Nachhaltige Wirtschaftsweise – Kreislaufwirtschaft – Circular Economy

Von Chantal Bohn

In der Natur gibt es keinen Müll. Alles wird wiederverwendet. Wenn ein Tier stirbt, werden die Überreste von Mikroorganismen abgebaut, wodurch Nährstoffe und Mineralien wieder in den Boden gelangen. Dort werden sie vom Wurzelwerk der Pflanzen aufgenommen, welche wiederum die Nahrung für die Tiere produzieren. Stoffkreisläufe sollten für uns also selbstverständlich sein. Trotzdem werden die meisten Produkte bis heute auf lineare Weise hergestellt: produzieren – kaufen – wegwerfen – vergessen. In den letzten Jahrzehnten wurde jedoch klar, dass diese Wirtschaftsweise keine Zukunft hat. Eine nachhaltige Wirtschaftsweise im Sinne einer Kreislaufwirtschaft könnte eine Lösung sein.

Linearwirtschaft: Die Wegwerfgesellschaft

Laut Umweltbundesamt ist Deutschland pro Jahr für 325 bis 350 Millionen Tonnen Abfall verantwortlich. Weltweit sind es 2,12 Milliarden Tonnen. Was damit geschieht, hängt vom Land ab. In den USA landet der Großteil des Mülls auf den Deponien, wo durch die Verrottung Methan (ein potentes Treibhausgas) in die Atmosphäre gelangt. In Deutschland wird der Müll hauptsächlich “energetisch verwertet”, also verbrannt. Die entstehende Wärme kann nur noch für Energieerzeugung genutzt werden, wobei immer noch Kohlenstoffdioxid und andere Treibhausgase freigesetzt werden. 

Den Müll säuberlich zu trennen ist zwar besser, als alle Abfälle in einer Tonne zu entsorgen, aber es löst das Müllproblem auch nicht. Denn viele Materialien sind schlecht oder gar nicht recyclebar, weswegen sie letzten endes eben doch in den Verbrennungsanlagen landen. Vor allem Mehrschichtmaterialien, wie sie häufig in Verpackungen verwendet werden, stellen eine Herausforderung für Recyclinganlagen dar, weil sie nicht sortenrein sind. Insgesamt werden laut Angabens des BUNDs nur 17% des deutschen Plastikmülls nachvollziehbar recycelt. Bei Papier und Glas sind die Recyclingquoten wesentlich besser, aber auch hier behindern chemikalische Zusätze und andere Unreinheiten die Weiterverwertung.

Länder weltweit stehen deswegen vor der Frage, wie sie ihren Müll los werden sollen, ohne die Umwelt weiter zu schädigen. Hinzu kommen Probleme wie Ressourcenknappheit, hohe Treibhausgasemissionen und der damit verbundene Klimawandel. Einen Ausweg bietet die Kreislaufwirtschaft.

Die Grundsätze der Kreislaufwirtschaft

Kreislaufwirtschaft ist ein Modell, in welchem Produkte Teil eines Materialzyklus sind und diesem idealerweise endlos wieder zugefügt werden können. Statt geplanter Obsoleszenz werden Produkte für maximale Lebensdauer designt. Dadurch werden weniger Rohstoffe benötigt und Müllmengen reduziert.

Ähnlich wie in natürlichen Kreisläufen können die Produkte nach Ablauf ihrer Lebensdauer in ihre Grundbestandteile zerlegt werden, um als Ausgangsstoff für neue Produkte zu dienen. Hierbei wird generell zwischen zwei Stoffzyklen unterschieden: dem biologischen und dem technischen. Der biologische Zyklus enthält nur organische Stoffe, die der Natur bedenkenlos wieder zugeführt werden können. Dies kann zum Beispiel über Biogas-Anlagen oder Kompostierung passieren. Der technische Zyklus besteht aus Stoffen wie Plastik und Legierungen, die von Menschenhand geschaffen wurden. Jene Stoffe sollen sortenrein getrennt und dadurch immer wieder verwendet werden können. 

Die Materialzyklen verlassen sich jedoch nicht darauf, dass sich die technischen und chemischen Recyclingmöglichkeiten verbessern, sondern setzen schon viel früher an – beim Produktdesign. Abfall wird dabei quasi “herausdesignt”. Wer ein Produkt auf dem Markt anbieten möchte, muss sicherstellen, dass es leicht zu reparieren ist und das Material nach dem ursprünglichen Gebrauch wiederverwendet werden kann. Die Bestandteile müssen leicht voneinander zu trennen sein. Es muss transparent sein, um welches Material es sich handelt und wie es zu entsorgen ist. Hersteller müssen untereinander kommunizieren, um ihre Produkte in einem Materialzyklus zu integrieren. Entweder benutzen sie ein Abfallprodukt eines anderen Herstellers oder sie wissen, wer ihre eigenen Abfallprodukte verwerten kann – optimalerweise beides. 

Warum sich dieser Aufwand lohnt, zeigt ein Blick auf die Vorteile.

Die Vorteile der Kreislaufwirtschaft

Der offensichtlichste Vorteil der Kreislaufwirtschaft besteht darin, dass weniger Rohstoffe abgebaut werden müssen. Dadurch fallen finanzielle und ökologische Kosten des Abbaus weg. Laut Schätzungen der “Ellen MacArthur”-Stiftung würde die EU mit einem zirkulären Wirtschaftsmodell jährlich bis zu 630 Milliarden US-Dollar (etwa 518 Milliarden Euro) an Materialkosten einsparen. Gleichzeitig wird die Rohstoffversorgungssicherheit erhöht, weil Wertstoffe nicht ungeachtet entsorgt und Rohstoffquellen geschont werden.

Die Weiterverwendung und die hohen Recyclingraten sollen idealerweise dafür sorgen, dass außerdem keine künstlichen Stoffe in die Umwelt gelangen. Das heißt, keine alten Reifen werden irgendwo im Wald abgeladen und Plastik driftet nicht länger in unsere Weltmeere. Auf die Frage, was mit den 50 Millionen Tonnen Plastikmüll passiert, die sich bereits in den Ozeanen befinden, gibt es bisher allerdings nur dürftige Antworten. 

Für Konsumenten kann Kreislaufwirtschaft vor allem weniger Kosten bedeuten, da Produkte auf Langlebigkeit ausgerichtet sind und somit seltener ersetzt werden müssen. Außerdem dürften die geringen Materialkosten in vielen Sektoren die Einkaufspreise von Produkten senken. Durch Leasing-Modelle werden Geräte zunehmend gemietet, wodurch Verbraucher diese flexibler nutzen können.

Die Umsetzung der Kreislaufwirtschaft

Es gibt bereits zahlreiche Unternehmen, die beweisen, dass Zirkularität rentabel ist. Die Ansätze sind vielfältig, innovativ und meist erstaunlich simpel.

