Kunststoff

^{Webspecial Fraunhofer-Magazin 3.2023}

Simon, sechs Jahre alt, muss sich entscheiden: die Limonadendose oder der Joghurtbecher? Die leere Wasserflasche, die Schokolinsen-Schachtel oder die aufgerissene Chipstüte? Allerlei Müll hat Birgit Faltermayr auf den Münchner Wissenschaftstagen am Stand des Fraunhofer-Instituts für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV vor sich aufgereiht, doch was davon gehört nun in den Gelben Sack oder in die Wertstofftonne? Zögernd greift Simon zum Joghurtbecher und blickt fragend zu der Wissenschaftlerin. »Volltreffer«, lobt Faltermayr. Und zack – schon ist der Becher im Gelben Sack verschwunden. Ganz einfach, oder?

Wenn es um Kunststoff geht, ist leider gar nichts mehr einfach. Dabei basierte der Siegeszug des Werkstoffs ab der Mitte des 20. Jahrhunderts auf genau diesem Versprechen: Dass das Material mit seinen schier grenzenlosen Möglichkeiten hinsichtlich Form und Eigenschaft, mit seiner Haltbarkeit, dem geringen Gewicht und dem günstigen Preis vieles einfacher, leichter und günstiger machen würde. Über Jahrzehnte sah es auch so aus, als wäre dieses Versprechen uneingeschränkt einlösbar: Die Welt wurde bunter, Produkte wurden preiswerter und sicherer, wirtschaftliche Prozesse wurden effizienter. Die Produktion von Kunststoffen wuchs seit den 1950er-Jahren durchschnittlich um 8,4 Prozent pro Jahr, weltweit wurden inzwischen mehr als acht Milliarden Tonnen Kunststoff hergestellt.

Was unbeachtet blieb, war die Frage, was mit dem Material nach Ende des Gebrauchs passiert. Das »End of Life«-Konzept, aber auch der Kohlenstoff-Fußabdruck für Kunststoffe und Verbundmaterialien wurden nicht ausreichend mitgedacht, und das an vielen Stellen der Wirtschaft. Die Folgen für die Umwelt sind verheerend: Jede 20. Tonne Erdöl fließt inzwischen in die Kunststoff-Produktion, 4,5 Prozent der globalen Treibhausgas-Emissionen gehen auf ihre Rechnung. Und: Der einstige Wertstoff ist zum Wegwerfmaterial geworden. Seit dem Beginn des Plastik-Booms haben sich gut fünf Milliarden Tonnen Plastikmüll in der Umwelt und in offenen Deponien angesammelt.

Die Umweltversammlung der Vereinten Nationen will die Plastikverschmutzung des Planeten mit einem internationalen Vertrag eindämmen, bis Ende 2024 soll dieser ausgehandelt und rechtsverbindlich sein. Das Licht, das die UN-Umweltorganisation UNEP nun ans Ende des Tunnels gestellt hat, verbreitet Hoffnung: Eine Reduktion der globalen Plastikverschmutzung um mehr als 80 Prozent bis 2040 sei möglich, hieß es in einer Mitte Mai veröffentlichten Studie. Aber wie?

»Die Kunststoffbranche befindet sich in einer grundlegenden Transformation«, konstatiert Prof. Sebastian Scholz, Leiter des Fraunhofer-Kunststoffzentrums Oberlausitz am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU. Dieser Wandel beschränkt sich nicht nur auf die Industrie, sondern betrifft jeden einzelnen Menschen. Denn selbst wenn wir bei dem Wort Plastik meist an Einwegprodukte und Verpackungsmüll denken: Kunststoffe sind viel mehr als das. Und sie sind überall: in unserer Kleidung und in Kosmetik, in Autos, Flugzeugen, Zügen, in den Gehäusen elektrischer Geräte und in Gebäuden. Selbst der täglich wachsende Weltraumschrott besteht zu einem Großteil aus Plastik, da auch im Satelliten- und Raketenbau viele Kunststoffe zum Einsatz kommen. »Es gilt, Techniken zu entwickeln, mit deren Hilfe die Produktion des Werkstoffs sowie unser Umgang damit nachhaltiger gestaltet werden«, betont Scholz.

