Von Lucas Niño

Was haben Windräder, (Elektro)-autos und sterile medizinische Ausrüstung gemeinsam? Nun, ohne Plastik wären sie nicht denkbar oder deutlich weniger effizient. Plastik ist zwar kein besonders stabiler Werkstoff, aber es ist einer, der eine dem Leben sehr fremde Chemie anwendet. Metalle können rosten oder korrodieren, Holz und Papier bestehen aus ehemaligen Lebewesen und können auch von Lebewesen zersetzt werden. Nur die klassischen Plastiksorten sind chemisch gegenüber dem Abbau von Mikroorganismen und vielen Umwelteinflüssen stabil. Er wird aus Erdölbestandteilen unter z.T. sehr exotischen Bedingungen hergestellt.

Das Ende des Erdöls – auch trotz erneuerbarer Energien ein Problem

Doch Erdöl ist endlich! Einst gab es Schreckensvisionen, dass eines Tages das Licht ausgeht, sobald es kein Öl mehr gibt. Dieser Schrecken verblasst heute zumindest in Deutschland langsam mit dem Ausbau der erneuerbaren Energien. Wie erwähnt ist Erdöl auch der Ausgangsstoff für die Plastikproduktion. Auf Einwegplastik wollen einige Leute zunehmend verzichten. Jedoch wie würde eine Welt ohne moderne Medizin und Windräder aussehen? Verschwände heute das gesamte Erdöl von der Welt wäre unser Leben wahrscheinlich sehr vegan, da eigentlich nur pflanzliche Lebensmittel und vielleicht Eier und Trockenfleisch wirklich haltbar genug sind, um ohne Plastikverpackung lange zu lagern. Unsere Schreckensvision ist heute eher, dass all die Dinge, die heute durch die Petrochemie (Produktion von Gütern auf Basis von Erdöl) von den verbleibenden Ölvorräten abhängen – und uns eines Tages eher sehr viele notwendige Medizinprodukte fehlen.

Je besser, desto problematischer

Nun gut, auch Erdöl entstammt strenggenommen verwesten Lebewesen vom Meeresgrund aber die chemischen Reaktionen, mit denen wir aus einzelnen Molekülen ganze Gegenstände herstellen sind anders als die Reaktionen, die die Natur kennt. Deshalb gibt es auch kaum Lebewesen, die fossiles Plastik in der Natur abbauen können. Die Reaktionen, die nötig wären, um Plastik zu zersetzen sind i.d.R. sehr energieaufwendig oder benötigen extreme Bedingungen. Auch deswegen sind bisher wenige Lebewesen entdeckt worden, die Plastik chemisch verarbeiten konnten (Beispielsweise Mottenraupen Galleria Melonella und Bakterien Idonella Sakaiensis) und die meisten dieser sind kaum fähig im Meer Mikroplastik anzugreifen. Packen wir eine Spritze, ein Lebensmittel in eine Verpackung aus Plastik, werden es vermutlich nie Bakterien schaffen, sich in die Verpackung durchzufressen und das Verpackte zu verderben. Vorausgesetzt die vorhergenannten Lebewesen verbreiten sich nicht in unserer Umwelt. Aber gerät die Verpackung mitsamt Inhalt ins Meer, wird sich dort auch niemand finden, der es auflöst. Das ist bei einem Stück Papier oder einer Bananenschale anders.

Der Plastik-nicht-Kreislauf

Doch es gibt noch ein Problem: Okay, vielleicht wird das Erdöl der Welt nichtmehr zu CO₂ verbrannt… Aber Plastik herzustellen ist im Endeffekt auch eine Form von CO₂-Produktion! Es gibt prinzipiell drei Wege mit Plastikabfall umzugehen: Recyceln, Verbrennen oder in die Umwelt geraten lassen. Recyclen ist erstaunlicherweise eher eine Einbahnstraße. Die Struktur und Qualität von Plastikprodukten ist in den meisten Plastiktypen (bspw. PE/PP) dauerhaft nicht zu erhalten. Und die Plastiktypen, die oft bis unbegrenzt oft recycelt werden können (bspw. PET) müssen aufwändig aussortiert werden. Das nächste Erstaunliche ist, dass Verbrennen und in die Umwelt geraten lassen eine sehr ähnliche Folge für unsere Atmosphäre haben. Plastikprodukte sind meistens Kohlenwasserstoffe. Verbrennt man diese, entsteht CO₂ und Wasser. Gerät Plastik in die Umwelt, zerkleinert es sich zunächst mechanisch und kann dann über sehr langsame Prozesse über Jahrhunderte und Jahrtausende zu CO₂ und Wasser umgewandelt werden. Was bringt es also Erdöl nicht zu verbrennen und es stattdessen in Plastik umzuwandeln?

Die Entschärfung der CO₂-Bombe

Wenn man sich die Probleme unserer Welt anschaut, v.a. die technischen, fällt auf, dass es meistens sehr schnell ein paar theoretische Lösungen gibt. So auch bei dem Kreislaufproblem der Petrochemie. Man könnte Das CO₂ aus der Luft nehmen und daraus Produkte aus Kohlenstoffverbindungen herstellen. Und wer kann CO₂ aus der Luft nehmen? Pflanzen.