Die chinesische Firma “Broad Sustainable Building” baut Hochhäuser nach dem Lego-Prinzip. Die Baukomponenten werden in einer Fabrik vorgefertigt und müssen am Ziel nur noch zusammengesteckt werden. Einerseits reduziert diese Bauweise die Kosten und Bauzeit enorm. Andererseits, und das ist das entscheidende, lassen sich die Gebäude wieder in ihre Einzelteile zerlegen, welche dann für andere Projekte zur Verfügung stehen. 

Ein anderes Beispiel ist die Firma “Bundels” in den Niederlanden, welche kostengünstig Waschmaschinen vermietet. Die Maschinen werden regelmäßig gewartet. Mittels Sensoren werden Wasser-, Strom- und Waschmittelverbrauch überwacht. So kann sichergestellt werden, dass die Maschinen ihre maximale Lebensdauer erreichen und lange Profit bringen. 

In Deutschland ist der Werkstoffhersteller Covestro Vorreiter, wenn es um zirkuläres wirtschaften geht. Mit Cardyon hat die Firma einen Polyol (Ausgangsstoff für Weichschaum in Autoinnenräumen und Matratzen) entwickelt, der zu 20% aus Kohlenstoffdioxid besteht. Bei der Produktion werden so gleichzeitig Erdöl eingespart und CO2 reduziert. 

Die Pläne der Bundesregierung

Mittlerweile steht fest: wer künftig eine wirtschaftliche Rolle spielen möchte, denkt zirkulär. Weltweit arbeiten Firmen und Staaten an neuen Konzepten, um den Konkurrenten einen Schritt voraus zu sein und sich mit der Nachhaltigkeits-Medaille zu zieren. Die Europäische Union hat zuletzt im März vergangenen Jahres einen Aktionsplan für Kreislaufwirtschaft vorgestellt, der Europa auf eine grüne Zukunft vorbereiten soll. 

Um die europäische Richtlinien auch in Deutschland umzusetzen, beschloss die Bundesregierung im Sommer 2020 eine Erweiterung des Kreislaufwirtschaftsgesetzes, welches 2012 in Kraft trat. Darin ist zum Beispiel die berühmte Müllhierarchie verankert, an deren Spitze die Müllvermeidung steht. Neu sind unter anderem die Erhöhung der Recyclingquoten, die Obhutspflicht der Produktverantwortlichen und die Verpflichtung zur Abfallberatung. Was für die einen zu viel war, war für andere zu wenig. Vertreter des Handelsverbandes Deutschland und des Deutschen Industrie- und Handelskammertags kritisierten, dass die neuen Regelungen den ohnehin schon geschwächten Handel zu sehr beeinträchtigten. Andere Lager, darunter der NABU, sind der Meinung, die Erweiterung ginge nicht weit genug.

Deutschland hat gute Voraussetzungen, um der linearen Wirtschaft lebewohl zu sagen,  aber wie Eric Rehbock (Geschäftsführer des Bunderverbandes für Sekundärrohstoffe und Entsorgung) kommentierte, fehle nach wie vor der Wille das Ruder herumzureißen.

Die Hürden der Kreislaufwirtschaft

Viele Geschäftsmodelle basieren auf einer linearen Wirtschaftsweise. Wenn diese Unternehmen überleben wollen, müssen sie sich nicht nur anpassen, sie müssen sich von Grund auf neu erfinden. Lieferketten und Produktion müssen transparenter werden – ein Schritt, zu dem viele Firmen nicht bereit sind. Es ist damit zu rechnen, dass besonders große Unternehmen ihre Reformation hinauszögern und stattdessen an kleinen Produkten schrauben werden, um ihre etablierte Stellung auf dem Markt beizubehalten. 

Des weiteren bedeutet der geringe Ressourcenverbrauch für Bergbau- und Ölindustrie rund 1 Million weniger Arbeitsstellen, wobei man dies mit den 18 Million neuen Arbeitsstellen aufwiegen kann, welche laut Internationaler Arbeitsorganisation bis 2030 im grünen Sektor entstehen.

Letzten Endes hängt der Erfolg der Kreislaufwirtschaft aber auch von uns ab, den Konsumenten. Langlebigkeiten von Produkten ergibt nur Sinn, wenn wir diese auch lange nutzen bzw. bereit sind, Sachen aus zweiter Hand zu kaufen oder zu leasen. Genauso scheitert selbst der effizienteste Materialzyklus, wenn wir Produkte bei uns zu Hause horten statt sie dem Markt zurückzugeben, wenn wir sie nicht mehr benötigen. 

Wirtschaftsmodell der Zukunft?

Für viele klingt Kreislaufwirtschaft noch eher nach einer Zukunftsvision, als nach einem funktionierenden Wirtschaftssystem. Dabei existieren schon jetzt etliche Firmen, die ihre Rohstoffe aus alten Produkten beziehen und ihnen so ein neues Leben schenken. Die Europäische Union und Deutschland haben die ersten Schritte zur Kreislaufwirtschaft bereits in geltendes Recht umgesetzt. Es geht voran. Vielleicht langsamer als sich Vorreiter erhofft hatten, vielleicht schneller als Kritiker befürchtet hatten. Doch die Richtung ist eindeutig: in der Natur wird alles wiederverwendet, warum also nicht in unserer Wirtschaft?

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Ohne Erdöl: Bioökonomie, Bioplastik, Biokraftstoff – Basis oder Nische?

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.

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Die Zusammensetzung unserer Luft und ihre Folgen

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

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Grüne Stadt vs. Klimawandel: Stadtbegrünung für ein bessers Stadtklima

Grüne Stadt: Fassadenbegrünung mit Algen

Solaga develops natural solutions to improve air quality. Our ongoing research is aimed at providing sustainable solutions for the biofiltration of air pollutants and for decentralized energy production. These should be dedicated to the solution of today's environmental problems.

The research is focused on the development of new façade elements and is based on the technical use of biofilms as well as findings of basic research on subaeric biofilms and results of applied research on the colonisation tendency of thermal insulation composite systems. At the end of the project, the first façade elements planted with algae biofilms will be produced for houses and gardens:

 

Fassadenbegrünung

  • attractive appearance all year round 
  • Capture of air pollutants 
  • Improvement of the urban climate by reducing the inner-city heat island effect 
  • Increasing biodiversity in urban areas 
  • low weight per unit area and easy installation 
  • low maintenance effort

