EU-Forscher erforschen, wie man aus schwer zu knackenden Nussschalen starke und nachhaltige neue Materialien herstellen kann.
Dr. Notburga Gierlinger, eine österreichische Forscherin, die sich auf die Erforschung der Struktur und Zusammensetzung pflanzlicher Materialien spezialisiert hat, ist von Nüssen besonders fasziniert.
Wenn sie mit einer Pistazien- oder Walnussschale konfrontiert wurde, öffnete sie diese mit Vorsicht, fasziniert davon, wie die Natur so starke Materialien heraufbeschwören konnte.
„Die Schalen sind so hart, dass ich immer Angst habe, meine Zähne zu benutzen, falls ich sie beschädigen könnte“, sagte Gierlinger, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften an der Universität für Bodenkultur BOKU in Wien, Österreich.
Teil des Puzzles
Zu Gierlingers Hauptforschungsgebieten gehört die Verwendung einer Technik namens Raman-Bildgebung, um die Verteilung von Lignin, Cellulose und anderen Biomolekülen in pflanzlichen Zellwänden zu untersuchen. Ziel ist es, ihre mechanischen Eigenschaften und Funktionen zu verstehen.
Weitere Untersuchungen während eines fünfjährigen Forschungsprojekts namens SCATAPNUT führten Gierlinger und ihr Team zu der Entdeckung, dass Nussschalen wie Pistazie und Walnuss 3D-Puzzlezellen enthalten – Zellen mit einzigartigen ineinandergreifenden Strukturen, die Teilen eines Puzzles ähneln. Dies trägt zu ihrer außergewöhnlichen Festigkeit und Haltbarkeit bei.
Gierlinger ist von ihren Erkenntnissen fasziniert und leitet nun weitere Forschungen in einem Projekt namens PUZZLE MATERIALS, in dem untersucht wird, wie aus Pistazien- und Walnussschalen funktionale Materialien für industrielle Anwendungen hergestellt werden können.
Das Vorhandensein der Puzzlezellen bedeutet, dass die Nussschalen andere Eigenschaften bieten als die Fasern, die üblicherweise in Pflanzen wie Hanf und Holz vorkommen. Gierlinger und ihr Team erforschen derzeit, welche neuen Materialien sich aus Nussschalen herstellen lassen und wie diese am besten eingesetzt werden können.
Die spezifischen Eigenschaften von Puzzlezellen machen sie besonders interessant für die Umwandlung in biologisch abbaubaren Biokunststoff.
Verrückt nach Nachhaltigkeit
Im Jahr 2020 verabschiedete die EU im Rahmen des European Green Deal einen neuen Aktionsplan für die Kreislaufwirtschaft. Dazu gehört die Unterstützung bei der Entwicklung neuer Materialien, die Abfall und Umweltbelastung reduzieren.
Gierlingers Vorschlag sieht die Verwendung eines aktuellen Abfallmaterials – Nussschalen – vor, um neue Materialien zu schaffen, die möglicherweise Kunststoffe ersetzen könnten und somit einen doppelten Nutzen für die Umwelt bieten.
Da der durchschnittliche Europäer im Jahr 2022 rund 186,5 kg Verpackungsmüll erzeugt, werden wiederverwendbare und kompostierbare Materialien mehr denn je benötigt. Gierlinger hofft, dass ein aus Nussschalen hergestelltes Material eine von vielen Lösungen sein könnte, die zur Reduzierung von Plastikmüll in Europa und weltweit beitragen könnten.
„Ich denke, Walnussbäume könnten in Zukunft an Bedeutung gewinnen, weil es robuste, widerstandsfähige Bäume mit gutem Holz und gesunden Nüssen sind“, sagte sie. „Wir denken immer darüber nach, welche Produkte in einer nachhaltigen Gesellschaft an Bedeutung gewinnen könnten.“
Ihr Vorschlag passt auch gut zu Europas freiwilligem Rahmenwerk „Sicher und nachhaltig durch Design“, das entwickelt wurde, um den Innovationsprozess für sicherere und nachhaltigere Chemikalien und Materialien zu leiten.
Ein nachhaltiger Prozess
Gierlinger und ihr Forschungsteam suchen nach Möglichkeiten, ausrangierte Muscheln effizient und umweltfreundlich zu verarbeiten. Der erste Schritt besteht darin, Walnussschalen in einem Lösungsmittel aufzulösen, um die Zellen zu trennen und Lignin zu regenerieren.
Der resultierenden Masse wird je nach gewünschter Flexibilität des Endprodukts auch Zellulose aus Kombucha-Verarbeitungsabfällen oder Bioreaktoren in unterschiedlichen Mengen zugesetzt. Die Forscher prüfen verschiedene Nussmaterialoptionen, darunter ein Produkt, das Leder ähnelt, und eines, das eher an Kunststoff erinnert.
Ziel ist es, nachhaltige, energieeffiziente, ressourcenschonende und biologisch abbaubare Nussmaterialien mit geringem CO2- und Umwelt-Fußabdruck herzustellen, die speziell für die Verpackungs- und Textilbranche konzipiert sind.
Paraskevi Charalambous, Biochemie- und Materialwissenschaftlerin an der BOKU, ist Teil des Forschungsteams, das an diesem Prozess arbeitet. Zu ihren bemerkenswerten Beiträgen gehört die Erforschung von Lösungsmitteln mit sehr niedrigem Schmelzpunkt.
Die Absicht besteht darin, ein Lösungsmittel zu finden, das selbst recycelt werden kann, was laut Charalambous eine Herausforderung darstellt.
„Es war nicht einfach, die von uns verwendete Chemikalie wieder in ihre ursprüngliche Form zu bringen“, sagte sie.
Seit Beginn des Projekts im Jahr 2023 wurden erhebliche Fortschritte erzielt und die Forscher konnten mehrere Proben herstellen, darunter eine Probe einer Geldbörse aus Nussleder.
Der große Vorteil des Materials, egal ob Leder oder Kunststoff, ist, dass es recycelbar und kompostierbar ist. Typischerweise sind Verbundwerkstoffe – eine Kombination aus zwei Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften – schwer zu recyceln, da andere Chemikalien hinzugefügt werden, um die Funktion des Materials anzupassen.
Bei dem in diesem Fall angewandten Verfahren ist dies nicht der Fall, so dass das Produkt wieder aufgelöst und wiederverwendet werden kann. Gierlinger sagte auch, dass es bei Bedarf möglich sei, das Material zu kompostieren, obwohl sie zunächst die Wiederverwendung und das Recycling fördert.
Nach der Entscheidung über den besten weiteren Weg wird es dann das Ziel sein, diese neuen, nussigen Materialien in die Produktion zu bringen.
„Der nächste Schritt wäre, einige Unternehmen zu finden, die interessiert sind“, sagte Gierlinger.