verbessern, wie es die Wasserrahmenrichtlinie vorsieht.

Geschlossener Kreislauf für Abwässer von Textilhersteller
»Waste2Fresh« adressiert die oben genannten Herausforderungen und Bedürfnisse der Industrie durch die Entwicklung und Demonstration (bis TRL 7) eines Recyling-Systems mit geschlossenem Kreislauf für Abwässer aus Textilfabriken, um der Verknappung der Süßwasserressourcen und der Wasserverschmutzung entgegenzuwirken, die durch energieintensive Industrien als große Nutzer von Süßwasser (z. B. für die Verarbeitung, das Waschen, Heizen, Kühlen), verursacht wird.

Die »Waste2Fresh«-Technologie wurde entwickelt, um die derzeitige Nutzung von Süßwasserressourcen zu reduzieren und die Rückgewinnung von Wasser, Energie und anderen Ressourcen (organische Stoffe, Salze und Schwermetalle) erheblich zu steigern, mit dem Ergebnis einer 30%igen Steigerung der Ressourcen- und Wassereffizienz im Vergleich zum Stand der Technik. Das System soll letztlich zu erheblichen Umweltverbesserungen führen und entsprechend den EU- und den globalen ökologischen Fußabdruck verringern

Fraunhofer IBMT-Expertise in Humantoxizitäts- und -sicherheitsprüfung
Das Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT ist in erster Linie für die Durchführung von Nanotoxizitäts- und Nanosicherheitsstudien während des gesamten Technologieprozesses (von der Entwicklung bis zur Demonstration) verantwortlich, um sicherzustellen, dass das entwickelte System und die Prozesse die relevanten Sicherheitsvorschriften erfüllen. Das Fraunhofer IBMT arbeitet mit den Konsortialpartnern zusammen, die die Ansätze entwickeln und anwenden, um sicherzustellen, dass die entwickelten, auf Nanomaterialien basierenden Komponenten die relevanten Gesundheits- und Sicherheitsstandards während ihres Einsatzes erfüllen.

Für die Gefährdungsbeurteilung der entwickelten Nanomaterialien wird das Fraunhofer IBMT eine Reihe von In-vitro-Toxizitätsstudien mit kommerziell verfügbaren menschlichen Zelllinien durchführen. Die Ergebnisse dieser Toxizitätsstudien werden die Grundlage für die Entwicklung relevanter Sicherheitsvorschriften für die Handhabung und den Einsatz der entwickelten Recyclingtechnologie sein.

Projektförderung: H2020-EU.2.1.5.3. - Nachhaltige, ressourceneffiziente und kohlenstoffarme Technologien in energieintensiven Prozessindustrien

Laufzeit: 12/2020- 11/2023

Koordinator:
KONYA TEKNIK UNIVERSITESI, Türkei

Projektpartner:
CENTRE FOR PROCESS INNOVATION LIMITED LBG, Vereinigtes Königreich
ERAK GIYIM SANAYI VE TICARET ANONIM SIRKETI, Türkei
FRAUNHOFER GESELLSCHAFT ZUR FOERDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V., Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT, Deutschland
INNOVATION IN RESEARCH & ENGINEERING SOLUTIONS, Belgien
INSTYTUT MOLEKULYARNOI BIOLOGII I GENETYKY NAN UKRAINY, Ukraine
L'UREDERRA, FUNDACION PARA EL DESARROLLO TECNOLOGICO Y SOCIAL, Spanien
NANOFIQUE LIMITED, Vereinigtes Königreich
NANOGENTECH LTD, Vereinigtes Königreich
PCI MEMBRANES SPOLKA Z OGRANICZONA ODPOWIEDZIALNOSCIA, Polen
STIFTELSE CSDI WATERTECH, Norwegen
THE OPEN UNIVERSITY, Vereinigtes Königreich
ULUDAG CEVRE TEKNOLOJILERI ARGE MERKEZI SANAYI VE TICARET LIMITED SIRKETI, Türkei
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER, Kolumbien
UNIVERSITA DEGLI STUDI DI TRENTO, Italien
VEREALA GMBH, Schweiz
VSI SOCIALINES INOVACIJOS SVARESNEI APLINKAI, Litauen

