Der Absatzmarkt für Kunststoffprodukte wächst. Zugleich nimmt die
Umweltbelastung durch nicht-abbaubare Kunststoffe zu und erfordert neue
Recyclingstrategien. Am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
in Aachen haben Forschende einen Recyclingprozess entwickelt, um das
Faserverbundmaterial gebrauchter Drucktanks in einem Ablöseprozess
zurückzugewinnen und für neue Leichtbauprodukte wiederzuverwerten. Ziel
ist es, Faserverbundkunststoffe (FVK) zu recyceln, ohne dass es zu
deutlichen Einbußen der Produktqualität kommt. Dem Fraunhofer-Team ist
dies im Forschungsprojekt »Tankcycling« nun gelungen: Über 90 Prozent der
mechanischen Eigenschaften bleiben erhalten.

Faserverstärkte Drucktanks – leicht und stabil

Seit Wasserstoff als Energiespeicher der Zukunft gilt, zieht dies
zwangsläufig die Frage der sicheren Aufbewahrung des geruchlosen Gases
nach sich. Wasserstoff für mobile Anwendungen, zum Beispiel im Automobil,
kann in stabilen Druckbehältern aus kohlenstofffaserverstärkten
Kunststoffen aufbewahrt werden. Diese Drucktanks müssen hochbelastbar und
zugleich leicht und korrosionsbeständig sein, damit sie sich für die
Elektromobilität eignen. Im Zuge der Energiewende ist die Nachfrage nach
hochwertigen Wasserstoffbehältern gestiegen. Grundsätzlich lassen sich
jedoch auch andere Flüssigkeiten oder Gase in faserverstärkten Drucktanks
speichern.

Kohlenstofffaserverstärkte Tapes abwickeln zum Recycling

Gefertigt werden solche Drucktanks in einem laserunterstützten
Tapewickelverfahren: Bei diesem Produktionsprozess wird thermoplastisches
glas- oder kohlenfaserverstärktes Tape über einen Basiskörper aus
Kunststoff, den sogenannten Liner, gewickelt. Das unidirektionale (UD)
Tape, das den Drucktank umspannt, lässt sich im konventionellen
Lebenszyklus des Drucktanks nicht weiterverwenden und findet sein Ende im
Sondermüll.

Der Recyclingprozess, der im Projekt »Tankcycling« entwickelt wurde,
ermöglicht es, das UD-Tape in einem Abwickelverfahren wieder vom Liner zu
entfernen. So kann es für weitere Produkte, die ebenfalls im
Tapewickelprozess hergestellt werden, erneut verwendet werden. Die
Forschenden des Fraunhofer IPT haben einen Anlagenprototyp mit
verschiedenen Modulen entwickelt, die das Tape im Abwickelprozess
durchläuft, bevor es am Ende auf eine Spule aufgewickelt wird.

Recycling im Miniformat: Das Tank-Recycling-Modul lässt sich an einen
Roboterkopf anschließen

In nachgelagerten Tests überprüften die Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftler die mechanische Belastbarkeit des recycelten Materials und
des Originalmaterials. Hier zeigte sich, dass der Recyclingprozess die
Qualität des Materials kaum vermindert hatte. Lediglich fünf bis zehn
Prozent hatte das recycelte Material an mechanischer Qualität gegenüber
dem nicht-recycelten Material eingebüßt. Dies ergaben zerstörende
Normtests. Auf Basis dieser Erkenntnisse konnten die Forschenden die
Anforderungen an den Recyclingprozess definieren und ein Tank-Recycling-
Modul entwickeln. Dieses Modul stellt eine Weiterentwicklung des
Recyclingprozesses dar, der an einem stationären Prüfstand entwickelt
wurde. In seinem miniaturisierten Format lässt sich das Tank-Recycling-
Modul an einem Roboterarm befestigen. So lassen sich Drucktanks mit ihrer
komplexen dreidimensionalen Geometrie vollständig wiederverwerten. Zudem
kann der Recyclingprozess und das anschließende Aufwickeln des Tapes in
diesem Aufbau automatisiert durchlaufen werden.