Biomasse versus Erdöl

Während Erdöl eine chemisch relativ homogene, wasserfreie Masse ist, die eigentlich nur aus wasserabweisenden Kohlenwasserstoffen besteht, sind biologische Erzeugnisse wasserhaltig und bestehen aus verschiedenen, chemisch unterschiedlichen Arten von Molekülen. Da sind u.a. Lignine, wasserunlösliche Fette, wasserlösliche Kohlenhydrate und Proteine, die unterschiedliche Löslichkeiten haben können. Zusammen bilden sie komplexe, stabile Strukturen – die Zellen. Diese müssten zunächst aufgeschlossen werden. Hat man diese verschiedenen chemischen Bestandteile erst einmal voneinander getrennt, kann man diese Stoffe direkt weiterverarbeiten (z.B. Stärke zu Papier, klassische Naturprodukte) oder man spaltet sie weiter zu einfachen Monomeren, die wiederum in Kunststoffe umgesetzt werden können. Dieser Teil wird als Bioraffinieren bezeichnet. Der Zweite Teil der Bioökonomie beschreibt die Produktion von neuen Produkten auf Basis dieser Monomere. In der Erdölchemie kommen andere Monomere vor, aus denen auch andere Polymere gebildet werden. Ein kleiner Vorteil ist, dass Bioraffinerien trotz größerem Aufwand der Aufbereitung von kleinen Molekülen, direkter Ausgangsstoffe für abbaubare Plastiksorten bereitstellen können. Beispielsweise PLA (Poly-LAktat) ist ein Polymer aus vielen Milchsäuremolekülen. Diese wiederum wird bevorzugt aus (Mais)-Zucker hergestellt. PLA ist ein Plastiktyp, der vielseitig in Bechern, Folien und Stiften verwendbar ist. Dies ist auch künstlich aus Erdöl herstellbar, aber viel teurer. Findet man eine Möglichkeit für uns nicht essbare Zellulose zu Zucker zu machen, hat man hier größere Mengen Ausgangsmaterial. Denn Zellulose ist ein wichtiger Bestandteil von Holz, Blättern und Sprossachsen.

Jedoch ist PLA nicht ganz unumstritten. Es ist kompostierbar, im Meer jedoch 80 Jahre lang stabil. Jedoch fragt sich dabei: Isst nun ein Lebewesen PLA-Rückstände, ist die chemische Behandlung in der Verdauung vielleicht ein Umfeld, in dem PLA zersetzt wird und nicht wie herkömmliches Plastik die Organe verstopft? Verzichtet man zudem auf nicht abbaubare Additive, ist es möglich, dass die zersetzten Überreste (Milchsäure) ein für Lebewesen verarbeitbarer Stoff ist, der sich nicht ablagert? Hier zeigt sich, dass der Teufel im Detail liegt. Nur weil ein Plastiktyp nicht im Meereswasser abbaubar ist, heisst das nicht sofort, dass er genauso schädlich für Meereslebewesen ist. Und das Problem der CO₂ Freisetzung hat PLA als Bioplastik (da aus biologischen statt fossilen Quellen) sowieso nicht.

Die vier Arten des Plastik

Deshalb gibt es eine Einteilung in vier Kategorien von Kunststoffen: In fossile oder biologisch–regenerative und in biologisch abbaubare oder biologisch stabile Produkte. Daraus ergeben sich vier Kategorien: Die klassischen Kunststoffe aus Öl sind fossil und nicht abbaubar, es gibt aber auch nicht abbaubare Bioalternativen. Diese würden die Meere genauso vermüllen wie klassisches Plastik. Außerdem gibt es abbaubare fossiles Plastik und abbaubares Bioplastik. In Anbetracht der Tatsache, dass jegliche fossile Produkte auf kurz oder lang zu CO2 werden, während biologische Produkte nur CO2 produzieren können, was vorher aufgenommen wurde, liegt das Interesse auf Produkten biologischer Abstammung. Und unter der Perspektive, dass jetzt schon enorm viel nicht abbaubarer Plastikmüll in den Meeren ist, sollte der Kunststoff der Zukunft abbaubar sein. Im Angesicht einer drohenden Klimakatastrophe

Grundzüge der Bioökonomie

Anders, als einige Leute glauben, ist es nicht Ziel der Bioökonomie alle Dinge aus Naturmaterialien (Wolle, Holz etc.) herzustellen, sondern der Großteil der Bioökonomie basiert darauf aus Naturmaterialien Monomere (einfache chemische Moleküle) herzustellen, aus welchen dann mit chemischen Verfahren Polymere (Verbindungen aus vielen Monomeren) und damit größere Gegenstände erzeugt werden. Hier jedoch am besten mit Reaktionen, die die Natur auch kennt und wieder spalten kann, sollte der Kunststoff bspw. im Meer landen.

Unkomplizierte erste Schritte

Wie erwähnt ergibt sich ein Zielkonflikt zwischen Verpackungssicherheit und biologischer Abbaubarkeit in der Natur. Aber hier bietet sich eine Lösung an: Einwegplastik, Verpackungen von Produkten, die auch versiegelt nicht lange halten könnten durch “minder stabiles“ d.h. biologisch abbaubares Bioplastik ersetzt werden. Immerhin die Hälfte des Plastikmülls der EU ist Einwegplastik.  Die biologisch stabilen Plastikarten könnten sich vorerst weiterhin auf Nischenanwendungen wie medizinische Materialien beschränken. Keiner will eine Blutvergiftung erleiden, nur weil die Spritze, die ein Arzt verwendet hat in nicht ganz biostabilem Bioplastik verpackt war und Bakterien eindringen konnten. Windräder sind deutlich widerstandsfähiger gegen Umwelteinflüsse, wenn sie mit Plastik beschichtet sind. Da in der Medizin und Forschung kunststoffverpackte Artikel oft in sehr sicherheitsorientierten Umfeldern im beruflichen Kontext (Ärzte, Pfleger, Forscher) verwendet werden, ist die Chance, dass fast 100% davon sicher entsorgt wird, sehr groß. Ob und wie dafür Alternativen gefunden werden hat dann eine geringere Dringlichkeit. 