Eine wichtige Forschungsfrage dabei lautet: Inwiefern lassen sich fossil basierte Kunststoffe ganz oder zumindest teilweise ersetzen durch biobasierte Materialien, ohne dass die gewünschten Eigenschaften verloren gehen? Innerhalb des in der Lausitz beheimateten Netzwerks LaNDER3 der Hochschule Zittau/Görlitz forschen mehrere Fraunhofer-Institute zusammen mit zahlreichen Unternehmen daran, die Glasfasern in synthetisch verstärkten Kunststoffen durch Naturfasern zu ersetzen, ohne bei diesen naturfaserverstärkten Kunststoffen (NFK) auf die Vorteile von glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) – hohe mechanische Festigkeit und Beständigkeit sowie herausragendes Korrosionsverhalten bei niedrigen Produktionskosten – verzichten zu müssen. Für die Innenverkleidung von Zügen beispielsweise wurde sogenanntes Hechelwerg (ein Nebenprodukt der Hanf- oder Flachsfaserproduktion) getestet, das kostengünstig und in ausreichender Menge verfügbar ist. »Die NFK-Bauteile können es hinsichtlich Eigenschaften wie Steifigkeit, Fließeigenschaften und Brandfestigkeit durchaus mit GFK aufnehmen«, betont Sebastian Scholz.

Damit die Lösung des einen Problems nicht zu einem anderen führt, sollte bei der Auswahl neuer Rohstoffe für die Kunststoffe von morgen das Thema Nachhaltigkeit gleich mitgedacht werden. Denn wenn Agrarprodukte den großen Kunststoffhunger allein in Deutschland decken sollen, fallen diese als Nahrungsmittel weg. Kunststoff oder Lebensmittel? Das darf nicht die Frage sein. In dem Projekt EnviroPlast arbeiten die Forschenden des Fraunhofer-Kunststoffzentrums Oberlausitz deshalb daran, faserhaltiges Restmaterial wie Stroh, Holzabfälle aus dem Sägewerk oder andere Grünabfälle als Füllstoffe einzusetzen. »Wir experimentieren mit Materialien und spielen mit Prozessen, um Kunststoffe zu entwickeln, die zu mehr als 50 Prozent mit Reststoffen gefüllt sind«, erklärt Scholz. »Das würde die Herstellungskosten senken, die Nachhaltigkeit der Produktion erhöhen – und CO₂ für viele Jahre binden, da diese Bauteile in der Regel jahrzehntelang im Einsatz sind.«

Beim Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt forscht Dr. Roland Klein in dem Projekt DuroBast mit Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft daran, wie sich die Einsatzbereiche von Bastfasern in NFK erweitern lassen. »Bei NFK besteht die Gefahr, dass diese sich etwa bei einer Beschädigung des Bauteils mit Feuchtigkeit aus der Umgebung vollsaugen. Dadurch können sich nicht nur die mechanischen Eigenschaften verschlechtern, sogar mikrobieller Befall droht«, erklärt Klein. Um der Feuchteaufnahme entgegenzuwirken, füllt das Forschungsteam des Fraunhofer LBF in einer Art Vorbehandlung die Zwischenräume der Fasern mit einem biobasierten Kunststoff. Erst im zweiten Schritt wird das verstärkende Gewebe von den Projektpartnern mit einer Thermoplast-Schmelze verbunden und zu einem umformbaren Halbzeug verpresst. Erste Untersuchungen haben ergeben, dass die Faservorbehandlung eine höhere Steifigkeit bewirkt. »Die verbesserte mechanische Eigenschaft dieses NFK kann dazu beitragen, dass man eventuell weniger Material benötigt«, hofft Klein. Auch das würde den ökologischen Fußabdruck verkleinern.