Nehmen Sie gerne Kontakt mit uns auf

Die Stadtentwicklung, die durch den Bau von Häusern, Wohnblöcken und Industrieanlagen gekennzeichnet ist, hat zu einer Verringerung der Grünflächen in städtischen Gebieten geführt. Städtische Gebiete sind eine treibende Kraft für Industrie und Innovation, und ihre nachhaltige Entwicklung ist eine der Hauptaufgaben für die Zukunft. In 20 Jahren werden 2/3 der Bevölkerung in Städten leben, die das Zentrum der Urbanisierung in den Ländern sind. Viele Jahre lang konzentrierten sich die Debatten über die Urbanisierung auf die Entwicklung der intelligenten Stadt, doch nun haben sich die Machthaber auf die Lebensqualität und das Wohlergehen ihrer Einwohner konzentriert. Diese beiden Aspekte umfassen eine Kette von Faktoren, die aus städtischer Mobilität, Beschäftigung, individuellem Wohlbefinden und dem Bau von Erholungsgebieten für die Bewohner besteht. Eine solche Stadt ist Singapur, wo das Wachstum der Grünflächen zu einem Zustrom talentierter Menschen geführt hat, die dies als Vorteil der Stadt erkannt haben. In Deutschland hingegen zwingt die Verschmutzung der Stadtzentren die Entwicklung von Grünflächen weiter voranzutreiben. Grünflächen in Städten wirken sich nicht nur auf Wohlbefinden, Gesundheit und Stressabbau aus, sondern beeinflussen auch den Energieverbrauch von Gebäuden und das Mikroklima der Stadt, was mit verstärkten Investitionen in Stadtplanung und Architektur verbunden ist.

Forscher aus Berlin, Hongkong, London, Los Angeles und Melbourne untersuchten die Morphologien der einzelnen Städte und kamen zu dem Schluss, dass sich der geografische und klimatische Kontext auf die Lärm-, Staub- und Wärmebelastung auswirkt. In Zusammenarbeit mit dem Institut für städtische Ökophysiologie der Humboldt-Universität zu Berlin entwickelten die Forscher Ergebnisse zur Wirkung von Pflanzen und nutzten sie in dreidimensionalen Simulationen, um den Nutzen von Grünflächen in diesen fünf Städten zu bewerten. Gemeinsam kamen sie zu dem Schluss, dass sie die Auswirkungen von städtischen Wärmeinseln, Lärm und Feinstaub reduzieren. Grüne Gebäudehüllen können den Staubgehalt in der Luft um bis zu 20% und den Verkehrslärm um bis zu 10 dB(A) reduzieren.

Geringere Luftverschmutzung:

Die Politiker versuchen, die Luftverschmutzung durch den Autoverkehr zu reduzieren. Leider sind ihre Versuche erfolglos geblieben und haben nicht das von der Weltgesundheitsorganisation empfohlene Niveau erreicht, so dass weitere Maßnahmen erforderlich sind.

Mit Hilfe von Luftströmungssimulationen untersuchten die Forscher, wie Straßenräume und Gebäudetypologien in den fünf oben untersuchten Städten die Luftströmung in und um Gebäude beeinflussen. Dabei wurde eine Windgeschwindigkeit von 4 m/s verwendet und die Wirksamkeit der grünen Fassade, die als Staubfilter für den Standort diente, vorhergesagt. Von besonderer Bedeutung ist die Blattdichte, die mit dem Blattflächenindikator gemessen wird. Die Anordnung der Vegetation variiert in Abhängigkeit von der Kontaminationsquelle und der Windrichtung. Bei stark befahrenen Straßen wird eine niedrige Vegetation und eine Begrünung in den unteren Bereichen der Windschutzfassaden empfohlen, die die von den Fahrzeugen strömende Luft reinigt, bevor sie die angrenzenden Gebäude erreicht. Betrachtet man die gesamte Stadt, ist der Reinigungseffekt viel geringer und beschränkt sich auf den direkten Raum, die Straße der Stadt. Dennoch ist es eine gute Möglichkeit, die Luftqualität an einem bestimmten Ort zu verbessern.

Geringere Lärmbelästigung:

Die Forscher führten zwei verschiedene Simulationen durch, um abzuschätzen, inwieweit grüne Fassaden den Lärm in verschiedenen Städten reduzieren. Das erste Experiment untersuchte die akustischen Auswirkungen verschiedener Aspekte der Stadtplanung. Das zweite Experiment untersuchte die kumulativen Auswirkungen auf typische Räume in fünf Städten. In jedem Experiment verglichen die Forscher die Option mit und ohne Grünflächen. Die untersuchten Parameter waren: Tiefe, Länge und Höhe von Gebäuden und Wohnblöcken sowie die Breite von Straßen. Die Schlussfolgerungen waren unmissverständlich. Grüne Fassaden reduzierten den Lärmpegel des Verkehrs und anderer Quellen um 10 dB(A). Dieser Effekt trat bei einer niedrigeren Frequenz in unmittelbarer Nähe der Quelle auf, nahm aber mit zunehmender Entfernung von der Schallquelle zu, bis der Umgebungslärm zu dominieren begann. Der Grüneffekt macht sich besonders nachts bemerkbar, wenn einzelne Schallquellen den Hintergrundlärm dominieren. Wissenschaftliche Studien zeigen, dass grüne Fassaden das schlechte Gefühl reduzieren. In Belgien wurde eine Umfrage durchgeführt, und Personen, die von zu Hause aus keinen Blick auf das Grün haben, beschweren sich fünfmal häufiger als Personen, die das Grün von einem Fenster aus sehen. Labortests haben gezeigt, dass Grün die Lärmwahrnehmung im Vergleich zu anderen Farben reduziert.

Verminderter Wärmeinseleffekt:

Wie im vorigen Artikel erörtert, sind städtische Wärmeinseln Gebiete in Städten, in denen die Temperaturen höher sind als in den umliegenden Gebieten. Die Natur ist eine der besten und effektivsten Möglichkeiten, die Auswirkungen von städtischen Wärmeinseln zu reduzieren. Die Vegetation absorbiert Energie von der Sonne und das aus ihr verdampfende Wasser kühlt ab. Die Blätter der Bäume spenden dem Straßenbelag Schatten und schützen ihn vor hohen Temperaturen. Wissenschaftler haben den Fluss von grünen Gebäudehüllen auf einzelne Gebäude und auf das städtische Mikroklima simuliert und mit der Literatur verglichen. Zu diesem Zweck entwarfen sie ein Modell eines typischen Bürogebäudes mit dem gleichen technischen und strukturellen Standard für jede der fünf untersuchten Städte, wie er in Kalifornien gesetzlich vorgeschrieben ist. Die Simulationen zeigten, dass die Bildung von städtischen Wärmeinseln und deren Abkühlung von klimatischen und städtischen Faktoren abhängt. Das Ergebnis war, dass grüne Fassaden ~50% der Sonneneinstrahlung von der Straße entfernen und den Gehkomfort erhöhen. Die Wirkung von Grünflächen ist in dicht bebauten Stadtzentren am größten, wo das Verhältnis von Höhe zu Breite der Straße 2°C beträgt und die Simulationen einen Temperaturabfall auf 10°C vorhersagen. Grünflächen mildern Spitzenbelastungen, die durch städtische Hitzeinseln bei starken Hitzewellen verursacht werden. In gut begrÃ?nten StÃ?dten wie Berlin haben grÃ?ne Fassaden weniger Wirkung als in dicht besiedelten StÃ?dten wie London und Madrid.