Wirtschaften mit Biomasse heute 

Tatsächlich wird von der zur Zeit produzierten Biomasse (alle angebauten, der Natur entnommenen Materialien) erstaunlich wenig für die Lebensmittelproduktion verwendet. Nach Zahlen des nova-Instituts aus dem Jahr 2020 werden 12% zu Nahrungsmittelproduktion, 16% für die Energieerzeugung genutzt, 2% für Biokraftstoffe und 60% für die Ernährung von Nutztieren eingesetzt. 0,034% (4,3 mio. t) werden für die Produktion von 3,4 mio. t von Biokunststoffen eingesetzt. Spannend – Die Nutztiere auf der Welt essen so viel (für Menschen) essbare Biomasse, wie 8,7 Mrd. Menschen essen könnten. Es wird also etwas mehr für Menschen essbare Biomasse an Tiere verfüttert als Menschen selber Essen. Nun essen Tiere aber insgesamt 60% der produzierten Biomasse während Menschen nur 12% verzehren. D.h. es muss eine große Quelle von Biomasse geben, die wir Menschen produzieren aber nicht selber essen können. Stellen wir uns eine Maispflanze vor. Es ist eine Pflanze mit einer langen Sprossachse und Blättern und einigen Kolben. Wir Menschen essen gerade einmal die Maiskörner. Der Rest der Pflanze – Sprossachse, Blätter, evtl. Kolben – wird potentiell zu Tierfutter verarbeitet. Traditionell sind Wiederkäuer bekannt dafür diese und ähnliche Pflanzenbestandteile anders als Menschen essen zu können.

Basisentscheidung für Bioökonomie

Das Fraunhoferinstitut für System- und Innovationsforschung (SI), sowie das Bundesumweltministerium sehen das Potential abhängig von einigen Problemen. Da die Landwirtschaftliche Nutzung in Deutschland und auch der ganzen Welt für die jetzige Nahrungsmittelproduktion schon sehr großen Flächen in Beschlag nimmt, ist die Zukunft von einer Art Verhandlung über Nutzungsweisen abhängig. Beispielsweise könnte sehr viel landwirtschaftlich erzeugte Biomasse, die nicht verzehrbar ist, anstatt an Tiere verfüttert zu werden, in Bioraffinerien zur Stoffgewinnung genutzt werden. Von den Nahrungsmitteln, die vollständig nur als Tierfutter angebaut werden mal ganz abgesehen. Allerdings gibt es auch Befürchtungen, dass durch Umweltzerstörung, Überdüngung und Klimawandel Landwirtschaftliche Nutzflächen verloren gehen. Hinzu kommt die Tatsache, dass ein großer Teil der Weltbevölkerung jetzt aus Gründen der Armut wenig Fleisch isst und so der Bedarf an Tiernahrung stark wachsen könnte. In Schwellenländern oder jungen Industrienationen, die sich noch an Armut und Hunger erinnern, könnte das Bewusstsein für Nachhaltigkeit auf Kosten von Fleischkonsum weniger Anklang findet als in Europa, den Industriestaaten Ostasiens und Nordamerika.

Nun gab es nur leider schon eine Tank-oder-Teller-Diskussionen wegen der Produktion von Biokraftstoffen der ersten Generation (Maisethanol, Rapsöl etc.). Bei der Debatte ging es im Prinzip darum, dass Pflanzen, die zur Produktion von Biokraftstoffen eingesetzt werden in Konkurrenz zu Pflanzen um Boden stehen, die Nahrungsmittel für Menschen bereitstellen. Im Hinblick auf die Hungerprobleme der Welt und die Situation der Regenwaldabholzung wirkte der Anbau von Pflanzen für Biokraftstoffproduktion unvertretbar. Ein Lösungsansatz einst war ein Lebewesen zu finden, welches nicht auf Böden wächst – Algen zum Beispiel. Zählt man die bakteriellen Blaualgen dazu, sind Algen definiert als Lebewesen, die im Wasser leben und Photosynthese (Lichtenergie nutzen, um CO₂ zu Kohlenstoffverbindungen umzuwandeln) betreiben. Sie brauchen eher Tanks oder Teiche zum Leben. Diese könnte man überall in Städten oder auf unfruchtbaren Böden platzieren. Und noch ein Vorteil: Algen können 50-100 mal schneller Biomasse produzieren als Landpflanzen.

War die Menschheit blind für allgegenwärtige Superproduzenten? 

Auf den ersten Blick wirken Algen wie eine ideale Erweiterung der Biomasseproduktion: Sie konkurrieren nicht mit Pflanzen um Ackerland, sie können 5% des Sonnenlichts in chemische Energie umwandeln, während Pflanzen das gerade einmal mit 0,5% können. Algen können in Tanks an Häusern in Städten (wie auf der IBA in Hamburg), wie auch in Tanks oder künstlichen Teichen an ehemaligen Industriebrachen (hier gewinnen ehemalige DDR-Industriestandorte in Brandenburg und Sachsen-Anhalt an Bedeutung) angebaut werden. Leider aber sind fast alle Behälter für Algen zu reinigen und die Kosten dafür sehr hoch. Und selbst wenn für Algen effiziente Infrastrukturen verfügbar wären, gäbe es noch das Problem, das viele Algen sehr unstete Stoffwechsel haben. Unter Mangel von Stickstoff und Phosphat produzieren Algen viele Kohlenhydrate (bis zu 60% des Eigengewichts) oder Fette (bis zu 70%). Sind Phosphat und Stickstoff jedoch vorhanden bilden sie auch vermehrt Proteine. Möchte man also eine verlässliche Quelle haben, müssen konstante Umweltbedingungen in Licht und durch Begasung gewährleistet sein.