Der Polymilchsäure kommt bei der Suche nach innovativen Bio-Verpackungen eine Sonderrolle zu, glaubt Dr.-Ing. Stephan Kabasci, der beim Fraunhofer UMSICHT im Forschungsmanagement zuständig ist für die strategische Projektentwicklung im Bereich Circular Economy. »PLA ist ein sehr fester Kunststoff, der aber zugleich biologisch abbaubar ist«, erklärt der Chemietechniker. »Hinzu kommt, dass er sehr flächeneffizient hergestellt werden kann: Aus einem Kilogramm Zucker lassen sich ungefähr 900 Gramm PLA gewinnen.« Kabasci favorisiert die Herstellung des Zuckers aus Mais: »Aktuell landet beispielsweise ein Großteil des aus Maisstärke gewonnenen Zuckers als High Fructose Corn Sirup in Softgetränken und anderen stark gesüßten Lebensmitteln. Würde der Zuckeranteil hierin weltweit gesenkt, gäbe es nicht unerhebliche Kapazitäten für die Produktion von PLA.« Was nicht nur der Umwelt, sondern auch den Konsumenten zugutekäme: Zu viel Zucker gilt in mehrfacher Hinsicht als Gesundheitsrisiko.

Für die Industrie ist PLA interessant, weil es preisgünstig hergestellt werden kann. Der Bereich der Lebensmittelverpackungen ist extrem preissensibel, Differenzen im Cent-Bereich entscheiden mitunter, ob sich die Industrie für oder gegen einen Kunststoff entscheidet. »PLA ist aktuell das Biopolymer, das in relevanter Menge und gleichbleibender Qualität vorhanden ist«, erklärt Cornelia Stramm vom Fraunhofer IVV. Als Verpackungsmaterial bringt es durch seine Transparenz und mittleren Barriere-Eigenschaften gute Voraussetzungen mit. Doch solange der Einsatz der Industrie nicht wirtschaftlich rentabel erscheint, rechnet sich auch die Abtrennung eines gesonderten Recyclingstroms nicht. Das Fehlen echter Recyclingmöglichkeiten schwächt wiederum aus Sicht der Industrie das Nachhaltigkeitsargument. »Wir haben hier ein klassisches Henne-Ei-Problem«, konstatiert Stramm.

Trotz vielversprechender Forschungsansätze im Bereich der biologisch basierten Kunststoffe liegt also das Ziel, fossil hergestellte Plastikvarianten komplett durch solche aus erneuerbaren Ressourcen zu ersetzen, noch in großer Ferne. »Biologisch basierte Kunststoffe sind zudem kein Freifahrtschein in Richtung nachhaltige Zukunft«, ergänzt Jens-Peter Majschak. Im Gegenteil: »Aktuell wirken sie noch wie Sand im Getriebe der existierenden Recyclingketten.« Denn »biologisch basiert« bedeutet nicht automatisch biologisch abbaubar. PLA etwa gilt offiziell als kompostierbar – allerdings in den Varianten, die als Verpackung auch hinreichend beständig sind, nur unter ganz speziellen Temperatur-, Sauerstoff- und Feuchtigkeitsbedingungen. Im heimischen Kompost werden diese nicht erreicht. Darin liegt eine große Herausforderung, denn »eine Verpackung, die leicht bioabbaubar ist, könnte nach dem heutigen Stand der Technik ihre Schutzfunktion gar nicht erfüllen«, erklärt Majschak. In großen Kompostieranlagen allerdings mindert die langsame Zersetzung des Bio-Kunststoffs die wirtschaftliche Rentabilität: Der übliche Bioabfall verrottet deutlich schneller.

Solange noch fossil basierte Kunststoffe benötigt werden, braucht es weitere Ansätze, um die Nachhaltigkeit zu erhöhen. In dem Whitepaper »From #plasticfree to future-proof plastics« haben sich Forschende des Fraunhofer UMSICHT und der niederländischen Forschungsorganisation TNO mit der Frage auseinandergesetzt, wie eine neue Balance zwischen Plastikreduktion und einem nachhaltigen Umgang mit recycling­fähigem Kunststoff aussehen könnte. Über vier Stra­tegiewege könnte demnach die aktuell vorwiegend lineare Kunststoffwirtschaft in eine möglichst vollständige Kreislaufwirtschaft überführt werden. Ziel ist, nicht nur den Verbrauch von erdölbasierten Kunststoffen weltweit zu verringern (»Narrowing The Loop«), sondern deren Herstellung künftig energieeffizienter und ökologisch verträglicher zu gestalten (»Operating The Loop«). Um den Kreislauf zu verlangsamen (»Slowing The Loop«), müssen neue Wege gefunden werden, mit denen sich die Nutzungsdauer von Kunststoffprodukten verlängern lässt. Eine möglichst komplette Schließung des Kreislaufs (»Closing The Loop«) setzt auf die Idee, Kunststoffe idealerweise zu 100 Prozent zu sammeln, zu sortieren und möglichst hochwertig zu rezyklieren.