Materialverbrauch und Umweltbelastung senken

Der Recyclingprozess mit seiner Umsetzung im Tankcycling-Modul lotet die
Grenzen des technisch Machbaren effizient aus und spart dabei Energie,
Material und Kosten. Durch die Wiederverwertung der faserverstärkten
Kunststofftapes leisten die Projektergebnisse einen Beitrag zur
nachhaltigen Produktion zukünftiger thermoplastischer
Faserverbundprodukte, die sich im Tapewickelverfahren herstellen lassen.

Das Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik IML hat am 23. Juni
2023 im Rahmen des ONE Record Hackathon in Seeheim den Launch von NE:ONE,
einer innovativen Open-Source-ONE-Record-Serversoftware für die
Luftfracht-Community, bekanntgegeben. NE:ONE wurde im Rahmen des vom
Bundesministerium für Digitales und Verkehr geförderten Projekts Digitales
Testfeld Air Cargo (DTAC) entwickelt und soll die Einführung des IATA ONE
Record Datenaustauschstandards erleichtern.

Der Launch der Version 1.0 von NE:ONE fand zu Beginn des offiziellen »IATA
ONE Record Hackathon« statt, der vom 23. bis 25. Juni von Lufthansa Cargo
ausgerichtet wurde. Lufthansa Industry Solutions stellte jedem Team eine
Instanz des NE:ONE-Servers zur Verfügung und ermöglichte so einen
sofortigen und erfolgreichen Start in die praktische Anwendung von ONE
Record. An der Veranstaltung nahmen drei Teams des Fraunhofer IML, der
Lufthansa Cargo, des CHI Deutschland und der Frankfurt University of
Applied Sciences teil. Diese Teams der Luftfrachtgemeinschaft arbeiteten
daran, innovative Lösungen unter Verwendung des ONE-Record-Datenstandards
zu entwickeln.

Das Team NE:ONE Play, an dem u. a. fünf Forschende aus unserer Abteilung
Luftverkehrslogistik beteiligt waren, gewann dabei den renommierten ONE-
Record-Preis. Ihre Lösung ermöglicht die mühelose Erkundung, Bearbeitung
und Anpassung von ONE Record Linked Data und hilft damit sowohl
Entwicklern als auch Nicht-IT-Fachleuten beim Einstieg und der Arbeit mit
ONE Record.

»ONE Record ist die Zukunft des Datenaustauschs für Lufthansa Cargo und
NE:ONE ist der richtige Startpunkt, um mit ONE Record loszulegen.«
Dr. Christian Lehr, Senior Director Global Fulfillment Development bei der
Lufthansa Cargo AG

Die Entwicklung und der öffentliche Start von NE:ONE bedeuten einen großen
Durchbruch in DTACs Bemühungen, die Prozesse in der Luftfrachtindustrie zu
digitalisieren. Als frei verfügbare Open-Source-Software macht NE:ONE die
Teilnahme am Datenaustausch über ONE Record ganz einfach, indem es allen
Beteiligten in der Luftfrachtbranche gleiche Bedingungen bietet. Durch die
vollständige Implementierung der API-Beschreibung und des Datenmodells von
ONE Record erleichtert NE:ONE nicht nur Unternehmen den Einstieg in die
Nutzung von ONE Record, sondern stellt auch einen völlig neuen
Branchenansatz für die gemeinsame Entwicklung und Wartung von Open-Source-
Basiselementen in der Luftfracht dar.

Während die erste Version von NE:ONE von den Partnern des Digitalen
Testfelds Air Cargo entwickelt wurde, wird die Air Cargo Community die
Software von nun an nicht nur nutzen, sondern auch gemeinsam
weiterentwickeln, um sie kontinuierlich zu verbessern und sie an die sich
wandelnden Bedürfnisse der Luftfrachtindustrie anzupassen. NE:ONE ist im
Repository der Open Logistics Foundation zu finden unter:
https://git.openlogisticsfoundation.org/digital-air-cargo/ne-one

Die Luftfracht-Community und weitere Interessierte sind eingeladen, sich
an der Weiterentwicklung von NE:ONE zu beteiligen.

