Projekt 16604/01

Lifepacking – Bionische Verpackungen für eine nachhaltige Materialwirtschaft

Projektdurchführung

BIONIK-SystemeApplied R&D
Hauptmann-Böse-Weg 9
28213 Bremen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die technische Verpackungswirtschaft erfüllt in unserer Gesellschaft eine wertvolle Aufgabe, die quer durch alle Lebensbereiche führt: Sie schützt, transportiert und informiert über verpackte Konsum- und Investitionsgüter. Im Verlauf von mehreren Jahrzehnten sind wirtschaftliche und wachstumsfördernde Ver-fahrenswege mit einer Vielzahl von form- und funktionsreichen Verpackungen aufgebaut worden. Sie werden begleitet von zunehmenden, schadstoffbelastenden Auswirkungen für die Umwelt und gesell-schaftliche Bereiche. Hierbei ragen stoffliche Probleme der Verpackungsentsorgung bzw. Wiederverwertung besonders heraus. Lifepacking erforscht effiziente Verpackungslösungen der Natur, die per se umweltverträglich sind und versucht diese für nachhaltige Anwendungen in der Verpackungstechnik ingenieurmäßig zu nutzen. Die Verpackungsbionik startet im Rahmen von Lifepacking mit drei ausgewählten biologischen Verpackungsbeispielen. Damit wird erstmals ein systematischer, verpackungsbionischer Weg beschritten, mit dem Ziel, die hier beispielhaft untersuchten biologischen Verpackungsmerkmale und deren Entwicklungs- bzw. Verfahrens-Prinzipien zu technisch-wirtschaftlicher Anwendung, in Form bionischer Verpackungseigenschaften bzw. -Produkte, zu führen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn zwei verpackungsbionischen, miteinander verknüpften Untersuchungsbereichen werden einerseits systematisch physikalische Untersuchungen an den biologischen Verpackungen Straußenei, Rinde der Sequoia und Wachsüberzug von Sarcocaulon Patersonii durchgeführt, andererseits die systemische, kreislaufbestimmende Ablaufstruktur der Verpackungs-Lebenswege mit ihren komplexen Einflussgrößen erfasst und bewertet. Die funktionalen Eigenschaften der organismischen Verpackungen werden qualitativ, ggf. quantitativ, mittels Messungen von Gastransportvorgängen, thermischen Eigenschaften, Foto-strom-Spannungsmessungen u.a.m. bestimmt. Die Ergebnisse dienen als Grundlage für die Entwicklung bioanaloger Funktionen an bionischen Verpackungsprodukten. Mit Hilfe von vernetzten Wirkungsnetz-Darstellungen und -Analysen der biologisch effizienten Verpackungsmaterial-Kreisläufe und Energieverbünde sollen erste Merkmale herausgearbeitet werden, die im Rahmen potentieller, bionischer Verpackungs-Kreislaufprozesse eine ganzheitliche Zielsetzung durch wirtschaftliche, umweltverträgliche und nachhaltige Eigenschaften und Prinzipien stärken sollen.
In erster Näherung werden die aus biologischer Komplexität heraus systemisch ermittelten biologischen Verpackungsmerkmale Merkmalen vergleichbarer technischer Verpackungen, die mit Einschränkung ähnliche Aufgaben besitzen wie die biologischen, gegenübergestellt und falls möglich bewertet.


