Der Mixer aus der Öko-Matrix

	Bild: photocase.de

Virtuelles Design gepaart mit ökolo-gischem Experten-wissen erlauben umweltgerechte Produkte - und führen zu erstaunlichen Erkenntnissen. Und zu neuen, wegweisenden Produkten

Von Christian Meier

„Das war mir auch neu“, sagt Christof Oberender vom Fachgebiet Produktentwicklung und Maschinenelemente (pmd) der TU Darmstadt. Der Maschinenbauer meint die überraschenden Ergebnisse der ökologischen Analysen des Sahneschlagens, Möhrenzerkleinerns und Knetens von Teig in der Versuchsküche: Küchenmaschinen beeinträchtigen die Umwelt hauptsächlich durch Reinigungsprozesse, nicht so sehr durch ihren Stromverbrauch.

Konsumgüter belasten die Umwelt auf ihrem gesamten Lebensweg: Von der Werkstoffherstellung über Produktion und Nutzung bis zur Entsorgung. Bei den meisten Elektrogeräten kommen 90% dieser Belastungen aus dem Stromverbrauch während der Nutzungsphase. Küchenmaschinen dagegen, so die Ergebnisse der Prozessanalytiker vom pmd, schädigen die Umwelt zu 80% durch das häufige und aufwändige Spülen und Putzen. „Ganz oben in der Anforderungsliste sollte also stehen: Reinigungsprozesse optimieren“, empfiehlt Oberender Entwicklern neuartiger Küchenmaschinen.

Dieser Rat könnte einen Designer dazu inspirieren, den so genannten Lotus-Effekt auf die Behälter der Maschine anzuwenden. Die Oberfläche von Lotus-Blättern ist so strukturiert, dass Schmutz und Schlamm nur schwach haften und mit dem Regenwasser abperlen. Am pmd wurde diese Alternative untersucht: Sie ist nicht geeignet, da Teig beim Kneten nicht ausreichend an der Behälterwand haftet. Der Erfindergeist ist weiter gefordert.

Das pmd ist ein Baustein des Sonderforschungsbereichs (SFB) 392 „Entwicklung umweltgerechter Produkte – Methoden, Arbeitsmittel, Instrumente“. Acht Institute der TU-Darmstadt und das Deutsche Kunststoff-Institut sind daran beteiligt. Das Spektrum der Wissenschaftler reicht vom Maschinenbauer bis zum Marktpsychologen. Ihr gemeinsames Ziel: Produktentwickler mit Wissen, Methoden und Arbeitsmitteln zu versorgen, die ihnen erlauben, Produkte ökologisch, ökonomisch und technisch zu optimieren.

Das Öko-Wissen wird dabei für alle Lebensphasen bereitgestellt. Der Entwickler wird in die Lage versetzt, bereits während Planung und Entwurf besonders umweltbelastende Prozesse oder Werkstoffe zu erkennen und dieses Wissen in seiner weiteren Produktentwicklung zu berücksichtigen. Er kann dabei Prozesse betrachten, an die er bisher nicht gedacht hatte: Zum Beispiel die Schadstoffemissionen beim Transport einer Handwerkerbohrmaschine im Werkstattwagen. Es könnte sich ökologisch lohnen, für das Getriebegehäuse der Bohrmaschine Aluminium zu wählen: Die Gewichtseinsparung verringert die Emissionen des Wagens, was den höheren Energieaufwand bei der Herstellung des Alu-Gehäuses im Vergleich zum Stahl-Gehäuse aufwiegen könnte.

Damit das Expertenwissen aus neun Jahren Prozess- und Werkstoffanalyse für den Produktentwickler nutzbar wird, muss es in seine Planungswerkzeuge integriert werden. „Wir können mit Hilfe einer Sprache, die der Computer versteht, Anwendungsfälle darstellen“, sagt Alain Pfouga vom Fachbereich „Datenverarbeitung in der Konstruktion“ (DIK) an der TU Darmstadt. Der Maschinenbauer meint damit die Darstellung realer Prozesse im Leben eines Produktes in Form von Bits und Bytes.

