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Bioökonomie

Weg zur postfossilen Gesellschaft

Die heutige Wirtschaftsweise zerstört die natürlichen Lebensgrundlagen. Experten fordern eine biologische Transformation.
Von Stephanie Burger, Wirtschaftszeitung

Eine zukunftsfähige Wirtschaft muss die physikalischen Grenzen des Planeten berücksichtigt. Foto: artjazz - stock.adobe.com
Eine zukunftsfähige Wirtschaft muss die physikalischen Grenzen des Planeten berücksichtigt. Foto: artjazz - stock.adobe.com

Nürnberg.Klimawandel, Rohstoffknappheit und eine wachsende Weltbevölkerung – die drängendsten Herausforderungen der Gegenwart erfordern neue Wege der Produktion. Wirtschaft und Wissenschaft finden diese zunehmend in der Natur. Die Idee ist, Prinzipien aus der Biologie auf die Material- und Produktentwicklung zu übertragen. Der Prozess wird als „biologische Transformation“ bezeichnet.

Was nach schöner Utopie klingt, halten Experten schon längst für notwendig. „Die Zeichen für einen solchen Wandel stehen aktuell gar nicht so schlecht“, meint Dr. Tobias Schwarzmüller, Programmmanager für Bioökonomie bei Bayern Innovativ. Strengere Umweltauflagen forderten von den Unternehmen, ressourceneffizient zu produzieren und „Fridays for Future“ habe zu mehr Umweltbewusstsein geführt. Auch die politischen Rahmenbedingungen änderten sich. So habe die deutsche Bundesregierung noch für 2019 eine Gesamtstrategie Bioökonomie angekündigt und die EU flankiere den Wandel mit ihrem Aktionsplan zur Kreislaufwirtschaft. Vorangetrieben wird das Thema auch vom Cluster Neue Materialien der Bayern Innovativ GmbH. Dieser hatte Experten der Biokökonomie zum Jahreskongress nach Nürnberg eingeladen. In seinem Eröffnungsvortrag beschrieb Schwarzmüller die biologische Transformation als Wandel von der heutigen Wirtschaftsweise hin zu einer postfossilen Gesellschaft. „Diese ist weitgehend unabhängig von fossilen Ressourcen und setzt auf ökologisch verträgliche Produktionsverfahren“, sagt er. Die älteste Wissenschaftsdisziplin, die zu diesem Wandel beiträgt, ist die Bionik, die Übertragung von Vorbildern aus der Natur auf die Technik. Weitere sind die Nutzung biobasierter Materialien, die additive Fertigung, die industrielle Biotechnologie sowie die synthetische Biologie.

Die Folgen des Wohlstands

Warum die heutige Produktionsweise nicht mehr zukunftsfähig ist, erklärte Dr. Oliver Schwarz, technischer Biologe und Gruppenleiter Bionische Medizintechnik beim Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA): „Immer mehr Menschen haben Anteil am Wohlstand. Geht das mit der Übernahme des Lebensstils der westlichen Welt einher, werden die steigenden Umweltbelastungen dazu führen, dass eine einigermaßen gerechte Bedürfnisbefriedigung nicht mehr möglich ist“, sagte Schwarz und zählte die dringlichsten Problemfelder auf: nitratbelastetes Grundwasser, Feinstaub, Mikroplastik, Plastik in den Meeren und ein riesiges Insektensterben. „Es ist ein paar Sekunden vor Zwölf. Die biologische Transformation ist der Schlüssel zum Fortbestand der Menschheit.“

Die Überwindung der heutigen Wirtschaftsweise kann Schwarz zufolge nur über eine Abnahme der globalen Logistik gelingen. An deren Stelle soll eine „technologieorientierte Bedarfswirtschaft“ treten, eine Wirtschaftsform, die die physikalischen Grenzen des Planeten berücksichtigt. Die Fertigung werde dezentraler und biobasiert und Produkte würden „on demand“ hergestellt. „Dazu brauchen wir drei Ansätze: die Bionik, die Nutzung von biologischen Organismen für die Produktentwicklung und das Denken in Kreisläufen“, so Schwarz. Anwendungen für biologische oder biologisch inspirierte Produkte gebe es in allen Branchen. Vor allem in der Medizin würden Ansätze bereits umgesetzt, beispielsweise bei Prothesen, die über Biosignale der Muskeln im Amputationsstumpf gesteuert werden. Als Forschungsbeispiel aus der Energietechnologie führte Schwarz künstliche Fotosynthese an. „Forscher arbeiten daran, diesen Prozess künstlich nachzustellen. Wenn das gelingt, kann man mit Sonnenenergie hocheffizient Wasserstoff gewinnen.“