Wasserabweisend und mehr: Textilien mit Chitosan nachhaltig beschichten

Textilien können mit dem Biopolymer Chitosan beschichtet und so durch Anbindung hydrophober Moleküle wasserabweisend ausgerüstet werden. Das Gute daran ist, dass dadurch auch toxische und erdölbasierte Stoffe ersetzt werden können, die man aktuell für die Textilveredlung verwendet. Wie dies funktionieren kann, hat das Fraunhofer IGB mit Partnern im Projekt HydroFichi in den letzten Jahren erforscht: Entwickelt wurde eine Technologie, um Fasern mithilfe biotechnologischer Prozesse und Chitosan mit gewünschten Eigenschaften versehen zu können.

Die Herstellung von Textilien ist dieser Tage noch stark chemisch geprägt: Biotechnologische Verfahren, Enzyme und nachwachsende Rohstoffe spielen bislang eine eher untergeordnete Rolle. Beispielsweise kommen bei der Ausrüstung von Textilien mit wasser- und ölabweisenden Eigenschaften aktuell vor allem perfluorierte Chemikalien zum Einsatz. Diese sind gesundheitsschädlich und zudem kaum abbaubar, weshalb sie lange Zeit in der Umwelt verbleiben.

Das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB forscht schon seit einiger Zeit an nachhaltigen biobasierten Alternativen: Im Projekt HydroFichi – kurz für: Hydrophobic Finishing with Chitosan –, das Ende Januar 2021 abgeschlossen wurde, haben Forschende des Instituts eine Möglichkeit entwickelt, um Chitosan aus Abfallströmen produzieren zu können und das Biopolymer nicht nur als Schlichtemittel bei der Verarbeitung von Garnen, sondern oder auch zur Funktionalisierung von Textilien bei der Veredlung einzusetzen.

Chitosan aus Abfällen für Umweltschutz, Medizin oder Textilien
Chitosan ist ein nachwachsender Rohstoff, der sich von Chitin ableitet – dem nach Cellulose zweithäufigsten in der Natur vorkommenden Biopolymer. Quellen für das stickstoffhaltige Polysaccharid können Krabbenschalen aus Fischereiabfällen, Insektenhäute und -panzer, die beispielsweise bei der Herstellung von Tierfutter anfallen, oder auch – als vegane Variante – die Zellwände von Pilzen sein. Die Struktur der beiden Moleküle ist sehr ähnlich; einziger Unterschied ist eine Acetylgruppe, die bei der Umwandlung zu Chitosan entfernt wird. Chitin ist unlöslich in Wasser und den meisten organischen Lösemitteln. Chitosan ist ebenfalls schwer löslich – durch Zugabe milder Säuren kann das Biopolymer jedoch in Wasser gelöst und damit als Textilhilfsmittel eingesetzt werden.

Um Chitosan aus dem jeweiligen Abfallstrom zu isolieren, muss zunächst Chitin aus den Ausgangsstoffen durch Demineralisierung und Deproteinisierung und anschließend sein Derivat Chitosan gewonnen werden. Dabei können die Eigenschaften von Chitosan durch die Wahl der jeweiligen Konditionen individuell angepasst werden. Das so produzierte Biomolekül kann dann direkt den verschiedensten praktischen Anwendungen eingesetzt werden – beispielsweise als Flockungshilfsmittel in der Abwasserbehandlung oder als Wirkstoffträger in der Medizin.

Auch in der Textilindustrie gibt es zahlreiche denkbare Einsatzmöglichkeiten für Chitosan. Beim Schlichten beispielsweise überzeugte die Effizienz des Naturstoffs in Technikumsversuchen der Deutschen Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF) bereits: Hier zeigte sich die Wirksamkeit in einer wesentlich geringeren Rauigkeit der Garne nach dem Weben zu textilem Gewebe. Dabei waren die erzielten Werte mit Chitosan aus Insekten vergleichbar mit denen aus kommerziellen Krabbenschalen. Diese Tatsache ermöglicht zukünftig ganz neue Möglichkeiten der Gewinnung im Sinne der Bioökonomie.