Produktentwickler erhalten so, bildlich gesprochen, einen Baukasten in die Hand, dessen Bausteine sie zum Lebenslauf eines virtuellen Prototypen zusammensetzen können. Jeder Baustein ist mit dem Öko-Wissen für den Prozess, den er darstellt, ausgestattet. Hat der Entwickler ein Produktszenario fertiggestellt, erhält er dessen „Öko-Bilanz auf Knopfdruck“.

Pfouga dreht mit dem Mauszeiger das Modell eines Ventilators auf dem Bildschirm seines Laptops. Er benutzt dafür ein Computer-Aided-Design (CAD) System, das reale Produkte virtuell darstellt. „Die Welle des Ventilators kann gegossen werden oder an der Drehbank gedreht“, erklärt er. „Wir bieten die Möglichkeit, diese unterschiedlichen Szenarien abzubilden.“ Das CAD-Abbild der Welle (im Bild grün) kann mit den Prozessen „Gießen“ und „Drehen“ verbunden werden. Dies geschieht mit Hilfe der vom DIK entwickelten Software „Life-Cycle-Modeller“ (LCM).

Drehen und Gießen sind mit unterschiedlichen Umweltbelastungen verbunden, deren Daten, z.B. der Stromverbrauch beim Drehen, in das Produktmodell einfließen. Da die Öko-Daten auf Messungen und theoretischen Berechnungen beruhen, sind sie nicht auf ein spezifisches Bauteil beschränkt, sondern allgemein verwendbar: Der Prozess „Drehen“ kann auf die Ventilatorwelle, aber auch auf eine doppelt oder dreimal so große Welle angewendet werden. Ähnlich wie „Agent Smith“ aus dem Kinofilm „Matrix“, der in der Lage ist in beliebige (simulierte) Personen zu schlüpfen.Auch die Rotorblätter eines Ventilators können auf verschiedene Weise und mit verschiedenen Werkstoffen hergestellt werden.

Für alle diese Alternativen stehen Öko-Daten bereit. CAD und LCM erlauben so die Simulation einer ganzen Reihe von Produktvarianten, deren Umweltwirkungen verglichen werden können. Die nackten Zahlen, z.B. CO2-Ausstoß in kg, Schmiermittelverbrauch in kg oder Stromverbrauch in kWh, sind schwer zu interpretieren. Deshalb hat der SFB 392 eine Methode entwickelt, bei der durch Klassifizierung der Umweltwirkungen und deren Gewichtung für jede Produktvariante ein Öko-Index berechnet wird. Durch Vergleich dieser Öko-Kennzahlen kann auf einfache Weise die umweltfreundlichste Variante ausgewählt werden.

Diese muss nicht die Markttauglichste sein. Die Darmstädter Forscher wollen aber den „ökologischen Ladenhüter“ vermeiden. Das Wissen, die Produktentwicklungsmethoden und die Software aus Darmstadt erlauben eine ganzheitliche Produktplanung. „Wir wollen Produkte gezielt so entwickeln, dass Mängel und Defizite geringer sind“, sagt Oberender. Dies gilt nicht nur für Schadstoffemissionen und andere Öko-Sünden, sondern auch für die Kosten und technische Mängel.

Zum Vergleich: Die sorgfältige Planung einer Reise kann sowohl den Genuss erhöhen als auch Kosten sparen. Wenn er möchte und über die entsprechenden Informationen verfügt, kann der Reiselustige seinen Urlaub darüber hinaus so planen, dass die Umwelt möglichst wenig belastet wird. Je mehr Wissen er über sein Ziel bereits im Vorfeld sammelt, desto besser kann die Reise unter all diesen Aspekten gelingen.

Die Projekte des Sonderforschungsbereiches sind nach neun Jahren so weit, dass die Wissenschaftler den Sprung in die Praxis wagen wollen: Mit Transferprojekten möchten sie ihre Methoden in der produzierenden Industrie testen und etablieren. Am Ende könnte ein Gütesiegel den Verbraucher darauf hinweisen, dass er eine umweltgerecht entwickelte Küchenmaschine vor sich hat. Wenn ihn das nicht überzeugt, dann sicher der Hinweis, dass das Gerät sich „beinahe von selbst“ reinigt.

Dr. Christian Meier

ist Physiker und arbeitet freiberuflich als Wissenschaftsjournalist und Wissenschafts-Lektor.