Wie das Lernen von der Natur in der Praxis funktionieren kann, erklärte Markus Hollermann, Innovation & Biomimetic Expert bei Altran Deutschland, einem Anbieter für Forschung und Entwicklung im Auftrag von Unternehmen. „Bionikprojekte bestehen aus drei Phasen – Analyse, Abstraktion und Anwendung“, sagte Hollermann. Als Beispiel nannte er ein Projekt mit dem Flugzeughersteller Airbus. Ziel war es, Trennwände der Innenkabinen eines Airbus-Typs zu optimieren. „Die Lösung lieferte uns ein Schleimpilz, der auf einer Agar-Agar-Kultur zelluläre Strukturen ausgebildet hatte. Über die Abstraktion dieser Strukturen konnten wir gewichts- und stabilitätsoptimierte Trennwände entwickeln.“ Diese wiegen nun 35 statt 65 Kilogramm, lassen sich schneller produzieren und weisen eine bessere CO-Bilanz auf.

Bionik als Kreativitätsmethode

Bereits seit vier Jahren beschäftigt sich die Firma Brose, die unter anderem Komponenten für Fahrzeugtüren sowie Schließsysteme entwickelt, mit bionischen Werkzeugen. Der „Gurtbringer“ für die B-Säule einer Premiumlimousine wurde zur Initialzündung für die Anwendung von Bionik, wie Mario Stegerer, Entwickler bei Brose in Bamberg, verriet. „In der Funktionsweise des menschlichen Gelenks fanden wir die Lösung für unseren Gurtbringer“, so Stegerer. Die Anwendung bionischer Konstruktionsprinzipien habe die Leistungsfähigkeit von Bauteilen verbessert und ihre Entwicklungszeit verkürzt. Die Bionik werde außerdem als Kreativitätsmethode genutzt, um alte Probleme neu zu denken. „Das hat unseren Erfindergeist neu entfacht.“ Stegerer räumte aber auch ein, dass es ein langer Weg ist, Bionik im Unternehmen zu integrieren. „Bionische Arbeitsweisen sollten aber bald kein Luxus mehr sein.“ Diese Forderung erhoben die Experten für den gesamten Prozess der biologischen Transformation, der nach den Worten von Schwarzmüller ebenso technologieprägend und tiefgreifend sein wird wie die digitale Transformation.

Dieser Text ist ein Beitrag aus der Wirtschaftszeitung. Weitere interessante Wirtschaftsthemen gibt es auch im neuen kostenlosen Newsletter der Wirtschaftszeitung: www.die-wirtschaftszeitung.de/newsletter

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So kann Lernen von der Natur aussehen

  • DNA als Speichermedium der Zukunft

    Wie können wir unser heutiges Wissen, das zu einem großen Teil auf Servern und Festplatten liegt, für die kommenden Jahrtausende konservieren? Die Antwort auf diese Frage könnte aus der Natur kommen. Der Blick der Forscher richtet sich seit einigen Jahren auf die Erbsubstanz DNA, die für die Langzeitspeicherung großer Datenmengen geeignet sein soll. Das Problem bislang war jedoch, dass sich die Daten oft nicht fehlerfrei zurückgewinnen ließen, da durch chemischen Zerfall der DNA und Fehler beim Auslesen Lücken in den Daten entstanden. Forscher an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich gelang nun eine fehlerfreie Langzeitspeicherung, indem sie die informationstragenden DNA-Stücke in Siliziumdioxid verkapselten und einen Algorithmus verwendeten, um Auslesefehler zu korrigieren. Wie Dr. Robert Grass vom Institut der Chemie- und Bioningenieurwissenschaften der ETH erklärt, lässt sich aus fossilen Knochen mehrere hunderttausend Jahre altes Erbgut isolieren, da dieses darin verkapselt und geschützt vorliegt. Die älteste Information der Welt sei aus einem etwa 700000 Jahre alten Pferdeknochen gewonnen worden, so Grass. „In der analysierten DNA war ein Gigabit an Information enthalten. Das entspricht zehn Prozent der Texte auf Wikipedia.“

