Den Weg zu einer Kreislaufwirtschaft für Kunststoffe einschlagen

Jul 19, 2023

von Hayley Hilborn | 8. August 2023 | Features, Fulton Schools

Kunststoffe, technisch besser Polymere genannt, sind für das Funktionieren der modernen Gesellschaft unverzichtbar geworden. Da jedoch Bilder von in Plastik gefangenen Meeresbewohnern, in den Ozeanen treibenden Müllinseln und Mikroplastik in der Umwelt viral gehen, werden die Auswirkungen von Kunststoffen auf das Ökosystem immer deutlicher und die Besorgnis über Umweltschäden durch nicht abbaubare Kunststoffe wächst.

Als Teil einer Lösung des Problems möchten einige Forscher dazu beitragen, eine sogenannte Kreislaufwirtschaft für Kunststoffe zu entwickeln – eine Wirtschaft, in der Materialien durch wiederholte Wiederverwendung, Reparatur und Recycling ihren Wert behalten und nur als letztes Mittel entsorgt werden.

Die Arizona State University ist eine von fünf Universitäten, die vom National Institute of Standards and Technology (NIST) des US-Handelsministeriums mit 500.000 US-Dollar ausgezeichnet wurden, um neue Lehrpläne über eine solche Wirtschaft für Studenten zu entwickeln, die daran interessiert sind, zur Reduzierung von Plastikmüll beizutragen.

Das Förderprogramm „Training for Improving Plastics Circularity Grant“ soll dazu beitragen, die künftigen Arbeitskräfte vorzubereiten, die für den Aufbau einer Kreislaufwirtschaft für Kunststoffe erforderlich sind. Eine Kreislaufwirtschaft erfordert neue Herstellungsmethoden, chemische Prozesse und Trennmöglichkeiten sowie neue Ansätze zur Optimierung des Kunststoffkreislaufs durch die industrielle Lieferkette.

Ein multidisziplinäres Forscherteam der Ira A. Fulton Schools of Engineering und der WP Carey School of Business der ASU stellt sich zusammen mit einem Mitarbeiter der Virginia Tech der Herausforderung, einen Kurs zur Ausbildung der nächsten Generation von Führungskräften im Bereich der ökologischen Nachhaltigkeit zu entwickeln.

Um die große Vielfalt an Themen abzudecken, die für die wirtschaftliche Zirkularität von wesentlicher Bedeutung sind, besteht der einjährige Kurs aus Modulen, die von Experten aus verschiedenen Bereichen unterrichtet werden.

Das Team wird von Tim Long geleitet, Professor für Chemieingenieurwesen an der School for Engineering of Matter, Transport and Energy, Teil der Fulton Schools, und Direktor des Biodesign Center for Sustainable Macromolecular Materials and Manufacturing (SM3) der ASU. Er ist außerdem Mitmitglied der ASU School of Molecular Sciences.

Kevin Dooley, ein angesehener Professor für Supply Chain Management an der WP Carey School of Business, wird ein Modul zum Thema Supply Chain Management leiten und dabei seine Erfahrung aus der Zusammenarbeit mit über 100 der weltweit größten Einzelhändler und Hersteller nutzen, um Tools zu entwickeln, mit denen Fortschritte gemessen und verfolgt werden kritische Herausforderungen der Produktnachhaltigkeit.

Jennifer Russell, Assistenzprofessorin in der Abteilung für nachhaltige Biomaterialien der Virginia Tech, ist Expertin für den Materialfluss in wirtschaftlichen Konsum- und Produktionssystemen. Ihr Modul wird den Studierenden Strategien zur Integration zirkulärer Wirtschaftssysteme und -praktiken in nachhaltige Biomaterialien vermitteln.

Jay Oswald, außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der Fulton School, wird sein Fachwissen in der Computermodellierung der Mechanik von Materialien nutzen, um ein Modul zu unterrichten, das sich auf die Optimierung nachhaltiger Herstellungsprozesse konzentriert.