Ist dies jedoch gewährleistet, könnten Algen in Konkurrenz zu Pflanzen als Produzenten für Pharmaprodukte treten (Pharming). Außerdem: Die geschlossenen Behälter können noch ein Problem lösen. Oft müssen Algen/Pflanzen für die Pharmazie stark genetisch verändert werden. Dementsprechend müssen alle Lebewesen, die man in dem Bereich nutzt, abgeschirmt von der Umwelt werden. Das wäre bei Algen durch die Tanks schon passiert.

Algenbioökonomie – Probleme und Chancen

In Großvolumigen Anbausituationen schwierig rentabel anzubauen, sind Algen gute Quellen für hochwertige Moleküle wie β-Carotinoide und Fette. Für die Produktion solcher (auch in geringeren Mengen benötigten) Stoffe lohnt sich der Anbau von Algen wiederum. Auch sind Öle aus Algen in ihrer Qualität mit den aus Ölpalmen vergleichbar und hätten so das Potential in Deutschland oder in Europa auf unfruchtbaren Böden oder Tagebaubrachen Öl für die Kosmetikindustrie zu produzieren. So könnte man das Palmöl ersetzen, dessen Nutzung für Regenwaldzerstörung verantwortlich gemacht wird. Das Unternehmen Ecover aus den Niederlanden wirbt mit genau diesem Angebot: Waschmittel mit Algenöl sollten 16-mal weniger CO2 verbrauchen als Waschmittel, die auf Palmöl basieren und zudem Ackerboden einsparen. Jedoch stellte sich heraus, dass die Tenside für das Waschmittel von genetisch veränderten Algen hergestellt wurden, was zu einem Sturm der Entrüstung führte. Durch Gentechnik sind sehr große Steigerungen in Ertrag und auch Anwendung von Algen möglich. Je nachdem wie sich das Verhältnis zu wissenschaftlichen Fakten über Gentechnik in technischen Anwendungen verändert, kann sich die Akzeptanz solcher Produkte verändern. Stand 2020 ist die Produktion von Algenöl jedoch noch nicht wirtschaftlicher als die von Palmöl. Lediglich als protein- und vitaminreiches Nahrungsergänzungsmittel lohnt sich die Produktion von nicht genetisch veränderten Algen.

Bioökonomie als Nische in der Elektrizitätswirtschaft?

Die Studie der Fraunhoferinstituts für SI enthält dazu verschiedene Szenarien. Im Wesentlichen unterscheiden sie sich darin, wieviel Biomasse für welche Nutzung verbraucht wird. Am interessantesten zeigt sich hier v.a. ein Szenario, welches Biomassenutzung für Nischen, in denen erneuerbare Energien nicht eingesetzt werden können, Anwendung findet. Während die E-Auto-Wende die Nutzung von Biodiesel wegkonkurrieren könnte und erneuerbare Energien billiger und verlässlicher als energetische Algenölnutzung sind, ist es erstrebenswert produzierte Biomasse für Plastikproduktion und als Treibstoff für Flug-/Schiffsverkehr zu nutzen. Akkus sind für Flugzeuge noch auf lange Zeit zu schwer. Und auch wenn es bereits durch einen technischen Durchbruch 2019 ein kostengünstiges Verfahren für die Herstellung von Treibstoff aus CO₂ und Wasser mit erneuerbarer Energie gibt (80% der Energie werden in Treibstoff umgewandelt), bleibt der Preis mittelfristig mindestens 1-1,50 Euro deutlich höher als ca. 50 ct für fossiles Kerosin. Und obwohl der europäische Kraftstoffbedarf nach Aussage des nova-Instituts aus dem Jahr 2019 mit 18.000 km² Sonnenkollektoren in der Sahara (0,2%) gedeckt werden könnte, schaut gerade die Luftfahrtbranche tatsächlich auf eine (nahe) Zukunft mit Biokraftstoffen aus Pflanzenresten, Hausmüll und Pflanzen, die auf unfruchtbaren Böden leben können.

Ausblick

Die Bundesregierung erwartet, dass egal welche Richtung Deutschland in der Bioökonomie einschlägt, größere Effekte auf die Wirtschaft nach 5-10 Jahren eintreten. Wie stark der Effekt sein wird ist dann v.a. davon abhängig, wie viele Quellen von nicht mit Nahrungsmittelanbau konkurrierender Biomasse entdeckt werden bzw. rentabel sind und davon, inwieweit wir bereit sind auf Konsum von tierischen Produkten zu verzichten, um Biomasse für die Industrie übrigzulassen. Und nicht zuletzt auch davon, wie wir Kosten, Nutzen und Risiken von Produkten der Bioökonomie oder weißer Gentechnik bewerten.

Von Chantal Bohn

Jeden Tag strömen rund 10.000 Liter Luft durch unseren Körper. Das passiert ganz von allein. Wir müssen uns keine Gedanken darüber machen – aber vielleicht sollten wir das. Denn mit jedem Atemzug nehmen wir neben dem lebensnotwendigen Sauerstoff auch zahlreiche Schadstoffe auf. Diese haben nicht nur Auswirkungen auf unsere Gesundheit, sondern auch auf Umwelt und Klima.

Die Grundbestandteile der Luft

Die Erdatmosphäre besteht im wesentlichen aus Stickstoff (78,08 %), Sauerstoff (20,94 %), Argon (0,93 %) und dem viel diskutierten Kohlenstoffdioxid (0,038 %). Das ist soweit Schulwissen. Die genaue Zusammensetzung kann je nach Wetterlage, Höhe und anderen Faktoren leicht variieren. Zusätzlich zu den Hauptbestandteilen befinden sich aber noch weitere Gase und Aerosole in der Luft. Obwohl Aerosole fast ausschließlich im Zusammenhang mit Gesundheitsrisiken genannt werden, sind sie erstmal nichts schlimmes. Aerosole sind nämlich nichts weiter als flüssige oder feste Partikel, die sich in der Luft befinden. Dazu zählen also auch Meersalz in der Ostseeluft und (zumindest für die meisten Menschen) harmlose Pollen im Sommer.