Der Bundestag hat das Arzneimittel-Lieferengpassbekämpfungs- und
Versorgungsverbesserungsgesetz (ALBVVG) verabschiedet. Es enthält unter
anderem eine verlängerte Bevorratungspflicht für patentfreie
Krebsmedikamente und ein Frühwarnsystem für Lieferengpässe.
Fachgesellschaften, die sich mit der Erforschung von Krebskrankheiten und
der Krebsversorgung beschäftigen, und die Organisationen der Krebs-
Selbsthilfe begrüßen die Maßnahmen. Sie können Versorgungsengpässe
verhindern und das Vertrauen der Krebspatientinnen und -patienten in die
Sicherheit der Arzneimittelversorgung stärken.

Die Zahl der Liefer- und Versorgungsengpässe bei Krebsmedikamenten hat im
vergangenen Jahr deutlich zugenommen. Vor allem die Engpässe bei dem
Brustkrebsmedikament Tamoxifen und bei Calciumfolinat, einem Medikament
zur Behandlung von Bauchspeicheldrüsen- und Darmkrebs, hatten große
Unsicherheit ausgelöst. Bei diesen beiden Arzneimitteln war die Versorgung
zusätzlich durch Hamsterkäufe erschwert worden. Jeweils nach Bekanntwerden
der Lieferengpässe hatten Apotheken, aber auch Betroffene, damit die
bereits knappen Reserven weiter reduziert.

Das am 23. Juni 2023 vom Deutschen Bundestag in 3. Lesung verabschiedete
ALBVVG enthält ein Paket unterschiedlicher Maßnahmen. Für Krebsmedikamente
sind drei Regelungen von besonderer Bedeutung:

-        Verlängerung der Pflicht zur kontinuierlichen und
versorgungsnahen Bevorratung von patentfreien Arzneimitteln für sechs
Monate,
-        Etablierung eines Frühwarnsystems für drohende,
versorgungsrelevante Lieferengpässe beim Bundesinstitut für Arzneimittel
und Medizinprodukte (BfArM),
-        Diversifizierung der Lieferketten bei Antibiotika.

Die wissenschaftlichen medizinischen Fachgesellschaften, die sich mit der
Erforschung von Krebskrankheiten und der Krebsversorgung beschäftigen, und
die Organisationen der Krebsselbsthilfe begrüßen diese Maßnahmen. Die nun
vorgesehene Bevorratung von unverzichtbaren Arzneimitteln über sechs
Monate hätte den Versorgungsengpass bei Tamoxifen verhindert. Hedy Kerek-
Bodden, Vorsitzende des Hauses der Krebs-Selbsthilfe in Bonn:
„Krebspatientinnen und -patienten haben große Angst, dass ihr vielleicht
lebensrettendes Medikament auf einmal nicht mehr verfügbar ist. Das Wissen
um einen sicheren Vorrat kann das Gefühl der Sicherheit wiederherstellen.“
Prof. Dr. med. Hermann Einsele, Geschäftsführender Vorsitzender der DGHO
Deutsche Gesellschaft für Hämatologie und Medizinische Onkologie, begrüßt
auch die neuen Regelungen zu Antibiotika: „Infektionen gehören zu den
häufigsten Komplikationen einer intensiven Krebstherapie. Die sichere
Versorgung mit Antibiotika, auch mit Reserveantibiotika für resistente
Erreger, ist für die supportive Therapie im ambulanten und im stationären
Bereich unverzichtbar.“

Allerdings weisen die wissenschaftlichen medizinischen Fachgesellschaften
auch darauf hin, dass nicht alle im Vorfeld diskutierten Vorschläge in das
Gesetz aufgenommen wurden. Dazu gehören nachhaltige Maßnahmen für kurze
Lieferketten und die Diversifizierung der Anbieter bei Rabattverträgen
über die Antibiotika hinaus. Die nächsten Monate müssen zeigen, ob die
jetzt beschlossenen Regelungen ausreichend und wirksam sind.