Abgerundet wird das Team durch eine Gruppe von Chemieingenieuren der ASU, darunter außerordentlicher Professor Matthew Green und die Assistenzprofessoren Renxuan Xie, Chris Muhich, Eileen Seo und Kailong Jin.

Als Vorbereitung auf den Unterricht in ihrem Kursmodul schloss sich Seo dem Engineering for One Planet-Stipendium an, einer Initiative, die Pädagogen besser darüber informieren soll, wie sie Nachhaltigkeit in ihren Lehrplan integrieren können. Im Kursabschnitt von Seo werden Strategien zur Entwicklung von Verbundwerkstoffen untersucht, die Phasenwechseleigenschaften nutzen können, um Materialien wie Kunststoff abzubauen.

„Ich habe diesen Rahmen verwendet, um mein Kursmodul so zu gestalten, dass es kritisches Denken, Design und Materialauswahl einbezieht – alles, was mit Nachhaltigkeit zu tun hat“, sagt Seo. „Anstatt also darüber nachzudenken, wie wir mit einem bereits hergestellten Material umgehen können, werden wir uns darauf konzentrieren, wie wir Materialien von Anfang an unter Berücksichtigung der Nachhaltigkeit entwerfen.“

Jin, der über Erfahrung mit Dünnschichtmaterialien verfügt, wird den Studierenden Strategien zur Entwicklung abbaubarer Verpackungskunststoffe mit Gasbarriereeigenschaften vorstellen.

„Ein Teil unserer Mission besteht darin, etwas zu entwickeln, das wir einen transportablen Lehrplan nennen“, sagt Long, „einen Lehrplan, der mit einer Volkshochschule, einer Universität in einem ländlichen Gebiet oder einer Universität in einem städtischen Gebiet geteilt werden könnte.“ Wir wollen diese Studienmodule weiterentwickeln und als Modell für andere Universitäten zur Verfügung stellen. Diese Annahme wäre ein großer Erfolg für das Programm. Jedes Modul kann aus dem Lehrplan herausgenommen und in die eigenen Programme eingefügt werden.“

Die Module beginnen mit einem Vorlesungsschwerpunkt und gehen dann in die Laborarbeit über, um Studenten und Doktoranden praktische Möglichkeiten zu geben, mit der neuesten Technologie zu arbeiten, um ihnen zu helfen, Werkzeuge der nächsten Generation zu verstehen, mit denen sie eine Kreislaufwirtschaft aus Kunststoffen vorantreiben können.

Ein Teil der Projektfinanzierung wird für die Installation neuer Instrumente, sogenannter Nachhaltigkeitstools, im SM3-Zentrum des Biodesign Institute der ASU verwendet, wo der Kurs stattfinden wird.

Long betont, wie wichtig der Zugang zu den Technologien ist, die zur Verbesserung der Zirkularität eingesetzt werden.

„Unser Ziel ist es, die nächsten Nachhaltigkeitsführer in der Belegschaft auszubilden“, sagt Long. „Um das zu erreichen, brauchen wir neuartige Werkzeuge, Werkzeuge, die man normalerweise nicht erwarten würde. Wir wollen ein erschwingliches Werkzeug entwickeln, das seinen Weg auf eine kommunale Mülldeponie findet, oder es könnte seinen Weg zu einer Universität finden, die nicht über die Ressourcen verfügt, um derzeit hochpreisige, anspruchsvollere Instrumente zu kaufen.“

„Ein Teil des Ziels besteht nicht nur darin, nichtkonventionelle Werkzeuge neben herkömmlichen Werkzeugen zu platzieren, sondern auch neue Werkzeuge zu entwickeln, die transportierbar und hinsichtlich ihrer Wirkung integrativer sind“, fügt Long hinzu.

Die Studierenden helfen bei der Entwicklung dieser Werkzeuge und Experimente zur Messung von Eigenschaften wie Abbauraten, Gasdurchlässigkeit und Abfallstromtrennung. Sie lernen außerdem, ihre Ergebnisse zu analysieren und zu präsentieren.

