Deutsche und französische Forscher untersuchen neue Möglichkeiten zur Gewinnung von Zellulose aus Abfallhanffasern, um daraus Aerogele herzustellen, Hightech-Materialien, die in der Industrie vielfältig eingesetzt werden können.
Während Aerogele in der Vergangenheit aus stark verschmutzenden anorganischen Stoffen wie Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid hergestellt wurden, zielt die Forschung darauf ab, ihre Entwicklung aus umweltfreundlicheren organischen Polymeren und Kohlenstoff voranzutreiben.
„Dies öffnet die Tür zur Verwendung von Hanfabfallfasern als Hauptquelle für Zellulose für diese Materialien, die unter milden Bedingungen und unter Verwendung billiger und sicherer Reaktanten extrahiert werden kann“, sagte Diogo Costa, ein Stipendiat des Marie-Skłodowska-Curie-Programms für europäische Industriepromotionen, der das Material als Teil seiner umfassenderen Studie über biobasierte und Kreislaufwirtschaft erforscht.
Costas Forschung wird durch einen Zuschuss des Biobased Value Circle (BVC) finanziert, einem Konsortium aus vier europäischen Universitäten, einem Forschungsinstitut und neun europäischen Unternehmen.
Was sind Aerogele?
Aerogele, bei denen der flüssige Inhalt durch Luft ersetzt wird, wurden erstmals in den 1930er Jahren erfunden und haben in den letzten 20 Jahren aufgrund ihrer Anwendung für Superkondensatoren, Ultrakondensatoren, Batterien und Entsalzungselektroden, als Hochtemperatur-Isoliermaterial und als Katalysator für Kohlenstoff-Nanoröhren und andere Materialien zunehmende Beachtung gefunden. Da das Material fest, aber porös ist, bietet es den entscheidenden Vorteil einer geringen Wärmeleitfähigkeit – die Wärmeübertragung.
Die NASA verwendet Aerogele zur Isolierung von Trägerraketen und Shuttles, Lebenserhaltungsgeräten, Prüfständen für Raketentriebwerke sowie zur Isolierung von Händen und Füßen von Astronauten. Zu den kommerziellen Anwendungen gehören Rohrisolierung, Bauwesen, Haushaltsgeräte und Kühlanlagen, Kraftfahrzeuge sowie Verbraucheranwendungen wie Bekleidung.
Die bisherige Forschung hat gezeigt, dass Aerogele, die aus hanfextrahierter Zellulose in Form von Kügelchen, Blättern und zylindrischen Monolithen hergestellt werden, ebenso effizient sind wie solche, die aus kommerzieller Industriezellulose gewonnen werden, so Costa.
Wachstumschancen
Zellulose, die 65 % bis 75 % der biochemischen Zusammensetzung von Hanffasern ausmacht, ist besonders interessant, weil sie in großer Menge vorhanden ist, biokompatibel ist und aus Abfallstoffen gewonnen werden kann, so Costa.
„Diese neuen Materialien werden hanfbasierten Unternehmen neue Wachstumschancen eröffnen und können neue und bessere Arbeitsplätze in ländlichen Gemeinden schaffen, während sie gleichzeitig die bekannten Umweltvorteile von Hanf bieten“, sagte er. „Aerogele werden ein immer größerer und interessanterer Markt werden, an dem die Hanfindustrie teilhaben kann, von Produzenten, die von ihren Abfällen profitieren wollen, bis hin zu neuen Sektoren, neuen Unternehmen und Investoren.“
Nach Angaben des in New York ansässigen Marktforschungsunternehmens Future Market Insights beläuft sich der Markt für Aerogele auf rund 1 Milliarde US-Dollar und wird bis 2030 voraussichtlich jährlich um 17 % wachsen.
Forschungspartner
Costas Forschung, die sich auf die Produktentwicklung und Überlegungen zur Lieferkette erstreckt, erfolgt in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln, das die Materialien entwickelt, um die derzeitigen Wärmedämmstoffe auf Ölbasis zu ersetzen, und dem Start-up-Unternehmen KEEY Aerogel in Habsheim, Frankreich, die beide Mitglieder des BVC-Konsortiums sind.