Chitosan als nachwachsender Rohstoff ersetzt fossile Chemikalien
»Unser Anliegen im Projekt HydroFichi war es, der Textilindustrie einen Rohstoff für verschiedenste Anwendungen zur Verfügung zu stellen, der einerseits aus nachwachsenden Edukten gewonnen werden kann, aber auch Chemikalien vermeidet, die die Umwelt und Gesundheit schädigen«, erklärt Projektleiter Dr. Achim Weber, stellvertretender Leiter des Innovationsfelds Funktionale Oberflächen und Materialien am IGB. »Neben einer einfachen Beschichtung mit Chitosan, bei der die Fasern geschützt werden, konnten wir die Substanz auch als Ankermolekül nutzen, um Vernetzungspunkte für verschiedenste funktionelle Gruppen zu schaffen und damit Textilien ganz gezielt mit bestimmten Eigenschaften zu versehen, zum Beispiel wasserabweisend zu machen. Chitosan kann also gleichzeitig als Matrixmaterial oder Templat fungieren – und dies bei den unterschiedlichsten Fasermaterialien.«

Bewertet wurden die Veredlungen mittels standardisierter Tests, aber auch mit eigens dafür entworfenen Testständen und Methoden. Hier zeigten beispielsweise Messungen auf behandelten Textilien Kontaktwinkel von über 140°. Dies bedeutet eine sehr gute Wasserabweisung der Stoffe und bestätigt die erfolgreiche Bearbeitung der Textilien. In einem nächsten Schritt soll die am IGB entwickelte Technologie vom Labormaßstab auf den wesentlich größeren Pilotmaßstab übertragen werden, um das nachhaltige Biomolekül möglichst schnell in die Marktreife überführen zu können, beispielsweise für den Einsatz im Sport- und Outdoorbereich.

Erstmals biotechnologische Prozesse in der Textilveredlung
Im Projekt konnten die IGB-Wissenschaftler gemeinsam mit vier Partnern aus der Textilindustrie – die Deutschen Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF), J.G. Knopf´s Sohn, Helmbrechts, und der Textilchemie Dr. Petry, Reutlingen – erstmals biotechnologische Prozesse in der Rohstoffgewinnung und Veredlung etablieren, die sich als kompatibel mit allen Textilprozessen erwiesen. Dies ist bislang ein Alleinstellungsmerkmal in der Veredlung von Textilien. »Wir alle haben das große Potenzial von Chitosan zur effizienten Hydrophobierung und als Funktionsträger erkannt und konnten dank der guten Zusammenarbeit Techniken für eine maßgeschneiderte Funktionalisierung von Textilien erfolgreich etablieren«, ergänzt Dr. Thomas Hahn, der im Innovationsfeld Industrielle Biotechnologie am IGB forscht. »Darüber hinaus sind weitere Einsatzgebiete des Biopolymers vielversprechend. Deshalb haben wir sofort im Anschluss an HydroFichi das Folgeprojekt ExpandChi initiiert, in dem gemeinsam mit den Partnern Techniken entwickelt werden sollen, um biobasiertes Chitosan als Funktionsträger zum Ersatz weiterer synthetischer Polymere zu verwenden, beispielsweise für eine spezielle Anti-Falten- oder eine flammenhemmende Beschichtung. Die Textilindustrie ist sehr daran interessiert, dass ein solch nachhaltiges Biomolekül möglichst schnell eingesetzt wird.«

Das Projekt »HydroFichi« wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unter Förderkennzeichen 031B0341A, das Folgeprojekt »ExpandChi«, das im Februar 2021 begonnen hat, wird unter Förderkennzeichen 031B1047A gefördert.