„Wir können diese Instrumente auch für unsere eigene Forschung nutzen“, sagt Jin. „Es ist also eine Win-Win-Situation für Forschung und Bildung.“

Die Entwicklung einer Kreislaufwirtschaft ist für die Gesundheit des Planeten von entscheidender Bedeutung, und das öffentliche Interesse hat die Industrie unter Druck gesetzt, Lösungen zu entwickeln. Jin weist darauf hin, dass sowohl Unternehmen als auch Universitäten aus verschiedenen Gründen auf der Suche nach Nachhaltigkeitsexperten sind.

„Nachhaltigkeit steht derzeit bei vielen Unternehmen im Fokus. Viele setzen sich das Ziel, bis zu einem bestimmten Datum klimaneutral zu sein, und die Kreislaufwirtschaft bei Kunststoffen ist sicherlich eines der Kriterien“, sagt Jin. „Wenn Doktoranden ihren Doktor- oder Masterabschluss abschließen, wird von ihnen erwartet, dass sie sich dem Forschungs- und Entwicklungsteam eines Unternehmens anschließen. Sie sind die Zukunft des Unternehmens und treiben die Materialinnovation voran.“

Da die Herausforderung der Entwicklung einer Kreislaufwirtschaft Änderungen in jedem Herstellungsschritt erfordert, ist Long der Ansicht, dass dieser Kurs für Studenten aller akademischen Disziplinen geeignet ist, die sich für Nachhaltigkeit interessieren.

„Letztendlich könnte jeder Student der Universität diesen Kurs belegen, etwa Studenten der Business School, die Experten für Lieferkettenanalyse, Kreislaufwirtschaft, Lebenszyklusanalyse und technoökonomische Analyse sind“, sagt Long. „Wir brauchen solche Studenten, die direkt neben Ingenieuren arbeiten. Wir brauchen auch Sozialwissenschaftler, die in den Kurs eingebunden werden, um Diskussionen und Partnerschaften zu fördern, die für die Verwirklichung einer Kreislaufwirtschaft für Kunststoffe so wichtig sind. Ich kann mir keinen Studenten vorstellen, der nicht im Kurs willkommen geheißen würde.“

Die Entwicklung des Kurses ersetzt den Vorschlag der Gruppe für ein Forschungspraktikumsprogramm der National Science Foundation, das sich auf die Entwicklung nachhaltiger Polymere konzentriert. Das Programm widmet sich der effektiven Ausbildung von MINT-Absolventen und -Studenten in interdisziplinären oder konvergenten Forschungsbereichen und stellt Mittel für die Entwicklung eines innovativen Praktikumsmodells bereit, das auf zukünftige Arbeitskräfte- und Forschungsbedürfnisse eingeht.

Diese Praktikumsmöglichkeit ermöglicht es Doktoranden, interdisziplinäre Forschung in einem angewandten Umfeld durchzuführen, um greifbare, effiziente Lösungen zu entwickeln.

Long betrachtet diesen vom NIST finanzierten Kurs nur als den Anfang für die Erweiterung des Studienangebots innerhalb des Biodesign Institute für Studenten aller Fachrichtungen.

„Unsere Vision ist es, ein neues Bildungsmodell zu schaffen. Zuerst müssen wir den Lehrplan entwickeln, sicherstellen, dass unsere Kurse das tun, was wir uns erhoffen, und dann auf ein Zertifikat für nachhaltige Polymere umsteigen und schließlich auf ein Studienprogramm umsteigen“, sagt Long.

„Das ist unser Ziel: den Studierenden die Möglichkeit zu geben, dies jetzt sowohl persönlich als auch virtuell zu lernen, damit wir so inklusiv wie möglich sind. Ich denke, die ASU wird sich dann schnell zu einer der fünf besten Universitäten in nachhaltiger makromolekularer Wissenschaft und Technik entwickeln.“

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