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Der Lachs gehört ohne Zweifel zu den beliebtesten Speisefischen. Immer neue und immer größere Zuchtbetriebe und Aquakulturen entstehen, um die riesige Nachfrage zu bedienen. Mit Konsequenzen für die Umwelt. Chile ist weltweit einer der wichtigsten Lachsproduzenten – nur Norwegen produziert mehr. Rund 820.000 Tonnen Lachs pro Jahr stammen aus dem südamerikanischen Land - das bringt bis zu fünf Milliarden US-Dollar ein. Doch wie wirkt sich die Massenproduktion auf die Umwelt aus? Deutsche und chilenische Wissenschaftler haben nun zusammen unter der Leitung des Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ die Verschmutzungen der Gewässer durch gelöste organische Stoffe aus Lachsfarmen genauer untersucht. Die Forscher warnen im Fachjournal "Scientific Reports" davor, dass die Ökosysteme durch die Lachszucht massiv belastet und beeinträchtigt werden.

Chiles Lachse ziehen mehrmals um

In der Natur legen Lachse im Laufe ihres Lebens lange Wegstrecken zurück. Die Eiablage findet nahe den Quellgebieten von Flüssen statt, wo der Nachwuchs auch schlüpft und anfangs lebt. Im Laufe ihrer Entwicklung wandern die Fische dann in Richtung Meer, um zur Fortpflanzung abermals zu den Oberläufen der Flüsse zurückzukehren. Die Zuchtfarmen müssen diese unterschiedlichen Lebensräume entsprechend abbilden. Daher gibt es in den klaren chilenischen Oberflüssen einige hundert Aufzucht-Stationen für die Eier und die jüngsten Tiere, größere Lachse leben hingegen in Käfigen in den Seen des Landes, während die ausgewachsenen Tiere in Käfigen vor der Küste im Meer untergebracht sind.

Antibiotika im Quellwasser

Doch diese Lachs-Massenproduktion bleibt nicht ohne Folgen für die Umwelt: Aus den Käfigen für die mittelgroßen und großen Fische rieseln Kot, Futterreste und andere Substanzen in die Seen und Küstengewässer des Landes. Außerdem wird oftmals aus den sauberen und naturbelassenen Flüssen der Anden Wasser für die Aufzuchtstationen abgeleitet, welches flussabwärts verschmutzt wieder eingeleitet wird. UFZ-Biologe Norbert Kamjunke: "Es darf inzwischen zwar kein völlig trübes Wasser mehr eingeleitet werden, dennoch ist es eine Belastung für die Anwohner und die Umwelt gleichermaßen". Die Partikelmenge im wieder eingeleiteten Wasser muss unter bestimmten Grenzwerten bleiben, doch für gelöste Substanzen gibt es solche Vorschriften noch nicht. Tatsächlich haben Kamjunke und Kollegen in einer früheren Studie herausgefunden, dass pro 50 Tonnen gezüchtetem Lachs rund 40 Tonnen gelöstes organisches Material in den Flüssen landen. Zu diesen Substanzen, mit dem Kürzel DOM (Dissolved Organic Matter), gehören die flüssigen Ausscheidungen der Lachse sowie aufgelöste Reste von Futter, aber auch Desinfektionsmittel und Antibiotika.

Organische Stoffe beeinträchtigen Ökosystem

Das Forscherteam hat Wasserproben oberhalb und unterhalb von vier chilenischen Aquakulturen entnommen, und die gelösten Stoffe genauestens analysiert. Generell ist in den naturnahen Flussabschnitten wenig organisches Material gelöst, sodass dort sehr nährstoffarme Bedingungen vorliegen. Durch die Einleitung der Aquakultur-Abwässer gelangen jedoch große Mengen von leicht abbaubaren Verbindungen in die Gewässer. Vor allem Kohlenhydrate, Proteine und Lipide finden sich unterhalb der Anlagen in viel höheren Konzentrationen als oberhalb. „Dadurch verändert sich das ganze Ökosystem", erläutert Kamjunke. Die Bakterien die unterhalb der Anlagen das gelöste organische Material abbauen verbrauchen außerdem sehr viel Sauerstoff, was für viele an saubere und sauerstoffreiche Fließgewässer angepasste Arten lebensbedrohlich ist.