Im achten Jahr nimmt ein Team von der Heinrich-Heine-Universität
Düsseldorf (HHU) an iGEM („international Genetically Engineered Machine“)
teil, einem internationalen studentischen Wettbewerb der synthetischen
Biologie. Das diesjährige Team aus HHU-Studierenden plant, mit einem
biologischen Dünger aus verbesserten symbiotischen Pilzen die
Landwirtschaft effektiver zu machen. So sollen auch negative Effekte von
Überdüngung auf die Umwelt eingeschränkt werden.

Eine besondere Schwierigkeit für die Landwirtschaft ist, dass Pflanzen
phosphathaltige Dünger nur ineffizient aufnehmen. Denn sie werden nicht
gleichmäßig über längere Zeit verteilt gegeben, sondern kurzfristig in
hoher Dosis angewendet und dann schnell weggeschwemmt. Deshalb muss
einerseits mehr Dünger als nötig verwendet werden. Andererseits
verschmutzen nicht genutzte, durch den Regen ausgewaschene Phosphate
vielerorts weiträumig natürliche Gewässer und bringen so die betroffenen
Ökosysteme aus dem Gleichgewicht.

Diesem grundsätzlichen Problem der Landwirtschaft will das HHU-iGEM-Team
2023 begegnen. Die Studierenden nutzen dazu die natürlich vorkommende
Pilzspezies Serendipita indica. Pilze unterstützen Pflanzen generell
dabei, Nährstoffe aus dem Boden aufzunehmen. Oft leben sie in einer
symbiotischen Gemeinschaft, was bedeutet, dass die Pflanzen für ihr
Überleben zwingend auf die Pilze angewiesen sind, umgekehrt aber auch die
Pilze versorgen.

„Der Pilz hat eine natürliche Speicherfunktion für Nährstoffe, die wir
ausnutzen und ausbauen wollen, um ein Puffersystem für den angewendeten
Phosphatdünger aufzubauen“, sagt Antigoni Mouratidou, eine der drei
Teamleiter bzw. Teamleiterinnen: „Außerdem vergrößert er die
Aufnahmeoberfläche und damit die Geschwindigkeit, mit der
überlebenswichtige Stoffe für die Pflanze gespeichert werden.“

Für ihr Ziel wollen die Projektteilnehmenden nun die Transportvorgänge des
Pilzes so modifizieren, dass er auf unterschiedliche
Phosphatkonzentrationen im Erdreich dynamisch reagieren kann. Die
Experimente werden die HHU-Studierenden vorwiegend in einem
Modellorganismus – der Hefe – durchführen; die Ergebnisse können dann auf
andere Pilze übertragen werden.

„Wir wollen schlussendlich einen auf Pilzen basierenden biologischen
Dünger verfügbar machen – einen ‚Fungilyzer‘. Dieser würde verhindern,
dass Düngemittel ausgewaschen werden, weil der Pilz die überschüssigen
Phosphate bindet. Hiermit wird verhindert, dass Gewässer überdüngt werden,
was zu unerwünschtem Algenwachstum führt. Weiterhin soll der Dünger, der
universell für die meisten Nutzpflanzen angewendet werden kann, natürlich
deren Wachstum auf den Feldern verbessern”, erläutert Teamleiter Niklas
Küppers.

Die Pilze verbessern die Phosphataufnahme, indem sie bei hoher
Phosphatkonzentration im umgebenden Boden mehr Transportkanäle für den
Mineralstoff ausbilden. Hierdurch werden die Mineralstoffe besser zu den
Wurzeln geschafft, was eine schnelle Aufnahme begünstigt. So kann der Pilz
auch in nährstoffarmen Zeiten mehr von dem Phosphat, das er speichert , an
die Ackerpflanze weitergeben.