Neben der Erforschung des Potenzials minderwertiger Hanffasern, die bei der Verarbeitung von Hanfstängeln anfallen, als Grundlage für die neue Klasse umweltfreundlicher, biobasierter Aerogele untersucht Costa auch, wie sich die Produktion und Vermarktung solcher Produkte steigern lässt, was seiner Meinung nach eine der größten Herausforderungen darstellt.
„Die derzeitigen Methoden zur Entwicklung von Aerogele auf Hanfzellulosebasis sind immer noch zeitaufwändig“, sagte Costa. „Ihr Upscaling muss optimiert werden, und es müssen viele andere Faktoren berücksichtigt werden, wie z. B. die Beständigkeit gegen Feuchtigkeit, mikrobielle Aktivität und Verbrennung“, sagte er.
Die Verschlankung der Logistikketten und die Verringerung der Abhängigkeit von aus dem Ausland importierten Rohstoffen sind zentrale Herausforderungen, die im Rahmen der EU-Politik zur Förderung biobasierter und kreislauforientierter Wirtschaftsmodelle angegangen werden, dem breiteren Kontext von Costas Forschung.
Passend zum ‚Green Deal‘
Da die EU Hanf im Rahmen der Gemeinsamen Agrarpolitik (GAP) zu einer „wesentlichen Kulturpflanze“ erklärt hat, und in Anbetracht der ehrgeizigen Umweltziele, die mit dem Europäischen Green Deal verfolgt werden, fügt sich Costas Projekt nahtlos in die Strategie der Union zur Entwicklung dieser alternativen Wirtschaftsmodelle ein.
„Die Verwertung von Nutzpflanzen wie Hanf, Flachs, Mais und Weizen sowie der entsprechenden Rückstände ist eine der wichtigsten Alternativen, die in der EU erforscht werden“, so Costa.
Im Rahmen des Europäischen Green Deals und der Europäischen Bioökonomie-Strategie wird die EU voraussichtlich die Rechtsvorschriften und Kennzeichnungen für biobasierte Produkte aktualisieren und eine thematische Investitionsplattform für Kreislaufwirtschaft im Wert von 100 Millionen Euro einrichten, neben anderen Aktivitäten, die darauf abzielen, Interessenvertreter aus Wissenschaft, Industrie und Gesellschaft zu mobilisieren, so Costa.
Darüber hinaus hat die EU in den letzten sieben Jahren 3,7 Milliarden Euro in Forschung und innovative Bioökonomie-Projekte investiert, und diese Investitionen sollen bis 2030 im Rahmen von Horizont Europa, einem wichtigen Forschungs- und Innovationsförderungsprogramm zur Bewältigung der klimatischen Herausforderungen, auf 10 Milliarden Euro steigen.
Die Zusammensetzung des Konsortiums
Die am Biobased Value Circle-Konsortium beteiligten Unternehmen stellen Doktoranden ein oder nehmen sie für längere Praktika auf, um eine neue Generation von Forschern auszubilden, die die Entwicklung innovativer biobasierter Produkte unterstützen, die zu einer nachhaltigeren Wirtschaft führen können.
Neben KEEY sind dies die Unternehmen B4Plastics (Belgien), BioEvol Srl (Italien), ChemStream BVBA (Belgien), Fibrothelium (Deutschland), IFG Asota GmbH (Österreich), Umlaut Transformation GmbH (Deutschland), Spintex Engineering Ltd. (Großbritannien) und Technical Proteins Nanobiotechnology S.L. (Spanien).
Teilnehmende Universitäten sind das Aachen-Maastricht Institute for Bio based Materials an der Universität Maastricht, die Karl-Franzens-Universität Graz, Österreich, die National University of Ireland Galway und das BioTex-Institut der Universität Aachen, Deutschland.