Nachhaltigkeit bedeutet, die Umwelt heute so zu erhalten, dass auch die Generationen von morgen noch sicher in ihr leben können. Nachhaltigkeit geht jedoch darüber hinaus und umfasst drei Hauptdynamiken, die sogenannten drei E’s der Nachhaltigkeit; diese sind Umwelt, Gerechtigkeit und Ökonomie.

Die Umwelt ist selbstverständlich das, was wir mit aller Kraft schützen und erhalten wollen.

Wenn es darum geht, umweltpolitische Entscheidungen zu treffen, ist Gerechtigkeit das, was sicherstellt, dass Fairness an erster Stelle unserer Überlegungen steht.

Während Ökonomie vor allem die Tatsache berücksichtigt, dass bei unseren Bemühungen, die Umwelt zu erhalten, auch der Lebensunterhalt und die Lebensgrundlagen gut gesichert sind.

In unserer modernen Welt ist es ziemlich schwierig und fast unvermeidlich, die Umwelt unseres Planeten nicht auf die eine oder andere Weise zu beeinflussen.

Das Studium, das Verständnis und die Anwendung von Nachhaltigkeitsmaßnahmen können jedoch dazu beitragen, unsere Auswirkungen als Einzelpersonen, Organisationen und Gesellschaften zu minimieren.

Außerdem hat ein Ereignis von allgemeiner Tragweite wie die Coronavirus-Pandemie, die die Welt in eine lange Ausfallzeit versetzte, viele Regierungen, Organisationen und Einzelpersonen auf der ganzen Welt wachgerüttelt, dass der wohl effektivste Weg, wirtschaftliche Schäden zu überleben, die Nachhaltigkeit ist.

Wie im Leitartikel von Global Recycling in der zweiten Ausgabe erwähnt, hat die Weltbankgruppe erklärt, dass die Unterstützung der Entwicklung eines Landes durch nachhaltigkeitsorientierte Ansätze in der Erholungsphase nach der Pandemie dazu beitragen kann, die Widerstandsfähigkeit und den Wohlstand des Landes zu stärken.

Wenn es um die Auswahl von Materialien geht, ist Nachhaltigkeit ein zunehmend kritischer Faktor geworden, der berücksichtigt werden muss.

Neben den Eigenschaften eines Materials, der einfachen Herstellung, den Kosten und anderen Attributen, die für seine Anwendungsbereiche relevant sind, ist seine Auswirkung auf die Umwelt zu einer unverzichtbaren Überlegung geworden.

Jedes Material und jedes Endprodukt hat einen ökologischen Fußabdruck, der durch seine Herstellung, Verarbeitung, sein Design, seine Haltbarkeit und Wiederverwendbarkeit gekennzeichnet ist.

Allein im Jahr 2017 hat der weltweite Verbrauch an materiellen Ressourcen die Marke von 90 Milliarden Tonnen erreicht. Es wird erwartet, dass sich dieser Wert bis zum Jahr 2050 mindestens verdoppeln wird.

Mit der Verlagerung der Materialgewinnung von den herkömmlichen asiatischen, europäischen und nordamerikanischen Regionen zu den lokalen Standorten in den Entwicklungsländern – insbesondere Afrika – steigt der Lebensstandard dort definitiv an.

Allerdings hat all dies aus ökologischer Sicht rote Fahnen geweckt, ob es sich nun um die Auswirkungen auf das Klima, den Boden, die Artenvielfalt oder die biogeochemischen Kreisläufe handelt.

Auf dem Weg in eine Zukunft, die noch nie dagewesene Gefahren mit sich bringen könnte, müssen wir alle dazu beitragen, unsere Auswirkungen auf die Umwelt zu verringern, insbesondere die Auswirkungen des Materialverbrauchs.

Es ist nicht nur dringend notwendig, unsere Auswirkungen proaktiv zu bewerten, sondern auch neue interdisziplinäre Ansätze zu entwickeln und Lösungen anzuwenden, die das Tempo, mit dem die Welt auf die Umwelt einwirkt, verlangsamen würden.

In den folgenden Abschnitten werden wir die vielen Aspekte der Nachhaltigkeit untersuchen, die Materiallieferanten und -anwender als Teil ihrer gemeinsamen Mission für eine nachhaltigere Zukunft unternommen haben.