Kunststoffe länger nutzen

Elke Metzsch-Zilligen, Leiterin der Abteilung Additivierung und Dauerhaftigkeit am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt, forscht daran, mit welchen Additiven die Stabilität eines Kunststoffs verlängert werden kann. »Hitze, Feuchtigkeit, UV-Strahlen – all das schädigt das Material und mindert gewünschte Eigenschaften«, erklärt sie. Erst der Einsatz von Additiven beschert dem Kunststoff die benötigte Langlebigkeit etwa für den Einsatz in der Elektro- und Automobilindustrie. Im Exzellenzcluster Circular Plastics Economy (CCPE) haben sich sechs Fraunhofer-Institute (darunter das Fraunhofer LBF) zusammengeschlossen, um gemeinsam mit Wirtschaftspartnern der zirkulären Kunststoffwirtschaft den Weg zu ebnen. Ein Cluster-Baustein beschäftigt sich damit, das Alterungs- und Abbauverhalten von Kunststoffen wie PLA besser verstehen und kontrollieren zu können. Die Entwicklung geeigneter und idealerweise bio-basierter Additive, die eine langfristige Nutzung und anschließend ein werkstoffliches Recycling oder aber eine kontrollierte biologische Abbaubarkeit ermöglichen, ist ebenfalls Aufgabe des CCPE. »Die Forschungsergebnisse sind hier sehr ermutigend«, erklärt Metzsch-Zilligen.

Auch bei der Wiederaufbereitung von Rezyklaten spielen Additive eine wichtige Rolle – etwa, um gewünschte Werkstoff-Eigenschaften wieder aufzufrischen oder um Verunreinigungen besser im Gemisch zu verteilen und dadurch unschöne Oberflächeneffekte zu verhindern. Oder aber, um den oft unangenehmen Geruch benutzter Materialien wieder loszuwerden: Wer schon einmal in den Gelben Sack hineingeschnuppert hat, weiß, wovon die Rede ist. Im Rahmen des CCPE wurde eine Möglichkeit entwickelt, um mittels Sandwichspritzguss das riechende Altmaterial mit einer Haut aus geruchsneutralem Neuwarematerial zu umhüllen. Spezielle Additive in der Schutzhaut verhindern, dass der Geruch aus dem Kern langfristig freigesetzt wird. Einer Wiedernutzung des recycelten Kunststoffs auch in Innenräumen steht damit nichts mehr im Weg.

Dass nicht nur Kunststoffe selbst, sondern auch Additive nachhaltiger werden können, belegen die Projekte SusFireX und Bio-Flammschutz am Fraunhofer LBF: Hier haben die Forschenden biobasierte Flammschutzmittel ausgehend von Plattformchemikalien aus Bioraffinerien beziehungsweise auf der Basis von Cellulose (etwa Restströmen aus dem Papierrecycling) entwickelt. Mit deren Hilfe werden die leicht entflammbaren Kunststoffe nachhaltiger und sicherer. Bislang setzt die Industrie hierfür auf halogen- oder phosphorhaltige Additive, die zumeist aus fossilen Rohstoffen hergestellt werden. »Die von uns entwickelten Flammschutzmittel lassen sich gut in konventionelle wie biobasierte Kunststoffe einbringen«, betont Roland Klein. Was ihn noch mehr freut: »Bei bestimmten Kombinationen aus biobasierten und konventionellen Flammschutzmitteln erreicht man bereits bei sehr geringen Konzentrationen vielversprechende Ergebnisse. Das verkleinert nicht nur den ökologischen Fußabdruck, sondern verbessert auch die mechanischen Eigenschaften des Kunststoffs.«