Das Wort „Mode“ weckt in den meisten Gedanken an Schnitte, Farben und Muster – warum aber eigentlich nicht an Live-Auswertungen von Vitalfunktionen oder Trainingseinheiten für Rehabilitationspatient*innen? Bislang sind Produkte der Modebranche weitestgehend analog. Um jedoch Kleidung in der Ära des Digitalen smart zu gestalten, wurde das Projekt Re-FREAM ins Leben gerufen. Forschende und Künstler*innen arbeiten hier Seite an Seite, entwickeln innovative und nachhaltige Ideen sowie Umsetzungsvarianten für den Mode-Bereich und setzen Impulse für Nutzer*innen-orientierte Synergien aus Textil und Technik.

Der Schriftsteller Maxim Gorki brachte die Verbundenheit zweier lange unvereinbar geglaubter Gesellschaftsbereiche auf den Punkt: „Die Wissenschaft ist der Verstand der Welt, die Kunst ihre Seele“. Im Projekt Re-FREAM werden sie verbunden, denn Mode beschränkt sich nicht nur auf die Entscheidung des Äußerlichen, sie ist unmittelbar mit soziologischen, technologischen und ökologischen Weltanschauungen behaftet. Immer weniger reicht es aus, nur das Schöne zu präsentieren, denn auch die Schattenseiten der Fashion-Industrie müssen aufgedeckt und ihnen muss mit nachhaltigen Produktionszyklen und fairen Arbeitsbedingungen entgegengewirkt werden. Genau dieses Umdenken und Neugestalten der Prozesse, Produktionsmethoden, aber auch der Funktionalität und Traditionen in der Modewelt ist Teil des Projekts Re-FREAM.

Ziel ist es, eine Interaktion zwischen Mode, Design, Wissenschaft und Urban Manufacturing entstehen zu lassen, um kreative Visionen mit nachhaltigen technologischen Lösungen zu verbinden. In Teams entwickelten Künstler*innen und Wissenschaftler*innen gemeinsam Projekte und präsentierten ihre innovative Ästhetik anschließend auf dem virtuellen Ars Electronica Festival 2020.

Durch den Einbezug der Wissenschaftler*innen vom Fraunhofer IZM stehen den Kunstschaffenden gänzlich neue technologische Möglichkeiten offen: Die Mikroelektronik wird nicht nur zum modischen Accessoire, sondern verleiht Kleidungstücken auch neue Funktionen. Mit Hilfe von Integrationstechnologien kann Kleidung vernetzt und textilintegrierte Sensorik verwendet werden, was Perspektiven von tragbaren Anwendungen im Bereich E-Health eröffnet.

Eine Schwierigkeit, die die Fraunhofer-Forschenden dabei lösen müssen, sind die elektronischen Kontaktstellen zwischen Elektronik und Textilien, denn diese müssen im industriellen Maßstab fertigbar und bei textiltypischer mechanischer Belastung sowie Waschreinigung zuverlässig funktionieren, ohne an Leistungsfähigkeit einzubüßen. Eine weitere Herausforderung sind die elektronischen Module. Am Fraunhofer IZM werden die elektronischen Komponenten so stark miniaturisiert, dass sie im Kleidungsstück nicht auffallen. Die verbindenden Leiterbahnen werden schließlich auf die Stoffe laminiert oder gestickt.

So vielseitig die Kooperationspartner*innen in Re-FREAM sind, so ist auch jedes Teilprojekt eine unikale Gemeinschaftsleistung. Die italienische Designerin Giulia Tomasello möchte zum Beispiel in ihrem Vorhaben „Alma“ Tabus rund um die weibliche Gesundheit aufdecken und ein Monitoring der vaginalen Flora realisieren. Das Team aus Designer*innen, einer Anthropologin und Fraunhofer-Forschenden entwickelt Unterwäsche mit integriertem pH-Sensor: Somit sollen eine nicht invasive Diagnose von bakterieller Vaginose sowie fungaler Erkrankungen im Alltag ermöglicht und schwerwiegende Entzündungen verhindert werden.