Die wichtigsten Vorteile Begrünung in einer Stadt 

– Sauerstoffproduktion: Eine Person braucht etwa 180 kg Sauerstoff pro Jahr; 

– Kühlung/Befeuchtung der Luft

– Reinigung der Stadtluft  Schadstoffen

– Stressreduktion

– Das Grün bereichert die Fauna der Stadt

– Wertsteigerung von Immobilien

Zukünftiges Potential 

Grünflächen sind kleine Ökosysteme für Städte. Mit zunehmender Urbanisierung werden die Bevölkerung in den Städten und die Stadtbewohner zusätzlichen Belastungen durch den Klimawandel ausgesetzt sein; Überbevölkerung, unkontrolliertes Wachstum von Gebäuden und kleine Grünflächen werden nicht mehr ausreichen. Gebäude in Städten haben ein ungenutztes Potenzial, das Städte lebenswerter und krisensicherer macht. Ein Beispiel für eine solche Stadt ist Singapur, wo Grünflächen eine gebildete Bevölkerung anziehen und halten. In ihrer Nachhaltigkeitsstrategie strebt die Stadt bis 2030 0,8 Hektar Grünflächen pro 1.000 Einwohner und 50 Hektar grüne Fassaden und Dachgärten an.

Die derzeit verfügbaren umweltfreundlichen Gebäude und Begrünungssysteme sind hoch innovativ. Um die Wirkung der grünen Fassaden zu erhalten, sollten auch alte Gebäude in einem ökologischen System bewirtschaftet werden.

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Welche Wirkung hat CO2 auf die Erderwärmung und den Klimawandel?

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.

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EEA: Luftverschmutzung (etc.) mit extremen Folgen für die Gesundheit

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.  

Luftverschmutzung 

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. 

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Biomimicry, Biomimetik, Bionik: Natur – Lösung – Wissenschaft

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

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Urban Heat Island: Städtische Wärmeinseln und Stadtklima

Städtische Wärmeinseln sind eine Besonderheit des Stadtklimas. Sie entstehen durch Beton und Asphalt für Straßen und Gebäude in urbanen Räumen.

Eine städtische Wärmeinsel (Urban Heat Island, UHI) ist ein Ballungsgebiet mit einer viel höheren Temperatur als die umliegenden ländlichen Gebiete. Die Wärme wird durch die Energie erzeugt, die von allen Autos, Bussen, Zügen und Menschen in den Großstädten, z.B. Paris, New York und London gehören, kommt. Städtische Wärmeinseln entstehen in hoch aktiven Gebieten mit einer hohen Bevölkerungszahl. Studien der EPA haben gezeigt, dass in vielen Städten der USA die Lufttemperatur im UHI um 5,6℃ höher ist als in der umgebenden Natur.

BesonderheitOberfläche UHIAtmosphärische UHI


Zeitliche Entwicklung
– Zu jeder Tages- und Nachtzeit anwesend- Am intensivsten tagsüber und im Sommer– Kann tagsüber klein oder nicht vorhanden sein- Am intensivsten nachts oder in der Morgendämmerung und im Winter

Spitzenintensität (intensivste UHI-Bedingungen)
– Mehr spärliche und zeitliche Variation:×Tag: von 18 bis 27 °F (10 bis 15℃ )×Nacht: von 9 bis 18 °F (5 bis 10℃)-weniger Variation×Tag: -1,8 bis 5,4 °F (-1 bis 3℃ )×Nacht: 12,6 bis 21,6 °F (7 bis 12℃)
Typische Identifizierungsmethode-Indirekte Messung:×FernerkundungDirekte Messung:×Feste Wetterstationen×Mobile Traversen
Typische Darstellung-Thermisches Bild-Isothermen-Karte-Temperatur-Diagramm
Tabelle 1. Grundlegende Charakteristik von oberirdischen und atmosphärischen städtischen Wärmeinseln (UHI).

Entstehung in Städten

Städtische Wärmeinseln entstehen durch den Ersatz der Vegetation durch Beton und Asphalt für Straßen, Gebäude und andere Strukturen, die notwendig sind, um die hohe Bevölkerungszahl unterzubringen. Häuser, Geschäfte und verschiedene Industriegebäude werden dicht beieinander gebaut, und die verwendeten Baumaterialien isolieren sehr gut oder erhalten die Wärme, so dass die Isolierung die Bereiche um die Gebäude herum wärmer macht. Diese Gebäude „absorbieren“ die Sonnenwärme, anstatt sie zu reflektieren, wodurch die Oberflächen- und Umgebungstemperaturen steigen. Hohe Gebäude in Kombination mit engen Straßen erwärmen die zwischen ihnen eingeschlossene Luft und verringern so ihren Durchfluss. Die Vegetation der Stätte wird verdrängt oder zerstört, wodurch der natürliche Kühleffekt der Beschattung und die Verdunstung von Wasser aus Blättern und Boden verringert wird. Ein weiteres Beispiel ist die „Abwärme“. Diese Abwärme wird von den Menschen und ihren Autos oder Fabriken erzeugt, die Energie, die die Menschen verbrennen, wird immer als Wärme freigesetzt, und sie hängt nicht davon ab, ob die Menschen täglich fahren, laufen oder leben. Die einfache Schlussfolgerung lautet: Je mehr Menschen an einem Ort sind, desto mehr Wärme wird erzeugt. Im Vergleich zu ländlichen Gebieten sind städtische Gebiete dicht besiedelt, so dass die Gebäude dicht aneinander gebaut werden. Manchmal bauen Ingenieure aufgrund von Platzmangel in der Stadt riesige Wolkenkratzer. All diese Bauten bedeuten eine große Wärmeverschwendung, denn die von der Isolierung erzeugte Wärme kann nirgendwohin, also bleibt sie in und zwischen den Gebäuden auf der städtischen Wärmeinsel.

Warum sind Wärmeinseln interessant?

Erhöhte Temperaturen von kleineren Hitzeinseln, insbesondere im Sommer, haben Auswirkungen auf die Lebensqualität und die Umwelt einer Gemeinde. Einige Wärmeinseln haben positive Auswirkungen, wie z.B. die Verlängerung der Vegetationsperiode von Pflanzen, die meisten haben negative Auswirkungen:

– erhöhter Energieverbrauch

– erhöhte Emissionen von Schadstoffen, Luft und Treibhausgasen

– reduzierte Wasserqualität

– Auswirkungen auf Gesundheit und Komfort des Menschen.