Ergebnisse und Diskussion

Aus allen gestellten Aufgaben, die materialspezifischen und systemischen Eigenschaften der drei orga-nismischen Verpackungsvorbilder technisch-biologisch zu erforschen und im Hinblick auf bioanaloge Verpackungen bzw. bioanaloge Eigenschaften technischer Verpackungen anwendungsorientiert zu entwickeln, wurden in der gebotenen Kürze aussichtsreiche Lösungsansätze bzw. Lösungen erarbeitet. Die Ergebnisse aus Untersuchungen der Straußeneischale führten zu einem Demonstrat mit zugehörigem technischen Verfahren, bei dem die atmungsaktive und Mikroorganismen abweisende Eigenschaft des biologischen Vorbildes, bionisch - in Form einer funktionalen flexiblen Polymerfolie - realisiert wurde. Experimente mit der gerbstoffhaltigen Borke des Mammutbaums, die für ihre hohe Resistenz gegen Durchbrennen bei Feuer bekannt ist, führten zu Erkenntnissen über eine neue, bionisch nutzbare Strategie zur Dämmung von Bränden in organischen Materialien. Erste vergleichende Versuche zum Brandschutzverhalten verschiedener Gemische aus natürlichen Gerbstoffen mit künstlichen und natürlichen Dämmmate-rialien einerseits und den einzelnen Dämmmaterialien andererseits ergaben u. a. dort technische Vorteile durch erhöhte Reststoffrückstände, an denen Gerbstoffe beteiligt waren. Die unterschiedlichen Gerbstoffe und deren Beeinflussung auf das Brandverhalten, systematische Experimente nach optimalen Mischungsverhältnissen von Gerbstoffen und Dämm-Trägermaterialien sowie deren Weiterentwicklung zu einem brandhemmenden Produkt mit vorteilhaften bioanalogen Eigenschaften, machen weitere Untersuchungen erforderlich.
Der wachshaltige Verpackungsmantel der Sarcocaulon p. schützt die Pflanze u. a. gegen Austrocknung und mechanischem Abrieb. Diese Erkenntnis und weitere Überlegungen führten dazu, die wachshaltige Substanz hinsichtlich ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften als bioverträgliche, nachhaltige und vor allem Gewicht sparende Versiegelungssubstanz für photovoltaische Systeme bionisch zu nutzen. Hier zeigten bereits die ersten Solarzellen-Versiegelungs-Tests deutliche Vorteile bei den Solarzellen-Kennwerten für die biologische wachsversiegelte Abdeckung gegenüber einer konventionellen Abde-ckung mit dem vielfach dickeren Glas. Auch hier sind weitere detailreiche Untersuchungen notwendig, um das ökonomisch und ökologisch vorteilhafte Ziel einer bionischen Versiegelungstechnik nach Sarco-caulon p. -Vorbild zu entwickeln.
Zu allen drei biologischen Organismen mit zugehöriger funktionaler Verpackung wurden biokybernetische Struktur-Wirkungsnetze erarbeitet. Sie zeigen auf biologischer Seite die realistischen Einflussgrößen-Wechselbeziehungen im Biotop jedes einzelnen der drei Organismen. Diese lebensnahe Darstellung und Erfassung vernetzter Zusammenhängen mit qualitativer bzw. quantitativer Bewertung gibt realistische Hinweise auf Art, Zahl, Differenziertheit und Grad der Beeinflussbarkeit der den Wachstumsprozess des Organismus und seiner Verpackung maßgebend oder weniger maßgebend beeinflussenden kooperativen/nicht kooperativen Partner bzw. Elemente.
Die bioanaloge Abbildung derartiger, evolutionär gewachsener und nachhaltig optimierter, sich entwickelnder Lebensgemeinschaften auf verpackungstechnische Entwicklungsprozesse, mit dem Ziel, ein bionisches Verpackungsprodukt oder -Verfahren nachhaltig zu nutzen, führte zu ersten Strukturnetzen der drei potentiellen Bionik-Verpackungen (kybernetische Wirkungsnetze 1. Grades). Sie, die netzwerkartigen rückgekoppelten Verbindungen von Einflüssen auf das Kernelement einer technisch anwendbaren, bionischen Verpackung zu verfeinern und zu optimieren (bis zum rechnergestützten Werkzeug eines an-wendungsnahen Simulationmodells) setzt die Weiterentwicklung der angefangenen systemischen Strategie zu Funktionsnetzen auf biologischer und technisch-bionischer Grundlage voraus.
Resümierend ist festzustellen, dass sich der methodische Forschungansatz der Verpackungsbionik, in relativ kurzer Zeit, für alle drei biologischen Untersuchungsobjekte bewährt hat. Die Ergebnisse zeigen die Vorteile biologischer Verpackungen für ihren Organismus und weisen erfolgversprechende Wege zur anwendungsorientierten Weiterentwicklung der erarbeiteten bionischen Lösungen auf.