Das perfekte Polymer

Schkopau. Wer Marcus Vater an seinem Arbeitsplatz besuchen will, muss zuerst am Pförtnerhaus haltmachen, dem Mann hinter der Scheibe den Ausweis vorzeigen – und warten, bis er abgeholt wird. So auch an diesem sonnigen Novembermorgen. Um kurz nach neun fährt Vater in seinem Skoda vor. Fotograf und Reporter steigen ein, die Schranke hebt sich und der Wagen setzt sich in Bewegung, vorbei an den weiten Industrie- und Brachflächen des Dow ValuePark in Schkopau.

Vom DDR-Buna zum Hightech-Chemiestandort

Das rund 1.000 Hektar große Gelände ist ein geschichtsträchtiger Ort. 1935 entstand hier die erste Synthesekautschuk-Fabrik der Welt. Daraus entwickelten sich später die Buna-Werke, der größte Chemiestandort der DDR. „Plaste und Elaste aus Schkopau“ kannte damals jedes Kind. Auch heute werden am Standort Kunststoffe und Chemikalien produziert und es gibt Einrichtungen wie das Fraunhofer-Pilotanlagenzentrum für Polymersynthese und -verarbeitung (PAZ). „Wir sind eine gemeinsame Initiative des Fraunhofer IPA in Potsdam und des Fraunhofer IMWS in Halle“, sagt Vater, der 2009 über seine Diplomarbeit ans PAZ kam. Das eine Institut optimiert Polymere, das andere ihre Verarbeitung. Schkopau bündelt beide Welten – vom Molekül bis zur Maschine.

Auf den Maßstab kommt es an

Damit schließt das PAZ eine Lücke, die bei jeder Innovation entsteht. Haben Forscher einen neuartigen Kunststoff im Labor entwickelt, heißt das nämlich noch nicht, dass er auch in großem Stil hergestellt werden kann. „Bei Polymeren bestimmt der Herstellungsprozess die Eigenschaften“, erklärt Vater. „Und die können sich auf allen Größenebenen ändern.“ Ebenso wie die Probleme bei der Herstellung. Was das bedeutet, erklärt der 41-Jährige bei Filterkaffee im Bürotrakt des PAZ. 

Inzwischen ist auch Jens Balko da, der Leiter des Verarbeitungstechnikums Biopolymere in Schwarzheide. Zusammen arbeiten die Forscher – Vater ist promovierter Ingenieur, Balko hat einen Doktor in Physik – an den unterschiedlichen Enden des Prozesses: Während Vater sich um die Synthese kümmert, startet Balkos Job, wenn das Granulat da ist. „Wir testen, wie gut es sich auf Extrudern oder Blasformanlagen verarbeiten lässt“, sagt der Materialexperte.

Vom Laborkolben in die Anlage

Aber warum ist der Maßstab eigentlich so wichtig? „Wenn ich ein Polymer im Laborkolben produziere, ist Verschmutzung eines der häufigsten Probleme“, erklärt Vater. In kleinen Gefäßen berührt das Material viele Flächen und genau dort setzen sich Fremdstoffe schnell fest. Im mittleren Maßstab dagegen gibt es andere Schwierigkeiten: Das Material neigt etwa zu Verklumpungen. 

Und in großen Anlagen wird das Erhitzen zum kritischen Punkt. Weil jede Synthese andere Anforderungen stellt, bauen die Ingenieure und Mechaniker die Werkhallen ständig um: Reaktoren werden ausgetauscht, Ventile verschraubt, Leitungen verlegt. „Hier sieht es immer aus, als wäre gerade etwas explodiert“, sagt Vater. „Aber genau dieses ständige Umbauen macht mir Spaß.“

 

Nachhaltiger als aus Erdöl

Aktuell arbeiten die Teams von Vater und Balko an der Optimierung von Polybutylensuccinat (PBS). Dieser biologisch abbaubare Kunststoff ist schon seit den 1980ern bekannt. Längst gibt es Produkte aus PBS: Ackerfolien etwa, die Landwirte nach der Nutzung einfach unterpflügen können, weil sie sich zersetzen. 

„Allerdings hat PBS oft eine schlechte Qualität“, erklärt Vater. Zudem fehlen dem Stoff bislang Eigenschaften wie eine hohe Hitzebeständigkeit, die es für die industrielle Fertigung in vielen Bereichen braucht. Hinzu kommt: Hersteller isolieren den PBS-Grundstoff Bernsteinsäure bislang meist aus Erdöl. „Wir dachten: Das muss doch nachhaltiger gehen“, sagt Vater.   
 

Tatsächlich gibt es vielfältigen, biobasierten Ersatz für den fossilen Grundstoff: Strohhalme, die bei der Weizenernte auf dem Feld verbleiben. „Die lassen sich mithilfe genveränderter Bakterien zu Bernsteinsäure verarbeiten“, erklärt der Ingenieur. Das wiederum könnte die regionale Produktion ankurbeln: Im Agrarland Sachsen-Anhalt gibt es schließlich viel Stroh. Wenn auch nicht mehr so viel wie früher. „Die Agrarindustrie hat die Halme über die Jahre klein gezüchtet, um nicht mehr so viele Ernteabfälle zu haben“, sagt Vater. 

„Einer muss so verrückt sein und springen. Und das machen wir hier“
Marcus Vater

Es gibt schon Kissen und Flaschen aus PBS   

Jetzt könnte man die Reststoffe gut gebrauchen. Denn die Anpassung von Rezept und Syntheseverfahren von PBS zeigen bereits Erfolge. „Wir haben herausgefunden, wie die PBS-Moleküle Hitze besser standhalten“, erklärt Balko. „Unsere neuen Moleküle können nun kurzzeitig bis 260 Grad erhitzt werden, genau wie der Kunststoff PET. Das heißt: PBS-Fasern lassen sich in derselben Maschine verarbeiten, bei denselben Temperaturen.“

Die Forscher hoffen, dass solche Optimierungen in Zukunft neue PBS-Produkte möglich machen. „Rock Bags“ etwa: mit Steinen gefüllte Säcke, die im Küstenschutz eingesetzt werden. Bislang werden die aus Polyester oder Polypropylen hergestellt, Stoffen, die im Meer irgendwann zu Mikroplastik zerfallen. Auch PBS-Trinkflaschen und -Kissen haben die Schkopauer zusammen mit Partnern schon gefertigt. 

Derzeit sind Produkte aus biologisch abbaubaren Polymeren noch deutlich teurer als erdölbasierte. „Aber es gibt Prognosen, dass sich das ab 2040 drehen könnte“, sagt Balko. Deshalb sei jetzt die Zeit, sich Gedanken über die industrielle Herstellung zu machen. „Einer muss so verrückt sein und springen“, ergänzt Vater. „Genau das machen wir hier.“

Chemiestandort Schkopau – die Fakten

In Schkopau in Sachsen-Anhalt wurde 1935 die erste Synthesekautschuk-Fabrik der Welt gegründet: die Buna-Werke, benannt nach den Kautschuk-Komponenten Butadien und Natrium. Noch heute produzieren Unternehmen Kautschuk in dem weitläufigen Chemiepark. Seit 2005 arbeitet hier auch das Fraunhofer-Pilotanlagenzentrum für Polymersynthese und -verarbeitung (PAZ).