Da die materiellen Ressourcen immer knapper werden, sich die Abfälle bei begrenzten Entsorgungsmöglichkeiten stapeln und die CO₂-Emissionen gefährliche Veränderungen in unserem Klima auslösen, ist es dringend erforderlich, dass wir den Übergang vom traditionellen linearen Wirtschaftssystem zu einer vernünftigen Kreislaufwirtschaft vollziehen.

Der Unterschied zwischen beiden Wirtschaftsstrukturen liegt im Abfalloutput industrieller oder kommerzieller Prozesse, wobei eine lineare Wirtschaft den Weg von der Input-Ebene, wo Rohstoffe abgebaut werden, über die Verarbeitung und Produktnutzung bis hin zur Abfallentsorgung auf Deponien auf der Output-Ebene verfolgt.

Mit anderen Worten, sie folgt der altmodischen Abfolge von “nehmen – herstellen – verwenden – entsorgen”.

Die Kreislaufwirtschaft hingegen ist besonders auf die Minimierung von Abfällen ausgerichtet.

Das bedeutet, dass Produkte und Materialien reduziert, wiederverwendet, recycelt und wiederaufbereitet werden, um sie weiter zu verwenden, anstatt sie nach ihrem ersten Gebrauch wegzuwerfen.

Ein solches wirtschaftliches Konzept verdeutlicht die Bedeutung und das Potenzial des Nachhaltigkeitsgedankens, insbesondere in Bezug auf die Reduzierung von:

unsere Abhängigkeit von schwindenden Ressourcen durch die Wiederverwendung bestimmter Materialien,

unser globaler Kohlenstoff-Fußabdruck durch Umgehung vieler Produktionsprozesse, und;

unser Abfall, der in den Ozeanen landet.

Dies trägt dazu bei, den Input und Output von Materialien zu reduzieren und sie so weit wie möglich in diesem Kreislauf von “herstellen – verwenden – recyceln” zu halten.

Materialien, die zur Verwirklichung einer Kreislaufwirtschaft beitragen können, sind solche, die ohne oder mit so wenig wie möglich zusätzlicher Verarbeitung wiederverwendet werden können.

Das bedeutet, dass die Wiederverwendbarkeit Vorrang vor der Recycelbarkeit und der Wiederaufarbeitbarkeit hat, so dass sichergestellt ist, dass die Materialien ausreichend und effektiv wiederverwendet werden, bevor der Punkt des Recyclings oder der Wiederaufarbeitung erreicht wird.

Wie Michael F. Ashby in seinem Buch Materials and Sustainable Development schreibt, “werden Materialien in einer Kreislaufwirtschaft nicht als Wegwerfware betrachtet, sondern als wertvolles Gut, das für die Wiederverwendung verfolgt und erhalten werden muss.”

Diese Materialien reichen von Übergangsmetallen (z. B. Titan, Gold und Stahl) bis zu Metallen nach dem Übergang (z. B. Aluminium), Alkalimetallen (z. B. Lithium) und Kunststoffen (z. B. PET, PLA).

Recycelbare Materialien sind Materialien, die zu neuen Produkten verarbeitet werden können, um mit wenig oder gar keinem Abfall wiederverwendet zu werden. Recycling ist eine wertvolle Überlegung, die sich gut in das Schema einer Kreislaufwirtschaft einfügt, da es darauf abzielt, den Input und den Output im Lebenszyklus eines Materials zu minimieren.

Ein Vorteil des Recyclings gegenüber der Wiederverwendung besteht darin, dass wiederverwendete Produkte nur innerhalb der Grenzen ihres ursprünglichen Systems genutzt werden, während recycelte Produkte wieder in den primären Produktionskreislauf eintreten können, um auf verschiedene Weise genutzt zu werden.

Die Fähigkeit eines Materials, recycelt zu werden, ist ein zunehmend wichtiger Faktor bei der Materialauswahl, insbesondere in Anwendungsbereichen, in denen die Abfallentsorgung zu gefährlichen Auswirkungen auf die Umwelt geführt hat.

Beispielsweise sind Kunststoffe, Glas, Metall, Papier, Textilien und organische Stoffe – bekannt als die sechs Hauptkategorien des Haushaltsmülls – allesamt wiederverwertbare Materialien, die, anstatt weggeworfen zu werden, zu neuen Produkten verarbeitet werden können, die wiederverwendet werden.

