Eine neue Sicht auf Kunststoffe
Forscher des Woods Hole Oceanographic Institution sagen, dass die Berücksichtigung der Persistenz von Plastik die Umweltauswirkungen minimieren kann
Woods Hole, Massachusetts – Da die Verschmutzung durch Plastik eine erhebliche Gefahr für Ökosysteme und die menschliche Gesundheit darstellt, gibt es verschiedene Strategien zur Eindämmung dieser Art von Verschmutzung. Dazu gehören die Reduzierung der Plastikproduktion, die Verringerung der Entstehung von Plastikmüll sowie die Verbesserung von Material und Produktdesign von Plastikartikeln.
Nun haben Forscher eine Nachhaltigkeitsmetrik für das ökologische Design von Kunststoffprodukten entwickelt, die in der Umwelt nur eine geringe Persistenz aufweisen. Die Einhaltung dieser Metrik könnte erhebliche ökologische und gesellschaftliche Vorteile bringen, so eine neue Studie unter der Leitung von Forschern der Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), die in der Zeitschrift ACS Sustainable Chemistry & Engineering veröffentlicht wurde.
„Obwohl die Plastikverschmutzung Ökosysteme und die menschliche Gesundheit bedroht, nimmt die Verwendung von Plastikprodukten weiter zu. Um den Schaden zu begrenzen, sind Designstrategien für Plastikprodukte erforderlich, die die Bedrohungen berücksichtigen, die Plastik für die Umwelt darstellt. Daher haben wir eine Nachhaltigkeitsmetrik für das Ökodesign von Plastikprodukten mit geringer Umweltbeständigkeit und kompromissloser Leistung entwickelt“, heißt es in der Studie.
Die Entwicklung von Einwegkunststoffen nach diesem Ansatz kann erhebliche Auswirkungen haben. Analysen in der Studie zufolge könnte die Umstellung auf alternative Materialien für Einweg-Kaffeebecherdeckel, wie Cellulosediacetat und Polyhydroxyalkanoate, die Umweltkosten für die Gesellschaft um Hunderte Millionen Dollar senken.
Im Allgemeinen werden Produkte so konzipiert, dass sie umweltfreundlich sind, indem man vor allem verschiedene Umweltprobleme wie Treibhausgasemissionen und Ressourcenverknappung gegeneinander abwägt, da es einige Rahmenwerke und Datensätze gibt, um diese Arten von Auswirkungen abzuschätzen. Um dieses Ziel zu erreichen, wird häufig eine bestimmte Kunststoffart einer anderen vorgezogen. Bislang wurde jedoch in keinem Rahmenwerk zur Materialauswahl die Umweltbeständigkeit oder die Zeit, die ein Kunststoffgegenstand als Verschmutzung in der Umwelt verbleibt, als zentrales Umweltproblem berücksichtigt oder quantifiziert.
„Es ist wichtig zu bestimmen, wie wir funktionale, nachhaltige und umweltfreundliche Materialien, Produkte und Prozesse entwickeln können, die alle Prinzipien der grünen Werkstofftechnik in der zukünftigen Welt, in der wir leben werden, verkörpern“, sagte der Hauptautor Bryan James, ein Materialwissenschaftler und Ingenieur, der als Postdoktorand in der Abteilung für Meereschemie und Geochemie des WHOI arbeitet. „Was sind die nächsten Strategien und Werkzeuge, die Ingenieure, Produktdesigner und sogar der Durchschnittsverbraucher nutzen können, um die besten Entscheidungen für die Umwelt zu treffen, ohne Abstriche bei der Produktleistung machen zu müssen?“
Um die Nachhaltigkeitsmetrik zu entwickeln, haben die Forscher „die Umweltabbaurate von Kunststoff in etablierte Materialauswahlstrategien integriert und daraus Materialindizes für die Umweltbeständigkeit abgeleitet. Unsere Analyse identifiziert die Materialien und ihre Eigenschaften, die Entwicklung, Einführung und Investitionen verdienen, um funktionale und weniger umweltschädliche Kunststoffprodukte zu schaffen“, heißt es in der Studie.