Auswirkungen auf die Umwelt

Städtische Wärmeinseln haben einen Einfluss auf die Temperaturänderungen in der Umwelt. Sie können das ganze Jahr über auftreten, Tag oder Nacht. Der Temperaturunterschied zwischen Stadt und Land ist oft an ruhigen, sauberen Abenden am größten. Ländliche Gebiete kühlen nachts schneller ab als Städte, die die entstehende Wärme akkumulieren. Dies führt zu einem signifikanten Temperaturunterschied zwischen dem Land und der Stadt, der zwischen drei und fünf Stunden nach Sonnenuntergang liegt. Nachts bleibt die Temperatur im UHI hoch, da Gebäude, Parkplätze und Bürgersteige die vom Boden kommende und in den kalten Nachthimmel aufsteigende Wärme blockieren. Die Wärme bleibt auf niedrigeren Niveaus, so dass die Temperatur höher ist. 

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Corona/COVID-19 Übertragung, Verlauf: Luftverschmutzung u. Feinstaub

Zu Beginn der Ausbreitung von Covid-19 waren die beiden Regionen in Italien mit der höchsten Sterblichkeit die Regionen mit der höchsten Luftverschmutzung. Ein Großteil der Bevölkerung in Städten ist einer Luftverschmutzung über dem Grenzwert ausgesetzt.

Luftverschmutzung

Luftverschmutzung beeinträchtigt die Umwelt und die menschliche Gesundheit. In den letzten Jahren ist die Zahl der Stoffe, die die Luft verschmutzen, zurückgegangen, was zur Verbesserung der Luftqualität in Europa beigetragen hat. Leider ist die Luftverschmutzung immer noch zu hoch, vor allem in städtischen Gebieten, wo die Emissionen viel höher sind. Das Überschreiten kritischer Werte für Stoffe wie Ozon, Kohlendioxid und Feinstaub ist lebensbedrohlich. Luftverschmutzung ist nicht nur ein Problem für das Land, aus dem sie emittiert wurde, sondern auch ein globales Problem, denn sobald sie in die Atmosphäre gelangt, kann sie eine Verschlechterung der Luftqualität in anderen Ländern verursachen.

Ozon, Kohlendioxid und Feinstaub sind die häufigsten Luftschadstoffe und gelten als gesundheitsgefährdend. Die meisten Feinstaubpartikel werden durch Abrieb von Bremsbelägen, Reifen und Kupplungen verursacht. Die langfristigen Auswirkungen dieser Stoffe auf den menschlichen Körper können zu Gesundheitsproblemen, wie z.B. Erkrankungen der Atemwege, und zum vorzeitigen Tod führen. Bei weniger Feinstaub ist die Zahl der Todesfälle viel geringer. Die wissenschaftliche Forschung berichtet, dass es einen Zusammenhang zwischen Partikeln und Lungenentzündung gibt. In beiden Fällen, d.h. bei kurzer und langer Exposition gegenüber suspendierter Flüssigkeit, wurde eine höhere Anzahl von Fällen von Krankenhausbehandlung beobachtet. Bei Kindern verursacht Feinstaub Allergien und Mittelohrentzündungen. Eine weitere schädliche Substanz ist Benzopyren, ein Karzinogen, das in vielen Gebieten Europas, insbesondere in Mittel- und Osteuropa, über dem Schwellenwert liegt.

Particulate matter

Ein Feinstaub ist ein kleines und fast unsichtbares Feststoffteilchen. Sie werden in drei Klassen eingeteilt:

  • Partikel mit 10 Mikrometer Durchmesser (PM10)
  • Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 2,5 Mikrometern (PM2,5)
  • Partikel mit einem Durchmesser von 1 Mikrometer oder weniger (PM0,1).

Sekundäre Feinstaubpartikel entstehen im Zusammenhang mit Stoffen und Gasen, z.B. Ammoniak, die mit den Abgasen von Strassenverkehr und Industrie reagieren. Auch Stickstoffdioxid wird als Vorläufer von Feinstaub (Sekundärpartikel) gezählt.
Feinstaub entsteht in Kraftwerken, Feuerungsanlagen, Heizsystemen und Verbrennungsprozessen. In Städten trägt der Verkehr zur Bildung großer Mengen von Feinstaub bei, wobei hier der Reifenverschleiß und die Abnutzung von Autoreifen eine größere Rolle spielen als die Abgase. In der Landwirtschaft entsteht bei der Ausbringung von Gülle auf die Felder Ammoniak als Dünger, der mit den Schwefeloxiden und dem Stickstoff in der Luft reagiert.
Es ist wissenschaftlich erwiesen, dass Feinstaub für die menschliche Gesundheit schädlich ist. Manchmal reichern sich gefährliche Verbindungen wie Schwermetalle oder Aluminium, die krebserregend wirken, auf der Oberfläche der Partikel an. Feinstaub an sich ist ebenfalls lebensbedrohlich. Das Risiko steigt, wenn die Partikel klein sind. Sie dringen dann tiefer in die Atemwege ein und gelangen über die Lungenbläschen sogar in die Blutbahn. Dies führt zu einer Konzentration des Blutes im Körper und zum Auftreten von Infarkten. Sie tragen auch zu kleinen Schlaganfällen bei, die durch ihr Eindringen in das Gehirn verursacht werden.
Dies wird durch Studien der Weltgesundheitsorganisation (WHO) und der US-Umweltschutzbehörde (EPA) bestätigt. Sie haben viele epidemiologische Studien über die Auswirkungen von Feinstaub und seine Folgen für die menschliche Gesundheit durchgeführt. Die Ergebnisse waren schlüssig und zeigten, dass selbst eine kurzzeitige Exposition gegenüber Feinstaub der Klasse II (PM2,5) die Sterblichkeitsrate beeinflusst und die Situation von Menschen mit Atemwegs- und Kreislaufproblemen verschlechtert. Ähnliche Ergebnisse wurden bei Studien über Feinstaub der Klassen eins und drei erzielt. Das langfristige Vorhandensein dieser Partikel hat zu ähnlichen Ergebnissen geführt.