Schadstoffe in der Luft

Zu den sonstigen Bestandteilen der Luft zählen jedoch ebenso Stoffe, die für uns und die Natur schädlich sein können. Laut der US-amerikanischen Umweltbehörde (EPA) sind das vor allem Kohlenstoffmonoxid, Blei, Stickstoffoxide, bodennahes Ozon, Feinstaub und Schwefeldioxid. Zwar gibt es auch natürliche Schadstoff-Quellen (z.B.Vulkanausbrüche), doch ein Großteil der Emissionen ist menschlichen Ursprungs.

Kohlenstoffmonoxid (CO) ist ein toxisches Gas, welches bei unvollständiger Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entsteht. Das kann zum Beispiel bei Waldbränden, Vulkanaktivität, Verbrennungsmotoren und Kaminfeuern der Fall sein. Blei (Pb) hingegen ist ein giftiges Schwermetall, was vorwiegend durch Autoverkehr produziert wird. Zum einen wurde Blei Benzin als Klopfmittel hinzugefügt, aber auch durch Abrieb von Bremsen und Reifen können Blei-Partikel in die Umwelt gelangen. Mit Stickstoffoxiden (NOx) sind meist Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) gemeint. Diese gasförmigen Verbindungen entstehen bei Nebenreaktionen während der Verbrennung. Ozon (O3) ist den meisten nur in Verbindung mit der Ozonschicht ein Begriff. Doch das giftige Gas, welches aus Stickoxiden und flüchtigen organischen Verbindungen hervorgeht, überschreitet auch am Boden immer häufiger die gesundheitlich unbedenkliche Konzentration. Feinstaub umfasst eine weite Gruppe an Partikeln, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen und anhand ihrer Größe in verschiedene Kategorien eingeteilt werden. Hauptverursacher sind Reifenabrieb, Verbrennungsmotoren, und die Tierhaltung. Den Abschluss dieser Liste macht das Gas Schwefeldioxid (SO2), was bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe abgegeben wird. 

Die Konzentration der verschiedenen Schadstoffe ist lokal sehr verschieden und hängt von den jeweiligen örtlichen Gegebenheiten ab. Neben einer Stadtautobahn setzt sich die Luft anders zusammen als neben einem Kuhstall oder einer Erdölraffinerie. Allerdings muss man auch erwähnen, dass zumindest in Deutschland die Konzentrationen der meisten Schadstoffe seit 1990  zurückgegangen sind. Das liegt vor allem an EU-Richtlinien (z.B. Göteborg-Protokoll), Brennstoffwechsel im privaten und vor allem industriellen Bereich sowie verbesserten Industrieanlagen. 

Gesundheitliche Folgen

Obwohl der Anteil an schädlichen Stoffen im Vergleich zu Stick- und Sauerstoff winzig erscheint, können die Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit gravierend sein. Circa 91% der Weltpopulation leben in Gegenden, in denen die WHO-Richtlinien für Schadstoffbelastung in der Luft überschritten werden. Insgesamt werden 7 Milionen frühzeitige Todesfälle verschmutzter Luft in Innen- und Außenräumen zugeschrieben.

Besonders empfindlich sind Asthmatiker und andere Risikogruppen, deren Atemwege schon bei geringfügig erhöhter Schadstoffbelastung gereizt werden. Aber auch eigentlich gesunde Menschen spüren die Auswirkungen. Gerade im Sommer, wenn es richtig heiß ist und die Sonne auf die Straßen prallt, erreicht bodennahes Ozon eine kritische Konzentration. Bei vielen Menschen kommt es zu einer Verringerung der Lungenfunktion und der allgemeinen Leistungsfähigkeit. Außerdem ist Ozon sehr reaktionsfreudig und wird in Deutschland daher als mögliches Karzinogen (=krebserregend) eingestuft. Feinstaub-Partikel können je nach Größe in die Bronchien gelangen, ins Lungengewebe oder in die Blutlaufbahn. Die Folgen reichen von lokalen Entzündungen bis hin zur Erhöhung des Thromboserisikos. Biogene Aerosole wie Schimmelpilze oder auch SARS-CoV-2 können schwere Krankheitsverläufe hervorrufen, die oft tödlich enden. 

Gerade in Innenräumen, wenn eine effektive Luftzirkulation nicht gegeben ist, machen sich gesundheitliche Auswirkungen schnell bemerkbar. Asbest ist das wohl bekannteste Beispiel. Die Fasern waren ein beliebtes Material der Bau- und Autoreifenindustrie, bis bekannt wurde, dass Asbest das Lungenkrebsrisiko stark erhöht. Für Frauen in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen ist die häusliche Luftverschmutzung das führende umweltbedingte Gesundheitsrisiko. Denn sie sind es, die in den oft winzigen Räumen stundenlang über offenen Flammen stehen und die giftigen Gase einatmen. Die WHO schätzt, dass weltweit immer noch 43% der Haushalte schadstoffreiche Brennstoffe zum Kochen benutzen. Sie sind Hauptursache für nichtübertragbare Krankheiten wie Lungenkrebs und Schlaganfälle bei Mädchen und Frauen in diesen Ländern.

Folgen für Klima und Umwelt

Aber nicht nur wir Menschen werden durch die Schadstoffe krank. Auch die Umwelt und das Klima leiden unter der Luftverschmutzung. 