Die Entwicklung und Umsetzung einer Nachhaltigkeitsmetrik für die Beständigkeit war eine Herausforderung, da für die große Bandbreite an Kunststoffen, die in Konsumgütern verwendet werden, nicht genügend Daten zur Verfügung standen. Erst seit kurzem verfügen Wissenschaftler über ausreichende Daten zu realistischen Umweltabbauraten verschiedener Kunststoffarten, sodass sie die Eigenschaften verschiedener Kunststoffarten besser berücksichtigen und im Design berücksichtigen können.
Mit diesen Daten zeigen die Forscher nun, dass der Austausch eines Kunststoffmaterials gegen ein anderes zwar die Kosten und die Treibhausgasemissionen eines Produkts senken kann, dieser Wechsel aber einen weitaus größeren Nutzen in Bezug auf die Minimierung der Umweltlebensdauer und der Beständigkeit mit sich bringen könnte. Wenn ein Produktdesigner beispielsweise nur Kosten und Treibhausgasemissionen berücksichtigt, wäre Polymilchsäure eine gute Wahl. Dieses Material bleibt jedoch im Meer. Cellulosediacetat und Polyhydroxyalkanoate sind derzeit zwar nur geringfügig teurer als Polymilchsäure, können jedoch geringere Treibhausgasemissionen aufweisen und bleiben nicht im Meer.
„99 Prozent der bisher veröffentlichten Artikel über die Verschmutzung durch Plastik zeigen uns, wie schlimm sie ist. Dieser Artikel betrachtet das Thema aus einer viel zukunftsorientierteren Perspektive und beschäftigt sich mit der Frage, wie man ein Problem auf sinnvolle wissenschaftliche Weise angeht, die erreichbar, umsetzbar und wirtschaftlich tragfähig ist“, sagte Co-Autor Christopher Reddy, leitender Wissenschaftler in der Abteilung für Meereschemie und Geochemie des WHOI.
Die Forscher wandten die Metrik beispielsweise auf die Neugestaltung eines alltäglichen Einweg-Plastikartikels an: Kaffeebecherdeckel. Derzeit werden jedes Jahr Milliarden Einweg-Kaffeebecherdeckel verwendet, was etwa fünf Prozent aller Plastikabfälle entspricht, die bei Küstenreinigungsaktionen weltweit eingesammelt werden. Anhand von drei verschiedenen derzeit im Einsatz befindlichen Kaffeebecherdeckeln – darunter Deckel aus Polymilchsäure, Polypropylen und Polystyrol – untersuchten die Forscher, welches auf dem Markt erhältliche Deckelmaterial die Umweltbelastung am meisten reduziert.
„Was ist besser: ein Deckel, der etwas mehr Treibhausgase ausstößt, aber weniger lange in der Umwelt verweilt, oder ein Deckel, der weniger Treibhausgase ausstößt, aber länger bestehen bleibt? Um diese Frage zu beantworten, haben wir beide Optionen in Dollar bewertet, und zwar in Bezug auf die Herstellungskosten des Produkts und die Kosten für die Umwelt und die Ökosystemleistungen“, sagte James. „Einfach Produkte herzustellen, die weniger lange verbleiben, weil sie nicht mehr existieren oder schneller verschwinden, reduziert diese Kosten für die Gesellschaft enorm.“
„Wenn Sie mit der Herstellung eines neuen Kaffeebecherdeckels beauftragt werden, der nachhaltig und umweltfreundlich sein soll, und Sie herausfinden müssen, welcher Kunststoff am besten für die Umwelt ist, wird derzeit bei der Frage „umweltfreundlich“ vielleicht berücksichtigt, wie viel Energie zur Herstellung des Kunststoffs verbraucht wird oder wie viele Treibhausgase ausgestoßen werden. Die derzeitigen Kalkulationen eines Designers berücksichtigen jedoch nicht, wie langlebig der Deckel ist. Was Bryan mit der Entwicklung dieser Metrik geleistet hat, ist bahnbrechend“, fügte Reddy hinzu, der James zusammen mit Co-Autor Collin Ward, Wissenschaftler in der Abteilung für Meereschemie und Geochemie des WHOI, berät.