Zu Beginn der Ausbreitung von Covid-19 in Italien beobachteten Wissenschaftler, dass die beiden Regionen in Italien mit der höchsten Sterblichkeit und den höchsten Virusinfektionen die Regionen mit der höchsten Luftverschmutzung waren. Orte, an denen die Luft verschmutzt ist, haben so genannte Hotspots, an denen die Herde größer ist. In Italien ist die Zahl der mit dem Virus infizierten Menschen doppelt so hoch wie in anderen europäischen Ländern und auch in China. US-Wissenschaftler führten ein Experiment durch, um die Auswirkungen der Luftverschmutzung auf die Sterblichkeit von Covid 19 zu untersuchen. In ihren in der Vorveröffentlichung beschriebenen Ergebnissen stellten sie fest, dass bereits ein Mikrogramm mehr Partikel pro Kubikmeter Luft die Sterblichkeit um durchschnittlich 8% erhöht. Zu ähnlichen Ergebnissen kamen Forscher der Universität Halle-Wittenberg, als sie die von Covid-19 betroffenen Regionen in Europa analysierten.
Studien berichten, dass Feinstaub als Träger des Virus gilt. Dies zeigt zum Beispiel die Auswertung der Europäischen Umweltagentur. Sie stellten fest, dass der Wert von PM10 die europäischen Grenzwerte und die von der WHO festgelegten Werte überschreitet. Mit der Festlegung von Grenzwerten sollten verschiedene Gesundheitsgefährdungen ausgeschlossen werden. Wissenschaftler aus den USA und Deutschland befassen sich auch mit dem Feinstaub und der durch Autoabgase verursachten doppelten Oxidation von Stickstoff. Dies hat in diesen Ländern zu einem Fahrverbot für Autos mit Diesel als Kraftstoff geführt. Die Wissenschaftler kommen zu dem Schluss, dass selbst ein geringer Anstieg der Menge dieser Gase in der Luft den Krankheitsverlauf von Menschen, die an Covid-19 erkrankt sind, beeinflussen kann.
Die Tatsache, dass Luftverschmutzung Atemwegsinfektionen beeinflusst, ist nichts Neues. Dies wurde in einer vor vielen Jahren durchgeführten Studie über SARS-CoV deutlich. Dabei wurden zwei Regionen in Asien verglichen. Die eine war mit mäßiger und die andere mit hoher Luftverschmutzung. Es zeigte sich, dass das Sterberisiko in einer Region mit mässiger Luftverschmutzung 86% höher und doppelt so hoch war. Es ist wahrscheinlich, dass im Fall der Grippeepidemie von 1918/1919 die Luftverschmutzung auch die Ausbreitung des Grippevirus beeinflusst hat.

Luftqualität und Corona

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den USA und Deutschland haben zahlreiche Studien durchgeführt und kommen zu ähnlichen Ergebnissen. Sie kommen zu dem Schluss, dass die Verschlechterung der Luftqualität als Indikator für die Häufigkeit des Auftretens schwerer Fälle herangezogen werden kann. Damit könnte die Frage beantwortet werden, warum junge Menschen ernste Symptome zeigen, wenn sie mit dem Virus infiziert sind. Statistiken zeigen, dass Luftverschmutzung und Lungenentzündung in Deutschland höher sind als in Italien, so dass Luftverschmutzung allein nicht die einzige Ursache zu sein scheint. Auch andere Faktoren spielen bei der Erkrankung eine Rolle, aber Statistiken zeigen, dass Atembeschwerden und Lungenentzündungen bei Kindern durch teuren Staub verstärkt werden. Allerdings infizieren sich Kinder selten mit dem Covid-19-Virus oder zeigen Symptome davon.
Einige der Studien sehen jedoch keinen Zusammenhang zwischen Covid-19 und Feinstaub. Eine interessante Tatsache ist, dass die Patienten nie daraufhin untersucht wurden, ob sie Raucher sind. Rauchen ist einer von vielen Faktoren, die Atemwegsprobleme und Lungenentzündung beeinflussen, oder derselbe wie Covid-19. Rauchen erhöht das Risiko von Herz-Kreislauf-Erkrankungen, was als eine bedeutende und gefährliche Erkrankung angesehen wird, die bei Covid-19 besteht.
Andere Gründe mögen für die Ausbreitung des Virus wichtiger sein, aber ohne echte wissenschaftliche Forschung werden viele Faktoren vorerst übersehen werden. In Norditalien zum Beispiel altert die Bevölkerung und es gibt Gesundheitsprobleme. In diesem Fall kann selbst ein kleines Bekenntnis die Ausbreitung der Krankheit beeinflussen. Hinzu kommt, dass ältere Menschen hauptsächlich bei ihren Familien leben, so dass sich die Krankheit schneller ausbreiten kann, auch wenn die Ängstlichen nicht nach draußen gehen und die Jungen es tun.

Wissenschaftler behaupten, dass „Luftverschmutzung für Covid-19 nicht unbedeutend ist“, aber sie betrachten es nicht nur als direkten Träger des Virus, sondern gehen auch davon aus, dass sich die Risikofaktoren, die eine Virusinfektion beeinflussen, summieren können. Menschen mit Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen haben bei hoher Luftverschmutzung mit größerer Wahrscheinlichkeit einen schwereren Krankheitsverlauf. Wissenschaftler liefern noch keine genauen Daten über die Auswirkungen einer Kontamination auf das Herz-Kreislauf-System. Feinstaub kann nur einer von vielen Faktoren sein, die die Ausbreitung des Virus beeinflussen. Wissenschaftler gehen davon aus, dass auch die Übertragung durch den Menschen wichtig sein könnte. Es ist noch ungewiss, ob die Infektion über die Luft übertragen werden kann und ob neue Viren über eine Entfernung von mehreren Kilometern ansteckend sein können. Es gibt immer noch keine genauen wissenschaftlichen Studien darüber, ob die Luftverschmutzung mit der Verbreitung von Covid-19 zusammenhängt.
Die Wissenschaftler benötigen mehr Daten, und viele Fragen sind noch unbeantwortet. Wissenschaftliche Forschung zeigt nur verlässliche statistische Korrelationen auf. Ob die Luftverschmutzung tatsächlich die Ursache von Covid-19 ist, kann derzeit nicht eindeutig beantwortet werden. Es gibt viele Theorien, Hypothesen und erste Ergebnisse, die Wissenschaftler zur Charakterisierung des aktuellen Virus verwenden. Je mehr sie über die Eigenschaften des Virus wissen, desto besser können in Zukunft vorbeugende Massnahmen getroffen werden, um eine neue Pandemie zu vermeiden.

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Corona-Gefahr in Innenräumen: Aerosole und COVID_19

Mittlerweile gilt als bekannt, dass sich das COVID-19-Virus in Innenräumen schnell verbreiten kann. Als Grund gelten in der Luft vorhandene Partikel: Aerosole.

Was sind Aerosole?

Aerosole sind ein kolloidales Gemisch aus flüssigen oder festen Partikeln, die in der Atmosphäre schweben. Diese schwebenden Partikel können auch als Aerosolpartikel oder Aerosolpartikel bezeichnet werden. Sie machen einen kleinen Teil der atmosphärischen Masse aus, haben aber einen erheblichen Einfluss auf das Klima und die Biogeochemie. Die Aerosolpartikel können nicht nur die atmosphärische Strahlung verändern, sondern auch die Eigenschaften der Wolken beeinflussen. Wegen der Bedeutung von Aerosolen für das Klima, die Biogeochemie und die menschliche Gesundheit werden Aerosolpartikel seit vielen Jahren untersucht.

Klassifizierungskriterien von Aerosolen sind: Größe, Herkunft, Entstehungsart, chemische Zusammensetzung, optisch-physikalische Eigenschaften und Wirkung im Klimasystem.