Bodennahes Ozon, Methan und schwefelhaltige Aerosole zählen zu den kurzlebigen klimawirksamen Schadstoffen. Laut Einschätzung der IASS (Institute for Advanced Sustainability Studies) sind diese Schadstoffe für circa die Hälfte der Erderwärmung verantwortlich. Die andere Hälfte machen langlebige klimawirksame Schadstoffe wie zum Beispiele Kohlenstoffdioxid aus, die mehrere Hundert Jahre in der Atmosphäre verbleiben können. Kurzlebige Schadstoffe können eine kühlende oder wärmende Wirkung auf das Klima haben. Das hängt davon ab, ob sie Sonnenlicht reflektieren oder absorbieren. 

Regional lassen sich die Auswirkungen von Luftverschmutzung an Tieren und Pflanzen sehen. Aufgrund seiner phototoxischen Eigenschaften führt bodennahes Ozon in Europa zu Weizenernte-Verlusten von jährlich bis zu 27 Millionen Tonnen. Saurer Regen, der durch Schwefel- und Stickstoffoxide in der Atmosphäre entsteht, bekam erstmals in den 1980er öffentliche Aufmerksamkeit. Der Anlass waren das Massensterben von Wäldern und Fischen, welche die plötzliche Änderung des pH-Wertes in ihrem Lebensraum nicht vertrugen. Eine sehr umstrittene Methode des Geoengineerings sieht vor, Schwefeloxide aufgrund ihrer kühlenden Wirkung auf das Klima als Plan B für die Erderwärmung einzusetzen. Die katastrophalen Folgen für Biotope werden dabei an zweite Stelle gestellt.  

Generell lassen sich die Auswirkungen von Luftschadstoffen auf Lebewesen und auf das Klima nicht getrennt voneinander betrachten. Und selbst wenn kurzlebige klimawirksame Schadstoffe vorerst der Erderwärmung entgegenzuwirken scheinen, maskieren sie nur ein fundamentales Problem. Denn senken können sie die Schadstoffkonzentration in der Luft nicht.

Luftverschmutzung messen

Der Ökonom Peter Drucker sagte angeblich einmal, “was gemessen wird, kann verbessert werden”. Das trifft auch auf die Luftqualität zu.

Der “Air Quality Index” (deutsch: Luftqualitätsindex) ist ein beliebter Messwert, um die Luftverschmutzung an einem bestimmten Standort anzugeben. Generell gilt, je niedriger der Wert, desto gesünder die Luft. Die Messstationen finden sich weltweit und mit nur einem Mausklick kann man den momentanen Wert in seiner Nähe ermitteln. An einem normalen Wochentag während des Lockdown-Novembers lagen die Werte der Berliner Messstationen alle im grünen Bereich (unter 50). Ein ganz anderes Bild ergibt sich in der Delhi-Region in Indien, die fast komplett dunkelrot eingezeichnet war und wo Werte von bis zu 999 gemessen wurden. Aber auch der AQI hat seine Grenzen. Es werden längst nicht alle Schadstoffe erfasst und jedes Land geht mit dem Wert etwas anders um.

In Deutschland gilt die EU-Luftqualitätsrichtlinie. Diese schreibt unter anderem vor, dass die Messungen an Orten mit der höchsten Belastung vorgenommen werden müssen. Da sich diese Formulierung jedoch auf die menschliche Gesundheit bezieht, sind Messgeräte in Industriegebieten und an Autobahnen von der Vorschrift ausgeschlossen, solange sie sich nicht in unmittelbarer Nähe von Wohngebieten befinden. Auch suburbane und ländliche Regionen werden oft nicht erfasst, ganz zu schweigen von Innenräumen.

Doch obwohl AQI und andere Werte kein vollständiges Profil der Luftverschmutzung liefern können, sind sie ein wichtiges Werkzeug für Stadtplaner, Klimaschützer und Politiker, um die Zukunft von morgen zu gestalten.

Lösungsansätze für saubere Luft

Luft ist eine Grundvoraussetzung für das Leben auf der Erdoberfläche. Es ist daher kein Wunder, dass saubere Luft ein wichtiger Bestandteil gleich mehrerer Nachhaltigkeitsziele der UN ist. Aber wie erreicht man diese Ziele?

Der wichtigste Schritt ist, die Emission von Schadstoffen schnell und drastisch zu reduzieren. Dafür braucht es nationale und internationale Richtlinien, um Hauptemittierer in Industrie und Alltag zu regulieren. Es braucht technischen Fortschritt, um Industrieanlagen effizienter zu gestalten und Abgasfilter zu verbessern. Und vor allem braucht es rentable Alternativen für schadstoffreiche Rohstoffe und deren Verarbeitung, um eine nachhaltige Wirtschaft zu ermöglichen.

Die meisten Menschen denken jedoch zuerst an ihre Gesundheit, bevor sie sich Gedanken um eine nachhaltige Wirtschaft machen. Was kann man im privaten Bereich tun? Zumindest in Deutschland ist die immenenteste Gefahr für die menschliche Gesundheit die Innenluft. Denn bis zu 90% unserer Zeit verbringen wir drinnen. Dagegen hilft vor allem Lüften und Aufenthalte an der frischen Luft. Auch Luftreiniger tragen zu einer besseren Luftqualität bei

Wie warm es auf der Erde ist, wird im Wesentlichen von zwei Faktoren bestimmt: Wie stark die Sonne auf die Erde strahlt und wie gut die Erde diese Strahlung als Wärme speichern kann. Helle Erdoberfläche wie Eis, Sandwüste oder helle Wolken reflektieren Sonnenstrahlung, dunkle Oberflächen, v.a. Meere absorbieren sehr viel Wärme. Das ist etwas kontraintuitiv, aber die Farbe von Wasser hängt stark vom Blickwinkel ab. Steht man an einem See oder Meer und scheint die Sonne flach über das Wasser in die eigenen Augen, erscheint es hell, fast weiß. Aus dem Weltraum, wenn das Licht von der Sonne aus senkrecht ins Meer scheint erscheint es dunkelblau, fast schwarz.