Außerdem wird für den Globalen Metallrecyclingmarkt in den nächsten 7 Jahren ein Wachstum von 7 % prognostiziert, das vor allem auf die Industrialisierung, die Verstädterung und den erhöhten Rohstoffverbrauch in Verbindung mit der alarmierenden Erschöpfung der natürlichen Ressourcen zurückzuführen ist3.

Zu den 5 gängigsten recycelbaren technischen Materialien gehören heute:

Die biologische Abbaubarkeit bezeichnet die Fähigkeit eines Materials, sich durch die Wechselwirkung mit biologischen Elementen zu zersetzen.

Abhängig vom Grad der biologischen Abbaubarkeit, den Mikroorganismen, die mit dem Material in Kontakt kommen, und den Umweltbedingungen kann es vollständig oder teilweise zerfallen.

Ein biologisch abbaubares Polymermaterial, das beispielsweise aus erneuerbaren Ressourcen stammt, wird im Allgemeinen als grünes Polymer eingestuft, da es als Alternative zu Materialien aus petrochemischen Ressourcen charakterisiert wird.

Da biologisch abbaubare Polymere auf natürliche Weise mit Mikroorganismen kompostiert werden können und Böden anreichern, haben sie einen erheblichen Vorteil beim Abbau gegenüber anderen Polymeren.

Dies trägt dazu bei, die Umwelt zu stabilisieren, die Lebensdauer von Mülldeponien zu verlängern und folglich die Arbeitskosten für die Beseitigung nicht biologisch abbaubarer herkömmlicher Kunststoffe aus verschmutzten Gebieten zu senken.

Außerdem können biologisch abbaubare Polymere durch bestimmte Behandlungen mit Mikroben, Enzymen oder Hydrolyse wieder zu Oligomeren verarbeitet werden, die für verschiedene Anwendungen nützlich sind.

Die biologische Abbaubarkeit von Materialien wird durch Tests zur biologischen Abbaubarkeit bestimmt, bei denen die komplexen biochemischen Prozesse gemessen werden, die ablaufen, wenn Mikroorganismen das betreffende Material verbrauchen. Die Fähigkeit eines Produkts, sich abzubauen, hängt hauptsächlich davon ab, wie viel Kohlenstoff für die Mikroben vorhanden ist, um es zu verbrauchen.

Angaben zur biologischen Abbaubarkeit müssen heute laut Vorschriften auf dem aeroben biologischen Abbau beruhen. Dies bezieht sich auf die Zersetzung des organischen Materials in Gegenwart von Sauerstoff und misst den Verbrauch von Sauerstoff, die Produktion von Kohlendioxid und den Zustand der anorganischen Kohlenstoffzwischenprodukte.

Zwei wichtige biologisch abbaubare Polymere, die sich auf dem Markt etabliert haben, sind PLA (Polylactid) und PHA (Polyhydroxybutyrat). Sie sind preislich konkurrenzfähig und haben begonnen, einige ihrer nicht biologisch abbaubaren Gegenstücke zu ersetzen, insbesondere PLA bei Lebensmittelverpackungen.

Es ist jedoch noch viel Forschungsarbeit erforderlich, um Mischungen biologisch abbaubarer Polymere zu entwickeln, die ausreichende Eigenschaften und Verwendbarkeit aufweisen, um die meisten der derzeitigen nicht biologisch abbaubaren Polymere zu ersetzen. Grundsätzlich spielen solche Materialien eine wichtige Rolle in Gebieten, in denen es keine Infrastruktur für das Recycling gibt oder wiederverwertbare Materialien kaum in Frage kommen, aber sie werden nicht als Kreislauflösung betrachtet.

Die nachstehende Tabelle zeigt eine Vielzahl von Biopolymeren und biologisch abbaubaren Polyestermaterialien, die von Matmatch-Lieferanten angeboten werden und die größtenteils in Verpackungs- oder 3D-Druckanwendungen verwendet werden.

Eine der wichtigsten Quellen für Treibhausgasemissionen ist heute bekanntlich die Materialproduktion.

Zwischen 1995 und 2015 wurde ein 120-prozentiger Anstieg der CO₂-Emissionen aus der Materialproduktion beobachtet, die 23 % der weltweiten Emissionen ausmachen, von denen zwei Fünftel für die Herstellung von Maschinen, Fahrzeugen und anderen Produkten verwendet werden. Dementsprechend zielen Politiken und Prozesse heute darauf ab, die Effizienz von Materialien zu steigern und zu einer Kreislaufwirtschaft überzugehen.