Die Größe der Aerosole ist die wichtigste Eigenschaft. Das Größenspektrum der Aerosole reicht von Molekülen mit einem Durchmesser von weniger als einem Nanometer bis hin zu großen und sichtbaren Bakterien, Algen, Pflanzenteilen, Pollen, Staubkörnern und Niederschlag. Atmosphärische Aerosole können Veränderungen unterworfen sein, z.B. Koagulation von kleinen Molekülen zu großen Molekülen, Verdampfung von flüssigen Bestandteilen der Moleküle oder Kondensation von gasförmigen Bestandteilen der Moleküle.

Es wird auch zwischen primären und sekundären Aerosolen klassifiziert. Primäre Aerosole befinden sich direkt in der Luft, z.B. Meersalz und Staub. Zu den Aerosolpartikeln, die von Menschen und Tieren stammen, gehören : Haar- oder Hautabfälle, Brochosomen und Eier, die von Insekten in die Atmosphäre emittiert werden. Tabelle 1 zeigt Arten von primären Aerosolpartikeln mit Beispielen von Mikroorganismen.

Arten von primärer AerosolpartikelnBeispiel
Biologische Organismen oder Ausbreitungseinheiten (lebendig oder tot, aggregiert oder isoliert)Bakterien, Algen, Pilze, Protozoen, Sporen, Pollen, Flechten, Archaeen, Viren usw.
Feste Fragmente, Asscheidungen von biologischen Organismen oder AusbereitungseinheitenDetritus, mikrobielle Fragmente, Pflanzenreste/Laub, Tier Gewebe und Exkremente und Brochosomen usw.
Tabelle 1. Charakteristische Arten von primärer Aerosolpartikeln.
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Nachhaltiges Bauen: Ökologisch, ökonomisch und sozial

Der Begriff „Nachhaltigkeit“ stammt aus der Forstwirtschaft und ist bereits 300 Jahre alt. Durch übermäßige Rodung kam es zu einer Verknappung der Ressource Holz. Nachhaltiges Handeln im damaligen Sinne war also ein Gleichgewicht zwischen Rodung und Nachwachsen der Bäume zu finden und herzustellen, um weiterhin Holz als Ressource zur Verfügung zu haben.

Unser heutiges Verständnis von Nachhaltigkeit wurde hauptsächlich von dem 1987 veröffentlichten Brundtland-Bericht der Weltkommission für Umwelt und Entwicklung der Vereinten Nationen geprägt. In diesem Bericht wird unter nachhaltigem Handeln verstanden, die Bedürfnisse der derzeitigen Generationen zu befriedigt, ohne zukünftigen Generationen die Lebensgrundlage zu nehmen oder ihre Möglichkeiten ihren Lebensstil frei zu wählen einzuschränken. 

Die Enquete-Kommission des Bundestages entwickelte 1998 das drei Säulen Modell der Nachhaltigkeit, nachdem zur nachhaltigen Entwicklung gleichzeitig und gleichwertig ökologische, ökonomische und soziale Aspekte berücksichtigt werden müssen.

Die Ziele des nachhaltigen Bauens können aus diesen Dimensionen der Nachhaltigkeit abgeleitet werden: Nachhaltigkeit verbindet Ökologie mit ökonomischen Zielstellungen und sozialen Aspekten.

Ökologische Dimension

Im Bereich der ökologischen Dimension ist das Ziel die Minimierung der Umweltbelastungen auf lokaler und globaler Ebene. Es werden alle Stoff- und Energieströme von der Gewinnung der Rohstoffe für die Baumaterialien bis zum Rückbau des Gebäudes betrachtet. In allen Lebensphasen soll der Verbrauch von Energie und Wasser minimiert, Ressourcen geschont sowie der Einsatz von Baumaterialien optimiert werden. 

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Wasserstoff: Grüner Energieträger der Zukunft?

Heizungen, Autos, Raketen – all diese Dinge brauchen Energie, und bei allen kann dazu als nachhaltiger Energieträger Wasserstoff Verwendung finden. Die Forschung um erneuerbare Energien ist aktuell und allgegenwärtig, doch was genau sind die Vorteile von Wasserstoff und wie kann er genutzt werden?

Wasserstoff (chemisches Symbol: H) wurde 1766 vom englischen Chemiker und Physiker Henry Cavendish entdeckt. Lavoisier, der dieses Gas weiter untersuchte, nannte es „hydro-gène“, was so viel bedeutet wie „wassererzeugend“. Das liegt daran, dass Wasser zusammen mit Sauerstoff schnell zu Wasser reagiert, was in der Chemie auch als Wasserstoff-Nachweis mithilfe der sogenannten Knallgasprobe genutzt wird.

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Wasserstoff – Eigenschaften

Es ist das leichteste aller Elemente und mehr als zehnmal leichter als Luft. Normalerweise ist es gasförmig und farb-, geschmack- und geruchlos. Der übliche Wasserstoff setzt sich aus einem Proton und einem Elektron zusammen, allerdings gibt es zwei weitere Isotope, die zusätzlich jeweils ein bzw. zwei Neutronen enthalten. Deuterium wird auch schwerer Wasserstoff genannt und hat ein Neutron im Kern, ist aber, genau wie der häufigste Wasserstoffisotop, der „normale“ Wasserstoff, stabil. Tritium, der sogenannte überschwere Wasserstoff mit zwei zusätzlichen Neutronen, hingegen, ist instabil. Aus diesem Grund zerfällt Tritium und strahlt dabei radioaktive Strahlung ab.

Im Universum ist Wasser das am häufigsten vorkommende chemische Element, was es auch sehr geeignet zur nachhaltigen Energieerzeugung macht. Allerdings liegt Wasser auf der Erde nie in elementarer Form, sondern nur gebunden vor: es bildet das Wasserstoffmolekül H2 und kommt in der Atmosphäre meistens an Sauerstoff gebunden als Wasser (H2O) oder zusammen mit Kohlenstoff als Methan (CH4). Sowohl Wasser als auch Methan kommen auf der Erde sehr häufig in verschiedenen Formen vor. Außerdem enthalten die meisten organischen Verbindungen (das sind Verbindungen, die Kohlenstoff beinhalten, wie z.B. Zellulose, Zucker, Öle, Fette und viele andere) Wasserstoff.

Gewinnung

Aufgrund der Eigenschaft , nur gebunden vorzuliegen, muss er jedoch zur energetischen Nutzung zunächst von seinen ursprünglichen Molekülen abgespalten werden, denn er kann eben nur aus diesen gewonnen werden.

Eine Methode, die auch zur Herstellung von grünem Wasserstoff mithilfe von erneuerbaren Energien angewandt werden kann, ist die Elektrolyse von Wasser. Dieses Verfahren besteht schon fast so lange, wie man den Wasserstoff überhaupt entdeckt hat. Dabei wird das Wasser durch das Anschließen von Strom in seine Bestandteile zerlegt. Weil andere Methoden wirtschaftlich sinnvoller sind, wird die Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff in der Industrie meistens nur dann genutzt, wenn dafür regenerative Energien zur Verfügung stehen. Der so gewonnene Wasserstoff wird auch grüner Wasserstoff genannt, weil dabei keine Treibhausgase entstehen, keine fossilen Energieträger verbraucht und keine Atomenergie benötigt wird.