Doch selbst das langlebigste Produkt erreicht eines Tages das sogenannte »End of Life«-Stadium und wird zu Müll. Was soll nun mit dem energetisch meist aufwendig hergestellten und verarbeiteten Kunststoff geschehen? Laut Umweltbundesamt wurde 2019 gut die Hälfte (53 Prozent) der gesammelten Kunststoffabfälle energetisch verwertet, also in Müllheizkraftwerken verbrannt und zur Strom- und Wärmeerzeugung eingesetzt. 46 Prozent gingen in die werkstoffliche Verwertung mit dem Ziel, das Altplastik in Material für die Kunststoffproduktion zu verwandeln (Recycling). Lediglich ein Prozent des Plastikmülls wird aktuell rohstofflich verwertet, also wieder in Grundstoffe wie Öl und Gase aufgespalten – eine energetisch noch zu aufwendige und dadurch wirtschaftlich unrentable Prozedur.

Oberste Priorität in der im Kreislaufwirtschaftsgesetz festgeschriebenen Abfallhierarchie hat die Strategie der Abfallvermeidung etwa durch Verzicht oder Wiederverwendung von Kunststoffprodukten oder -verpackungen. Danach folgen aber bereits jene Ansätze, die zur Optimierung einer echten Kreislaufwirtschaft beitragen. Der Grundgedanke ist einfach: Je länger ein Kunststoff im Kreis gehalten werden kann, desto weniger neuer Kunststoff muss produziert werden. »Hierzu muss allerdings die gesamte Prozesskette betrachtet werden«, erklärt Susanne Kroll, Gruppenleiterin Hochleistungsverbunde und Kreislaufwirtschaft am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU.

Kroll ist unter anderem Koordinatorin des 2022 gegründeten Innovationsclusters Circular Saxony, dessen Ziel die Vernetzung der Akteure und Akteurinnen aus Politik, Wissenschaft sowie Industrie ist, um gemeinsam die Produktions- und Verwertungskreisläufe nachhaltig zu gestalten und so die Kreislaufwirtschaft von der Theorie in die Praxis zu überführen. »Bereits die Fertigungsprozesse müssen an den Kreislaufgedanken angepasst werden«, betont Kroll – etwa, indem Hybridstrukturen, die aus unterschiedlichen Kunststoffen oder Materialkompositionen bestehen, so aufgebaut werden, dass sie nach dem Gebrauch leicht voneinander zu trennen sind und dadurch nicht in der energetischen Verwertung landen. Auch an eine Demontage sollte gedacht werden, indem etwa lösbare Klebeverbindungen genutzt werden. »Design for Re-Use, Repair und Recycling« nennt Kroll diesen Ansatz.

Die Wiedernutzung frühzeitig im Blick haben

Im Projekt Re-Use arbeiten vier Fraunhofer-Institute bereits daran, Lebensmittel- und Medizinverpackungen so herzustellen, dass ein späteres Recycling erleichtert wird. »Viele dieser Verpackungen bestehen aus Kunststoffverbundmaterialien, die eine gute Barrierewirkung garantieren, also Lebensmittel gut schützen. Leider lassen sich solche Materialkombinationen aber nicht mehr in sortenreine Polymere zerlegen, was für das Recycling nötig wäre«, erklärt Projektleiter Dr. Benedikt Hauer vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM. »Im Projekt RE-USE wollen wir stattdessen einen sortenreinen Kunststoff – gerne aus Recyclingmaterial – mit einer Schicht etwa aus Silizium- oder Aluminiumoxid versehen, die als Diffusionsbarriere dient.« Diese Schicht misst nur wenige Nanometer, betont Friederike Münch, Maschinenbauingenieurin und wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer IPM: »Das ist zehntausend Mal dünner als ein menschliches Haar und hat den Vorteil, dass der Kunststoff wie ein Monomaterial recycelt werden kann, da die Verunreinigung durch die Barriereschicht lediglich im Promillebereich oder noch niedriger liegt.«