Eine der anerkanntesten und am häufigsten verwendeten Techniken zur Bewertung der Umweltauswirkungen eines Materials ist die Lebenszyklusanalyse (LCA). Dabei handelt es sich um eine Analysemethode von der Wiege bis zur Bahre, bei der die Umweltbelastungen in jeder Phase des Lebenszyklus eines Produkts ermittelt werden, von der Rohstoffgewinnung über die Verarbeitung und Herstellung bis hin zu Vertrieb, Nutzung und Entsorgung.

Während dieses gesamten Lebenszyklus ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Kohlenstoffemissionen in jeder Phase überwacht, bewertet und so weit wie möglich minimiert werden. Da es sich bei der Ökobilanz jedoch um eine sorgfältige quantitative Bewertung handelt, erfordert ihre Durchführung viel Zeit und Fachwissen.

Wissenschaftler und Ingenieure suchen daher nach einfacheren und schnelleren Methoden, um die Auswirkungen eines Materials auf die Umwelt zu bewerten. Sie empfehlen dringend die Auswahl von Materialien mit geringerer Umweltbelastung in den ersten Phasen der Produktentwicklung. Um diese Belastungen zu verstehen und zu bewerten, verwenden sie bei der Materialauswahl zwei Hauptindikatoren: die graue Energie und den Kohlenstoff-Fußabdruck.

Die graue Energie ist die gesamte Energiemenge, die mit der Gewinnung, Verarbeitung, Herstellung und Lieferung eines Materials oder Produkts verbunden ist. Sie umfasst nicht den Betrieb und die Entsorgung des Materials, sondern vielmehr die ‘vorgelagerten’ Abschnitte einer Ökobilanz. Dieses Konzept trägt dazu bei, die Bewertung der Umweltauswirkungen eines Produkts zu vereinfachen.

Die folgende Abbildung zeigt die verschiedenen Energiewerte, die typischerweise für die Herstellung verschiedener technischer Materialien erforderlich sind.

Die Minimierung der grauen Energie eines Produkts ist entscheidend für die Verringerung seiner Umweltauswirkungen.

Zum Beispiel wird in einer Ökobilanz, die in dem Buch “Use of Recycled Plastics in Eco-efficient Concrete” erwähnt wird, wurde gezeigt, dass bei der Herstellung von Polypropylen (PP) mit einem Rezyklatanteil von 70 % die verkörperte Energie im Vergleich zu Neu-PP um zwei Drittel auf etwa 25 MJ/kg gesenkt werden kann.

Auch bei der Herstellung von Aluminium, das nur zu 30 % rezykliert wird, kann die graue Energie von Primäraluminium (~ 215 MJ/kg) um mindestens 50 MJ/kg reduziert werden.

Der Kohlenstoff-Fußabdruck eines Materials ist die Gesamtmenge der Treibhausgasemissionen, die während des Lebenszyklus des Materials entstehen.

Er kann auch als die Menge an Biokapazität definiert werden, die erforderlich ist, um die CO₂-Emissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe, die bei der Herstellung des Materials oder Produkts entstehen, zu vermeiden.

Wie im Jahresbericht 2019 des BIR beschrieben, hat beispielsweise das Recycling dazu beigetragen, eine erhebliche Menge an CO₂-Emissionen für viele wiederverwertbare Materialien einzusparen, wie die folgende Tabelle zeigt.

Wir bei Matmatch glauben, dass es wichtig ist, dass eine Materialauswahlplattform den Aspekt der Umweltauswirkungen in die Strategien der Materialauswahl und der Entscheidungsfindung für Ingenieure einbezieht.

Deshalb haben wir diesen Abschnitt über Nachhaltigkeit integriert.

Wir möchten Ingenieuren und Produktentwicklern helfen, bei der Durchführung ihrer Projekte fundiertere Entscheidungen zum Schutz der Umwelt zu treffen.

Wenn Sie Hilfe bei der Suche nach nachhaltigen Materialien benötigen oder ein Feedback haben, setzen Sie sich bitte mit uns in Verbindung.

Wenn Sie ein Materiallieferant sind, der seine nachhaltigen Materiallösungen bewerben möchte, zeigen wir Ihnen gerne, wie wir Ihnen helfen können.