Wird der Nährstoffgehalt des Bodens zu niedrig, aktiviert sich im
Fungilyzer ein „Notfall-Gen“, wodurch der Pilz kontrolliert abstirbt .
Dadurch werden alle im Pilz gespeicherten Nährstoffe in den Boden
abgegeben und stehen jetzt der Pflanze zur Verfügung. So gestärkt, kann
sie schwierige Umweltbedingungen überleben, Missernten können vermieden
werden.

Team Fungilyzer

Das diesjährige Team besteht aus 15 Mitgliedern, die Biologie und
Biochemie studieren und an verschiedenen Punkten in ihrem Studium sind:
von Einsteigern im Bachelor bis hin zum Masterstudierenden ist alles
dabei. Unterstützt werden sie von drei begleitenden Professoren: Prof. Dr.
Michael Feldbrügge, Prof. Dr. Guido Grossmann und Prof. Dr. Matias
Zurbriggen, die ihnen mit ihrem Fachwissen zur Seite stehen. Außerdem
besuchen neun Mitglieder des letztjährigen 2022er-Teams regelmäßig die
wöchentlichen Meetings und helfen mit ihren Erfahrungen und Ratschlägen,
die Projektplanung umzusetzen und zu fördern.

Der iGEM-Wettbewerb

Der iGEM-Wettbewerb dient seit 19 Jahren dem Fortschritt der synthetischen
Biologie. Ins Leben gerufen wurde die Veranstaltung vom Massachusetts
Institute of Technology in den USA.

Jährlich treten rund 350 Teams aus dutzenden Nationen gegeneinander an,
indem sie ein Projekt von der Idee bis hin zur Realisierung in Form einer
wissenschaftlichen Arbeitsgruppe verfolgen. Hierbei soll ein synthetisches
biologisches System geschaffen werden, das aktuelle Problemstellungen
sinnvoll zu lösen versucht. Dies fördert nicht nur das relativ junge
Forschungsfeld der synthetischen Biologie, die Teilnehmenden –
Studierenden verschiedener, meist naturwissenschaftlicher, Fächer –
gewinnen auch wertvolle Erfahrung.

„Durch iGEM hat jeder die Chance, sich Skills in Bereichen wie
Wissenschaftskommunikation, Planung und Durchführung eines eigenen
Experiments anzueignen, mit denen die Projektidee letztlich umgesetzt
wird“, erklärt Teamleiter Piravinth Paraparan.

Nicht nur die Projektidee will entwickelt werden, auch die Laborplanung
und die Beschaffung von Haushaltsmitteln sind Teil des Wettbewerbs. Im
Vordergrund steht ebenfalls die Öffentlichkeitsarbeit als integraler
Bestandteil der Wissenschaft. Der Grundgedanke: Um gesellschaftliche
Probleme zu lösen, muss mit potentiellen Anwendern und Betroffenen
kommuniziert, müssen diese eingebunden werden.

Paraparan: „Bei iGEM lernte ich, ein Projekt als Ganzes zu sehen und zu
organisieren, sei es die Finanzplanung, das Zeitmanagement oder auch die
Organisation von besonderen Veranstaltungen, wie zum Beispiel Meetups.
Dazu haben die Teilnehmenden die Chance, sich mit vielen wichtigen
Kontakten wie Fachexperten und -expertinnen, Biotech-Firmen, Forschenden
und anderen Studierenden mit ähnlichen wissenschaftlichen Interessen zu
verknüpfen“, berichtet Paraparan von seinen Erfahrungen. „Auch bietet sich
die Möglichkeit , sich an wichtigen Tagungen, Messen und Konferenzen zu
beteiligen und weiterzubilden.“

Das Projekt wird Anfang November 2023 bei der „Grand Jamboree“ von iGEM in
Paris vorgestellt, diskutiert und bewertet. Bisher gewannen die
Düsseldorfer Teams fünf Goldmedaillen, eine Silbermedaille und eine
Bronzemedaille.

Ben Lenkewitz und Joëlle Boecker für das iGEM2023-Team / Redaktion: Arne
Claussen