Damit gewährleistet ist, dass die »Superbarriere« zwar ultradünn, aber doch überall ausreichend vorhanden ist, entwickelt das Team am Fraunhofer IPM einen optischen Sensor, der diese Schicht detektiert und so die Qualitätskontrolle in der Produktion übernehmen kann. »Per Infrarot-Reflektometrie lässt sich nicht nur erkennen, welches Material aufgetragen wurde, sondern auch, wie dick die Schicht ist«, erläutert Physiker Hauer. »Die Herausforderung ist nun, diese Technologie so zu skalieren, dass sie auch im Großmaßstab robust, schnell und günstig eingesetzt werden kann«, ergänzt Münch. Sobald das gelungen ist, sieht Projektleiter Hauer ein breites Anwendungsfeld für das Messprinzip – etwa in der Herstellung von Verpackungsfolien und Lebensmittelbehältern, aber auch von Blisterverpackungen in der Pharmaindustrie. Darüber hinaus werden Dünnschichten, insbesondere aus Siliziumoxid, vielfach zur Optimierung von Oberflächeneigenschaften genutzt. Auch hier kann das neue Messprinzip zur produktionsbegleitenden Qualitätskontrolle eingesetzt werden.

Mit dem Projekt KOSEL hat das Fraunhofer IWU das Prinzip »Design for Recycling« für die Autoproduktion durchexerziert. »Grundidee war die Entwicklung einer Fahrzeugplattform als Basis für leicht zu wechselnde Aufbauten«, erklärt Dr.-Ing. Martin Kausch, Abteilungsleiter für Systeme und Technologie für textile Strukturen. »Bei Flugzeugen, Zügen oder Straßenbahnen ist das längst Standard, da werden beispielsweise Passagier- zu Frachtflugzeugen umgebaut.« Entstanden ist bei KOSEL ein kreislaufgerechter Open-Source-Baukasten für eine E-Fahrzeug-Plattform, der aus besonders langlebigen Kunststoffkomponenten besteht. Die Hauptmodule Vorderwagen, Batteriekasten und Hinterwagen sind über feste Schnittstellen miteinander verbunden, sodass der Austausch einzelner Bauteile oder kompletter Fahrzeugbestandteile schnell realisierbar wird.

»Ansätze wie KOSEL betreffen das Fahrzeug von morgen«, betont Susanne Kroll. Wie aber könnte eine kurzfristige Lösung aussehen? In dem Projekt Dig-CirclE, an dem das Fraunhofer IWU beteiligt ist, werden Hochleistungs-Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) etwa aus der Automobilindustrie und Luftfahrt mittels Digitalisierung und Automatisierung analysiert, bewertet und – je nach Zustand – dem Re-Use, der Reparatur oder dem Recycling zugeführt. Hinzu kommt die Entwicklung effizienter Reparatur- und Recyclingprozesse, um eine erneute Nutzung auch wirtschaftlich interessanter zu machen. »Aktuell«, so Kroll, »sind Rezyklate oft deutlich teurer als neues Material.« Die Kosten lassen sich aber beispielsweise senken durch den Einsatz eines KI-gestützten Diagnostiksystems zur automatischen Analyse der Strukturen sowie zur Steuerung von Folgeprozessen wie dem Recycling.

Künstliche Intelligenz als Gamechanger im Recyclingprozess

Daran arbeitet der sogenannte KI-Hub Kunststoffverpackungen, bestehend aus den Innovationslaboren KIOptiPack und K3I-Cycling, in dem 51 Partner aus Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft kooperieren. Während das Team von KIOptiPack KI-gestützte Werkzeuge für ein nachhaltiges Produktdesign sowie eine qualitativ hochwertige Produktion von Kunststoffverpackungen mit hohem Recyclinganteil entwickelt, setzt sich K3I-Cycling mit der Optimierung des werkstofflichen Recyclings der Verpackungen auseinander.

Im Zentrum steht bei K3I-Cycling das Sortieren des Abfallstroms: Wie gründlich und korrekt erfolgt die Trennung diverser Kunststoffe, sodass diese möglichst sortenrein der Wiederverwendung zugeführt werden können? Große Sortierwerke arbeiten inzwischen mit Nah­infrarot-(NIR)-Hyperspektralkameras. »Kunststoffe unterscheiden sich in der Art und Weise, wie sie Licht absorbieren und streuen«, erklärt Andreas Keller, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP. »Das ist so etwas wie der Fingerabdruck einer Kunststoffart, den NIR-Hyperspektralkameras innerhalb von Millisekunden identifizieren können.« Die NIR-Sensoren sind allerdings nicht für alle Sortieraufgaben gleich gut geeignet. Vor allem schwarze Kunststoffe fordern die Sortieranlagen heraus. Um dieses Problem zu lösen, sollen in K3I-Cycling daher auch zusätzliche Sensoriken wie die am Fraunhofer IZFP entwickelte High-Speed-Thermografie mit NIR-Kameras zusammen genutzt werden.