Im Zwickel der Unterwäsche sammelt der wiederverwendbare Biosensor Daten und leitet diese an ein circa 1 Quadratzentimeter kleines Modul. Dank eines modularen Aufbaus kann der Mikrocontroller problemfrei von den Textilien gelöst werden. Auch der textile Sensor kann aus der Unterwäsche entnommen werden. Neben der technologischen Lösung stehen die ästhetischen Ansprüche im Vordergrund. Weitere Anwendungsmöglichkeiten wären das Monitoring von anormalen Gebärmutterblutungen sowie der Wechseljahre. „Durch die enge Kooperation mit den Künstlerinnen und Künstlern haben wir ganz besondere Einblicke in die Nutzerperspektive erhalten und sie wiederum in die der anwendungsorientierten Technologien. Wir haben uns gegenseitig stets gefordert und nun eine Lösung gefunden, die Medizintechnik, Wearables und eine zirkuläre Produktionsweise vereint, um Frauen zu stärken“, so Max Marwede, der „Alma“ am Fraunhofer IZM technisch begleitet hat.

Auch im Vorhaben „Connextyle“ rund um Designerin und Produktentwicklerin Jessica Smarsch liegt dem Team daran, nutzerorientierte Kleidungsstücke zu entwickeln: Die mit textilen Leiterplatten und laminierten EMG-Sensoren versehenen Oberteile messen Muskelaktivitäten und optimieren damit Rehabilitationsprozesse von Patient*innen. Eine App liefert visuelles Feedback aus den gesammelten Daten, generiert Berichte über den Heilungsprozess und erleichtert es Therapeut*innen, die Maßnahmen ideal anzupassen.

Soft Robotics sind wiederum der springende Punkt im Vorhaben „Lovewear“, denn hier wurde inklusive Unterwäsche entwickelt, die besonders Menschen mit körperlichen Einschränkungen dabei helfen soll, die eigene Intimität zu erforschen und ein stärkeres Bewusstsein für den eigenen Körper zu entwickeln. Durch Interaktionen mit einem angeschlossenen Kissen, das als Interface fungiert, werden Drucklufteinlagen im Spitzenstoff aktiviert. Anstelle der üblicherweise genutzten silikonbasierten Materialien werden die Soft Robotics hier aus Textilien und thermoplastischen Materialien hergestellt. Somit vermeiden die Forschenden den langen Aushärtungsprozess bei silikonbasierten Ansätzen und ermöglichen eine schnellere und kostengünstigere Massenfertigung mit verfügbaren Textilmaschinen.

Besonders herausfordernd und gleichzeitig fruchtbar ist die Kollaboration in der Gestaltung nachhaltiger und zirkulärer Produktionsdesigns in der Mode. Bereits beim Design werden ökologische Prinzipien berücksichtigt, so dass negative Auswirkungen auf die Umwelt entlang des Produktlebenszyklus‘ minimiert werden. Dazu zählt, wie zuverlässig die Ankontaktierungen der Komponenten sind, wie lang die Sensoren auf dem Textil haften, die Materialauswahl und der modulare Aufbau, um die Mikrocontroller wiederverwenden zu können. Die Teams erstellen jedoch keine Einzelstücke – sie wollen zeigen, dass der Weg zu High-Tech Fashion auch ein umweltfreundlicher sein kann. Hier wurde auch an zirkulären Geschäftsmodellen gearbeitet, die zur nachhaltigen Mission der Projekte passen.

Somit stellt die Expertise des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in den Bereichen der E-Textiles und des zirkulären Designs einen hohen Mehrwert im Projekt Re-FREAM dar. Mit weiterführenden Untersuchungen zu geeigneten leitfähigen Materialien entwickeln die Forscher*innen aktuell sensorische Textilien und Textil geeignete Kontaktierungstechnologien. Zudem arbeiten sie an thermoplastischen Substraten, die in so gut wie jedes Textil integriert werden können.

Re-FREAM ist Teil des Programms STARTS (Science + Technology + Arts), welches als Initiative der Europäischen Kommission im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 gefördert wird.