  • Metallgewinnung mit Mikroorganismen

    Mithilfe biologischer Prozesse den ökologische Fußabdruck im Bergbau zu verringern, ist der Firma Brain, einem Pionier der industriellen Biotechnologie, gelungen. Nach Angaben von Dr. Guido Meurer, Mitglied der Geschäftsleitung, hat Brain ein riesiges Bioarchiv aufgebaut, das inzwischen 53000 Mikroorganismen und zahlreiche weitere Naturstoffe und Genbibliotheken enthält. Das Archiv diene als „Werkzeugkasten der Natur“, der für Produktentwicklungen aller Art verwendet werden könne. Ein Zufallsfund im Bioarchiv habe zu einer Lösung im Bereich des „Urban Mining“ geführt, so Meurer. Urban Mining beruht auf der Idee, aus Abfällen Rohstoffe zu gewinnen. Im Bioarchiv habe man Mikroorganismen gefunden, an die sich Gold anhaftete. „Wir hatten sozusagen eine Lösung gefunden und fragten uns – wo passt sie hinein?“ Die Goldförderung hat sich Meurer zufolge als ideales Einsatzgebiet herausgestellt. Denn Gold aus primären Quellen zu gewinnen, ist verheerend für die Umwelt. Die Mikroorganismen hingegen machen es möglich, aus den fünf Millionen Tonnen Müllverbrennungsasche, die allein in Deutschland jährlich anfallen, ein bis drei Tonnen Gold zu gewinnen. Der mikrobiologische Werkzeugkasten des Bioprodukteentwicklers lässt sich auch für die Gewinnung von Silber, Platinmetallen und Metallen der seltenen Erden anwenden.

  • Nachhaltige Oberflächenreinigung

    Als berühmtestes Beispiel der Bionik gilt der Lotuseffekt, unter dem man die Selbstreinigungseigenschaften der Lotuspflanze versteht. Der Lotuseffekt wurde und wird vielfach in Produkten genutzt, insbesondere in Oberflächen von Nutzfahrzeugen, Wohnmobilen oder Möbeln. Der Nachteil ist allerdings, dass die Beschichtung im Laufe der Zeit geschädigt wird und die Funktion verloren geht. Die Arbeitsgruppe Bionik am Technologie Campus Freyung der Technischen Hochschule Deggendorf arbeitet derzeit in Kooperation mit der Industrie an einer leicht zu reinigenden Oberfläche, die zusätzlich über die Fähigkeit der Selbsterneuerung verfügt. Laut Kristina Wanieck, wissenschaftliche Mitarbeiterin der Arbeitsgruppe Bionik, wird dafür nach Zusatzstoffen gesucht, die nach dem Vorbild der Natur in der Lage sind, selbstständig an die Oberfläche eines Materials zu wandern. Diese werden in den Kunststoff des gewünschten Produkts eingemischt und bilden dort eine leicht zu reinigende Oberfläche. Die Schicht erneuert sich von selbst und funktioniert über lange Zeiträume – ohne umweltschädliche Beschichtung. Das Projekt ist Teil des bayerischen Projektverbundes „BayBionik – Von der Natur zur Technik“. Wanieck sieht in dem Projekt auch die Chance, Bionik stärker auf den Umweltschutz auszurichten und sie als nachhaltige Innovationsstrategie zu verankern.

  • Biologische Produktion des Kunststoffs

    PHB Kunststoffe genießen keinen guten Ruf, sind sie doch die Hauptursache für die Vermüllung von Land und Meer. Sie werden nur sehr langsam abgebaut und schädigen Ökosysteme. Zudem ist ihre auf Erdöl basierende Herstellung problematisch. Allerdings gelten Kunststoffe auch als besonders vielseitige Werkstoffe. Die Wissenschaft forscht deshalb an Biokunststoffen als Alternativen zu herkömmlichen Kunststoffen. In diesem Kontext steht auch das Forschungsprojekt von Prof. Dr. Stephanie Stute von der Fakultät Verfahrenstechnik an der Technischen Hochschule Nürnberg. Sie entwickelte ein wirtschaftliches Herstellungsverfahren für den Biokunststoff Polyhydroxybutyrat (PHB). PHB werde in der Natur von vielen Bakterien als Kohlenstoff- und Energiespeicher eingelagert, erklärt Stute. Verwenden lasse es sich in gleicher Weise wie Thermoplaste, eine Kunststoffart, die sich in einem bestimmten Temperaturbereich verformen lässt. „Das Problem ist, dass bis dato die Herstellungskosten von PHB um das Fünf- bis Fünfzehnfache höher lagen als die für vergleichbare Verpackungskunststoffe.“ Der Forscherin gelang es, die Kosten durch eine neue Verfahrenstechnik, die auf zwei kontinuierlich unter Zulauf von Nährstoffen betriebenen Bioreaktoren beruht, zu reduzieren. Dadurch konnten die im bisherigen Verfahren durch Reaktorreinigung, -sterilisation und -befüllung anfallenden Leerzeiten verringert werden. Zudem wird als günstiger Rohstoff Rohglycerin verwendet.

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