Zusammensetzung der Atmosphäre

Ein zweiter wichtiger Faktor ist die Zusammensetzung der Atmosphäre: Gase wie Sauerstoff (O2) und Stickstoff (N2) speichern weniger Wärme, während Kohlenstoffdioxid (CO2), Methan (CH4), FCKW und einige andere mehr speichern (deshalb die Bezeichnung Treibhausgase). Die Produktion von FCKW als Kältemittel für Kühlschränke tut dem Klima also genauso wenig einen Gefallen, wie die Methanentstehung in der Viehwirtschaft. Tatsächlich aber ist der Einfluss von CO2 viel größer.

Kohlenstoffkreislauf

In der Natur entsteht und verschwindet Kohlenstoff auch ohne den Menschen regelmäßig im sogenannten Kohlenstoffkreislauf. Dieser besteht im Wesentlichen darin, dass Pflanzen und Algen CO2 und H2O (Wasser) verbrauchen um O2 und Biomasse (CH-reiche Verbindungen) herzustellen. Im Gegenzug dazu müssen Tiere im Meer und an Land die Biomasse und das O2 zu Wasser und CO2 umwandeln, damit die Pflanzen wieder die Ausgangsstoffe für ihre Produktion haben. Spannend: Ein sehr kleiner Teil der Biomasse ging kontinuierlich über Jahrmillionen verloren, indem Lebewesen (die aus Biomasse bestehen) in unterirdischen Lagerstätten eingeschlossen und zu Erdöl, Erdgas, Kohle umgewandelt wurden. Dadurch wurde etwas Kohlenstoff und Wasserstoff kontinuierlich entnommen.

Laut des Berichts der europäischen Umweltagentur (European Environment Agency, EEA) tragen belastende Umweltfaktoren zur Verschlechterung der Gesundheit und des Wohlbefindens der Menschen bei.

Umweltprobleme

Zu den Umweltproblemen gehören Luftverschmutzung, schlechte Wasserqualität (einschließlich Trink-, Bade- und Oberflächenwasser), Lärm, Chemikalien, Raumluftqualität, Klimawandel und Strahlung (ionisierend und nicht ionisierend). Die Umweltrisiken sind in der Gesellschaft nicht gleichmäßig verteilt – Menschen sind unterscheidlich stark von ihnen betroffe. Die Forscher untersuchten dabei die Auswirkungen auf Wohlbefinden und Gesundheit.  

Air pollution 

Luftverschmutzung ist einer der größten Umweltverschmutzer, insbesondere in städtischen Gebieten. Die hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit schwerwiegendsten Umweltschadstoffe sind Stickstoffdioxid, Feinstaub und Ozon. Luftverschmutzung beeinträchtigt das Atmungs- und Kreislaufsystem. Sie verursachen eine verminderte Lungenfunktion, Atemwegsinfektionen und Asthma. Wissenschaftler kombinieren Luftverschmutzung mit Typ-II-Diabetes, Alterung, Fettleibigkeit, seniler Demenz und Alzheimer-Krankheit.

Lärm und Umweltgesundheit 

Umgebungslärm gilt als zweitwichtigster Umweltfaktor, der die psychische und physische Gesundheit und das Wohlbefinden beeinflusst. Das 7. Umweltaktionsprogramm enthielt Maßnahmen zur Verringerung der Umweltlärmbelastung bis 2020. In dem Bericht schrieben sie, dass die Lärmbelastung der Umwelt allmählich auf den von der WHO empfohlenen Wert zurückgeht, dass aber die Zahl der Menschen, die hohen Lärmpegeln ausgesetzt sind, nicht zurückgegangen ist und dass Millionen von Menschen immer noch hohen gesundheitsschädlichen Lärmpegeln ausgesetzt sind. Letztlich ist es nicht gelungen, die Lärmbelastung der Umwelt auf das von der WHO empfohlene Niveau zu reduzieren. 

Lärmexposition kann zu Hörstörungen führen, die die Gesundheit nicht beeinträchtigen. Direkte Schädigung des Gehörs durch Lärm führt zu Hörverlust und Tinnitus. Die Ursache ist Lärm am Arbeitsplatz, zu laute Musik und Feuerwerk. Längere Lärmexposition führt zu ungeprüften Lärmwirkungen, die das Ergebnis physiologischer und psychologischer Reaktionen auf Stress sind. Stressreaktionen führen bei Kindern zu schlechtem Schlaf, Ärger, Herz-Kreislauf- und Stoffwechselproblemen, Blutdruckveränderungen und Beeinträchtigung der kognitiven Funktionen. 

In Europa wurde festgestellt, dass Lärm jedes Jahr zu 48.000 neuen Fällen von Herzkrankheiten und 12.000 vorzeitigen Todesfällen beiträgt. Mehr als 21 Millionen Menschen leiden unter hoher Lärmbelästigung und 6,5 Millionen unter Schlafstörungen. Fluglärm hat bei 12.500 Kindern zu Störungen im Schulunterricht geführt, weil sie weniger Strategien für den Umgang mit Lärm entwickelt haben als Erwachsene. Der Verkehr ist auch für Menschen, die in großen Städten leben, ein Problem. Studien zeigen, dass 20% der Bevölkerung der Europäischen Union hohen Lärmpegeln ausgesetzt sind, die durch Verkehrsmittel verursacht werden.