Sogenannter grauer Wasserstoff entsteht aus fossilen Brennstoffen. Bei der am häufigsten genutzten Methode, der Dampfreformierung, wird Erdgas bei hoher Hitze in CO2 und Wasserstoff umgewandelt. Da das hierbei entstehende CO2 sich ungenutzt mit der Luft in der Atmosphäre vermischt, verschlimmert diese Methode allerdings den Treibhauseffekt und ist deshalb nicht besonders umweltfreundlich. Weil sie aber billiger ist als die Elektrolyse von Wasser, wird sie bisher hauptsächlich angewendet.

Eine weitere umweltschonende Methode zur Herstellung von Wasserstoff sind Grünalgen. Sie produzieren diesen auf natürliche Weise mithilfe von biologischen Mechanismen. Die für die Herstellung von Wasserstoff benötigte Energie ziehen die Algen sich aus der Sonnenstrahlung. Dieses Verfahren ist ökologisch sehr sinnvoll. In diesem Bereich wird fleißig geforscht. Genau wie auch Grünalgen, können auch Blaualgen Wasserstoff herstellen. Ingenieur.de berichtet, dass es Forschern aus Israel gelungen ist, Blaualgen genetisch so verändern, dass sie ihre Wasserstoffproduktion deutlich erhöht haben. Normalerweise produzieren diese Bakterien kaum mehr Wasserstoff, sobald Sauerstoff vorhanden ist, was sie für die industrielle Wasserstoffproduktion eher ungeeignet mache. Es sei allerdings gelungen, die Herstellung von Wasserstoff auch unter Sauerstoffzufuhr zu vervierfachen. Zusätzlich werde nun versucht, das für die Wasserstoffproduktion verantwortliche Enzym der Blaualgen, die Hydrogenase, synthetisch herzustellen. Es wird erhofft, durch eine erhöhte Konzentration dieser Enzyme in Blaualgen Wasserstoff in industriellem Maßstab produzieren zu können.

Verwendung

Wasserstoff kann auf unterschiedliche Arten verwendet werden.

Einerseits können damit synthetische Gase hergestellt werden, die zum Beispiel Erdgas ersetzen.

Andererseits wird in Brennstoffzellen Wasserstoff in Wärme und Strom umgewandelt. Brennstoffzellen bestehen aus einem galvanischen Element, das die Elektrolyse von Wasser sozusagen umkehrt. Der Soff wird in durch eine Membran getrennten Räumen zur Reaktion gebracht, wobei die chemische Energie in Form von elektrischem Strom und Wärme frei wird.

Auf diese Weise werden seit den 1960er Jahren Raketen angetrieben. Auch Zeppeline wurden mit Brennstoffzellen angetrieben. Nach dem Unglück der Hindenburg, bei dem sich der leicht entzündliche Wasserstoff durch den Absturz entzündete, war Wasserstoff aber wegen seiner Explosivität nicht mehr so beliebt. Davon abgesehen gibt es Wasserstoff-Autos, bei denen die Brennstoffzelle für den Strom sorgt, den der Elektromotor benötigt. Sie tanken regelmäßig Wasserstoff auf. Auch Brennstoffzellenheizungen verbreiten sich immer mehr. In Japan wurden bereits ganze Gebäudekomplexe damit ausgestattet.

Wasserstoff – Nachhaltigkeit

Grundsätzlich ist Wasserstoff ökologisch nachhaltiger als alternative Energiequellen und -träger wie Erdöl, Erdgas oder Energie, die durch Kernspaltung gewonnen werden. Denn er ist in vielen verschiedenen organischen und anorganischen Verbindungen in der Atmosphäre und auch im restlichen Universum reichlich vorhanden und wird, anders als beispielsweise Erdgas, bei der Verbrennung nicht verbraucht. Natürlich bleiben die einzelnen Atome des Ausgangsstoffs immer erhalten, allerdings kann aus dem bei der Verbrennung von Wasserstoff entstehenden Wasser beispielsweise durch Elektrolyse wieder Wasserstoff gewonnen werden, während bei der Verbrennung von Erdgas unter anderem CO2 entsteht. Das ist nicht nur schädlich für die Atmosphäre, sondern bedeutet auch, dass aus den Verbrennungsprodukten nicht so einfach wieder das ursprüngliche Erdgas synthetisiert werden kann. Zusätzlich entstehen bei der Verbrennung von Wasserstoff keinerlei Emissionen, was seine Verwendung besonders umweltfreundlich macht.

Allerdings ist Wasserstoff keine primäre Energiequelle, wie zum Beispiel Erdöl, sondern lediglich ein Energieträger. Würde er in elementarer Form auf der Erde vorliegen, könnte er direkt zur Energieerzeugung verwendet werden, aber da er zunächst von anderen Molekülen abgespaltet werden muss, dient er nur als Energieträger. Denn er transportiert u.a. die Energie, die verwendet wurde, um ihn herzustellen. So kommt es in Bezug auf die Nachhaltigkeit von Wasserstoff nicht nur auf die Wirksamkeit bei der direkten Anwendung, sondern auch auf die Art der Herstellung an. Wurde Wasserstoff mithilfe von Atomenergie gewonnen, liegt er in puncto erneuerbare Energien nicht besonders weit vorne, auch wenn er für ein Wasserstoffauto benutzt wird. Ganz anders sieht es allerdings aus, wenn Wasserstoff durch regenerative Energien gewonnen wird. Dieser grüne Wasserstoff wird besonders gefördert und wie auch eine Strategie des Bundeskabinetts zeigt, soll Deutschland in Zukunft zu den Ländern gehören, die weltweit am meisten klimafreundliche Wasserstoff-Energie nutzen. Dazu wäre es optimal, mit Sonnen- und Windkraftanlagen so viel Strom zu erzeugen, dass damit wirtschaftlich nachhaltig Wasserstoff produziert und für andere Anwendungen weiterverwendet werden kann.

Insgesamt ist Wasserstoff ein guter Energieträger, der andere Energieträger wie Erdgas oder Erdöl ersetzen könnte, wenn er ausreichend effizient produziert wird. Die Frage, wie nachhaltig und grün Wasserstoff als Energieträger ist, lässt sich aber nicht pauschal beantworten und ist vor allem davon abhängig, wie er hergestellt wird. Alte Verfahren wie die Elektrolyse und neue Verfahren wie die biologische Wasserstoffproduktion mithilfe von Grün- und Blaualgen haben noch viel Potenzial und könnten dabei ihren Beitrag zu einer grüneren Energiebereitstellung leisten.

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