Basierend auf derlei kunststoff-spezifischen Daten wird bei K3I-Cycling ein sogenannter Artificial Neural Twin (ANT) entwickelt – »eine Art Digitaler Zwilling des Kunststoffs, über den ein neuronales Netz gelegt wird, das in der Lage ist, die eingespeicherten Daten zu verarbeiten, zu verwalten und daraus neue Bewertungsmethoden zu entwickeln«, so Keller. Um die Stoffströme in der Sortieranlage extrem schnell und effektiv zu trennen, können viele unterschiedliche Faktoren eine Rolle spielen – etwa die Jahreszeit (im Frühling beispielsweise fallen viele Pflanztöpfe aus einem bestimmten Kunststoff an) oder das Stadtviertel, aus dem ein Müllwagen kommt. »Die Zusammensetzung des Mülls in einer Fußgängerzone mit Fast-Food-Ketten ist beispielsweise eine andere als beim Hausmüll«, erläutert Keller. Dank ANT weiß die Sortieranlage frühzeitig, worauf diesmal besonders zu achten ist.

KIOptipack hingegen verfolgt das Ziel, über Materialauswahl oder Rezyklateinsatz, Produktdesign, Herstellung, Nutzung und Abgabe in den Recyclingskreislauf ein »Design for Recycling« so zu unterstützen, dass die vielfältigen – und teils miteinander konkurrierenden – Anforderungen in kreislauffähigen Prozessen und Produkten in Einklang gebracht werden können. Das Fraunhofer IVV koordiniert hier den Teil Verpackung: Wie gelingt es, den Rezyklatanteil in neuen Verpackungen so zu steigern, dass Eigenschaften wie Produktschutz, Optik und andere sensorische Merkmale, eine effiziente Verarbeitung, rationeller Gebrauch und sichere Entsorgung in ein Recyclingsystem wirtschaftlich sinnvoll gelingen? Die dafür benötigten Daten durchgängig verfügbar zu machen und entlang der Wertschöpfungskette sinnvoll nutzen zu können, ist eine enorme Herausforderung. Hier soll die KI helfen – ob bei der Materialcharakterisierung, der Maschinenparametrierung oder der Unterstützung der Menschen über Assistenzsysteme.

Zu einem späteren Zeitpunkt, so Keller, sollen die beiden Innovationslabore KIOptiPack und K3I-Cycling ihre Ansätze kombinieren und über den ANT eine Rückkopplung zwischen Herstellung und Recycling ermöglichen. Die in K3I-Cycling gewonnenen Informationen können dann genutzt werden, um das Design und die Herstellung von Produkten zu verbessern. Diese lassen sich so besser recyceln und führen somit zu höherwertigen Rezyklaten; es entsteht ein selbstoptimierendes System. Entwicklungen wie diese hätten das Potenzial, deutlich mehr Kunststoffe als heute durch effektives Sortieren und Recyceln im Kreislauf zu halten. »Ein Einsatz der in K3I-Cycling entwickelten Sortierung in ganz Deutschland könnte rund 500 000 Tonnen CO₂-Äquivalente pro Jahr einsparen«, prognostiziert Keller.

Eine Branche im Wandel

Kunststoff sei sehr viel mehr als nur der Müll von morgen, betont Prof. Sebastian Scholz vom Kunststoffzentrum Oberlausitz. Nachhaltig produziert und klug im Kreislauf gehalten, könne Kunststoff sogar entscheidend dazu beitragen, dass die Klimawende gelingt: Anders als etwa Stahl oder Zement kann Kunststoff auch aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt und recycelt werden. Sein geringes Gewicht senkt die Umweltbelastung durch Transport, seine Widerstandsfähigkeit und Stabilität ermöglicht lange Nutzungszeiten. »Nicht das Material an sich ist problematisch, sondern unser Umgang damit«, konstatiert Scholz. »Und es ist hoch spannend, den Wandel im Umgang mit Kunststoff wissenschaftlich mitzugestalten.«