Der Klimawandel 

Der Klimawandel erhöht die Intensität und Häufigkeit von Wetter- und Klimaveränderungen auf europäischer und globaler Ebene. Die meisten extremen Wetterereignisse haben in Europa an Schwere, Dauer und Ausmaß zugenommen, darunter Hitzewellen, Hagel, Regenfälle, Überschwemmungen, Stürme, Waldbrände, Erdrutsche, Dürren, hohe Küstengewässer und Lawinen. Die Sommertemperaturen liegen über der Norm. Im Jahr 2019 wurden in Europa Rekordhitzewellen verzeichnet. Der drastische Klimawandel führt zu schwerwiegenden menschlichen Störungen und erhöht das Risiko infektiöser und nicht übertragbarer Krankheiten. Extreme Hitze, Überschwemmungen und Waldbrände stellen eine direkte Bedrohung für die Gesundheit dar und verursachen langfristig Veränderungen in der Verteilung von Allergenen und Infektionskrankheiten, die durch Veränderungen in Ökosystemen und sozioökonomischen Systemen noch verstärkt werden. Der Klimawandel hat besondere Auswirkungen auf schwangere Frauen, Menschen in schlechtem Gesundheitszustand, ältere Menschen und Kinder. Der Klimawandel wirkt sich auf das Mikroklima von Städten aus, und Gebiete mit hoher Bevölkerungsdichte sind besonders anfällig. In Städten, in denen die Gebäude für kalte Umgebungen ausgelegt sind, verursachen Hitzewellen vor allem Veränderungen des Mikroklimas und städtische Wärmeinseln erhöhen die Sterblichkeitsraten. Der Klimawandel verursacht auch Gesundheitsrisiken in Innenräumen, wie z.B. hohe Temperaturen, schlechte Luftqualität in Innenräumen, hohe Konzentrationen von Allergenen und Krankheitserregern, Wasserverschmutzung und Überschwemmungsschäden. 

Biomimicry, Biomimetik, Bionik: Relativ neue wissenschaftliche Disziplinen machen sich Beispiele aus der Natur für neue Lösungsansätze zunutze.

Das Wort Mimikry stammt aus dem Englischen und bedeutet Nachahmung. In der Biologie ist Mimikry, wenn wehrlose Tiere giftige oder gefährliche Tiere im Aussehen nachahmen, um sich vor Fressfeinden zu schützen. Die Wespenschwebfliege beispielsweise weist die gleichen schwarz-gelben Streifen auf ihrem Körper auf wie Wespen, ist jedoch im Gegensatz zu Wespen völlig harmlos. Durch diese Tarntracht wird sie weniger häufig von Vögeln oder anderen Feinden gefressen.

Nachahmen der Natur

Biomimikry oder Biomimetik ist das Nachahmen oder Imitieren der Natur zum Lösen komplexer menschlicher Problemstellungen. Hierbei geht es nicht nur um technische Probleme, sondern auch gesellschaftliche und organisatorische Herausforderungen. Die Lösungsansätze in der Natur haben sich über die letzten 3,8 Milliarden Jahre entwickelt. Dabei haben sich nur die Ansätze, die am effizientesten und ökonomischsten mit den gegebenen Umweltbedingungen und den verfügbaren Energie- und Wasserressourcen umgehen, im Prozess der natürlichen Auslese durchgesetzt. Sofern können biologische Lösungen als das Ergebnis von Millionen gescheiterter Prototypen betrachtet werden.

Die Idee Ansätze für technische Probleme in der Natur zu suchen entstand nicht erst in unserer heutigen Zeit. Leonardo da Vinci erforschte bereits Anfang des 16. Jahrhunderts die Konstruktionsprinzipien der Natur und versuchte sie zu kopieren sowie zu übertragen. Er analysierte den Vogel- und Fledermausflug und ihre Anatomie zum Entwurf von Flugmaschinen. Weitere historische Anwendungen von Bionik wären der Schiffsbau ebenfalls im 16. Jahrhundert und modernere Erfindungen wie der 1945 erfundene Klettverschluss, wahrscheinlich das berühmteste Beispiel für Bionik. Besteht aus einem flauschigen Band, das die Eigenschaften von Fell nachahmt und einem Band mit kleinen Widerhaken wie an den Früchten der Kletten, kopiert der Klettverschluss sein Funktionsprinzip direkt aus der Natur. Der Schweizer Georges de Mestral erfand den Klettverschluss zufällig durch einen Spaziergang mit seinem Hund. Nachdem er zahllose Kletten aus dem Fell des Tieres klauben musste, wurde er neugierig nach dem Mechanismus, der die Kletten an Oberflächen haften lässt und mikroskopierte sie. Dabei fand er heraus, dass die Borsten an den Früchten der Kletten in kleinen Widerhaken enden. Darin sah er das Potenzial zwei Materialien auf einfache Weise reversibel zu verbinden und entwickelte den Klettverschluss, den er sich unter dem Namen Velcro patentieren ließ.

Auch wenn Ansätze bereits im 16. Jahrhundert gefunden werden können, ist die Biomimikry als neues Forschungsfeld zu betrachten, dessen Grenzen noch nicht eindeutig abgesteckt sind. So existiert auch eine Vielzahl von Begriffen für dessen Beschreibung wie Bionik, Biomimikry, Biomimetik oder Biomimese, für die wiederum eine Vielzahl von Definitionen existieren. Alle diese Begrifflichkeiten werden meistens synonym füreinander verwendet, jedoch werden Biomimikry und Bionik auch teils als unterschiedliche Bereiche des Forschungsfeldes gesehen. 

Bionik vs. Biomimicry