„Das Wichtige an dieser Studie ist, dass sie dazu beiträgt, die Diskussion von der Definition des Problems der Plastikverschmutzung weg und hin zu Lösungen für das Problem zu lenken. Plastik ist ein äußerst nützliches Material – es wird so schnell nicht verschwinden. Aber alle sind sich einig, dass die Menge an Plastik, die in die Umwelt gelangt, ein Problem darstellt. Der in dieser Studie vorgestellte Rahmen stellt einen wichtigen ersten Schritt zur Lösung dieses Problems dar, indem Materialien entwickelt werden, die gleichzeitig die Bedürfnisse der Verbraucher erfüllen und nicht bestehen bleiben, wenn sie unbeabsichtigt in die Umwelt gelangen“, sagte Ward.
James merkte an, dass „Wissenschaftler, Ingenieure und Designer durch durchdachte Strategien zur Entscheidungsfindung in Bezug auf gute Designs die Möglichkeit haben, einen bedeutenden Einfluss auf die Plastikverschmutzungskrise auszuüben. Die in dieser Studie entwickelten Messgrößen und Methoden können Designentscheidungen und Forschungsprioritäten so steuern, dass dieses Ziel erreicht wird.“
Diese Arbeit wurde vom Postdoctoral Scholar Program des WHOI unterstützt und durch das Weston Howland Jr. Postdoctoral Scholarship finanziert. Weitere Unterstützung kam vom WHOI Ocean Vision Fund 2030, der US National Science Foundation, dem Seaver Institute und der March Marine Initiative (ein Programm von March Limited, Bermuda) über das Marine Microplastics Innovation Accelerator-Programm des WHOI.
Autoren: Bryan D. James,1,2,* Collin P. Ward1, Mark E. Hahn2, Steven J. Thorpe3 und Christopher M. Reddy1
Mitgliedschaften:
1Abteilung für Meereschemie und Geochemie, Woods Hole Oceanographic Institution, Woods Hole, MA, USA
2Abteilung für Biologie, Woods Hole Oceanographic Institution, Woods Hole, MA, USA
3Fakultät für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Universität Toronto, Kanada
Über die Woods Hole Oceanographic Institution
Die Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) ist eine private, gemeinnützige Organisation auf Cape Cod, Massachusetts, die sich der Meeresforschung, dem Ingenieurwesen und der Hochschulbildung widmet. Die 1930 gegründete Organisation hat sich vor allem zum Ziel gesetzt, den Ozean und seine Wechselwirkung mit der Erde als Ganzes zu verstehen und ein Verständnis für die Rolle des Ozeans in der sich verändernden globalen Umwelt zu vermitteln. Die bahnbrechenden Entdeckungen der WHOI resultieren aus einer idealen Kombination aus Wissenschaft und Ingenieurwesen, die sie zu einem der vertrauenswürdigsten und technisch fortschrittlichsten führenden Unternehmen in der Grundlagen- und angewandten Meeresforschung und -erkundung gemacht hat. Die WHOI ist bekannt für ihren multidisziplinären Ansatz, ihren überlegenen Schiffsbetrieb und ihre beispiellosen Fähigkeiten in der Tiefseerobotik. Wir spielen eine führende Rolle in der Meeresbeobachtung und betreiben die umfangreichste Suite von Datenerfassungsplattformen der Welt. Spitzenwissenschaftler, Ingenieure und Studenten arbeiten weltweit an mehr als 800 gleichzeitigen Projekten zusammen – sowohl über als auch unter den Wellen – und erweitern so die Grenzen des Wissens und der Möglichkeiten. Weitere Informationen finden Sie unter www.whoi.edu