Grenzwerte könnten Gewässer schützen

Eine frühere Studie der Magdeburger Forscher konnte außerdem zeigen, dass selbst bei bakterien-optimalen Bedingungen wie hohen Temperaturen und langsamen Fließgeschwindigkeiten die Belastungen erst etwa 2,7 Kilometer unterhalb der Anlage wieder abgebaut sind. Laut den Forschern spräche demnach vieles für festgelegte Grenzwerte für die eingeleiteten DOM-Konzentrationen. Die Forscher plädieren zudem dafür, an den chilenischen Flüssen keine weiteren Aquakulturen mehr einzurichten. Für neue Lachsfarmen in den Seen haben die Behörden bereits einen Genehmigungsstopp verhängt. Daher gibt es bei den Betreibern nun Überlegungen, auch die Haltung der mittelgroßen Lachse von den Seen in die Flüsse zu verlegen. „Das könnte theoretisch durchaus klappen", so Norbert Kamjunke, „ökologisch gesehen aber wäre es überhaupt keine gute Idee".

jmr

Gartenmöbel und Zäune aus Tropenholz sind wegen ihrer edlen Optik beliebt. Auch Hersteller von Holz-Musikinstrumente schätzen die exotischen Hölzer seit Langem. Für Geigen- und Gitarrenbauer ist jedoch die Klangeigenschaft des Holzes entscheidend. Heimische Hölzer konnten bislang in punkto Akustik nicht mithalten. Die Verwendung von Tropenhölzern ist jedoch seit Langem umstritten. Weltweiter Waldverlust, illegale Rodungen und umstrittene Formen der Waldwirtschaft haben sowohl den Bestand als auch dem Image der edlen Hölzer geschadet. Viele Tropenhölzer, darunter die zum Gitarrenbau bevorzugten Palisanderhölzer, stehen daher unter Artenschutz, was den Handel erschwert.

Heimische Thermo-Tonhölzer für den Gitarrenbau

Beim Bau von Gartenmöbeln konnte sich inzwischen eine Alternative zu Tropenholz durchsetzen: Indem heimische Hölzer thermisch behandelt werden. Für Zupf- und Streichinstrumente war dieses Verfahren bisher nicht geeignet. Der Grund: Musikinstrumente sind zu anspruchsvoll, um die  Holzeigenschaften zu ersetzen. Diese Hürde haben Forscher der Hochschule für nachhaltige Entwicklung Eberswalde (HNEE) nun genommen. Einem Team um Alexander Pfriem, Vizepräsident für Forschung und Technologietransfer der Hochschule, ist nun die Weiterentwicklung der thermischen Behandlung gelungen. Dadurch wurden die Klangeigenschaften lokaler Holzarten durch die Verbesserung der Schallgeschwindigkeit im Holz sowie der Schallabstrahlung optimiert. 

Klang und Ästhetik überzeugend 

Mithilfe der durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Methode entstand so erstmals eine Gitarre, deren Elemente, Korpus, Hals und Kopf komplett und nicht nur partiell aus heimisch behandelten Tonhölzern statt Tropenholz besteht. Das entscheidende: Sowohl bei den klanglichen als auch ästhetischen Eigenschaften überzeugt die Thermoholz-Gitarre, wie Gunther Reinhardt von der Reinhardt Best Acoustics GmbH betont: „Das Klangergebnis der Thermoholz-Gitarren hält dem Vergleich mit den aus Tropenholz gefertigten Gitarren mehr als Stand.“ Auf der diesjährigen Frankfurter Musikmesse vom 5. bis 8. April werden Reinhard und Pfriem die neuen Gitarren und das Verfahren einer breiten Öffentlichkeit vorstellen.

Vielversprechender Tropenholzersatz

HNEE-Forscher Pfriem ist sogar überzeugt, dass die Einsatzmöglichkeiten für das neuartige Thermoverfahren weit aus größer sind. „Die Zukunftschancen für thermisch behandeltes Holz als Substitut zu Tropenholz sind vielversprechend“, betont er. Noch in diesem Jahr will der Vizechef der HNEE ein Innovationsnetzwerk zum Thema Tropenholzersatz namens „SubMat4Music“ gründen.

bb

Den Begriff der Bionik gibt es zwar erst seit etwa Mitte des 20. Jahrhunderts, doch die Idee dahinter - nämlich die in der Natur vorkommenden Formen und Figuren in der Industrie anzuwenden – ist wesentlich älter. So ersann Leonardo da Vinci bereits im 16. Jahrhundert Flugmaschinen nach dem Vogel-Vorbild. Nicht erst seit dem Lotuseffekt bei Oberflächen steht die Natur inzwischen immer häufiger Vorbild für technische Entwicklungen. 

Evolution als Designwettbewerb

Auch Biomechaniker Claus Mattheck vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) macht sich biologische Prozesse zunutze, wenn er besonders leichte und langlebige technische Bauteile entwickeln will. In seinem neuen Buch „Die Körpersprache der Bauteile – Enzyklopädie der Formfindung nach der Natur" fasst Mattheck diese Erkenntnisse nun erstmals allgemein verständlich und anschaulich zusammen. Im Kern geht es dabei um die Entdeckung, dass in der Natur offenbar eine Universalform gibt, die sich mit einfachen geometrischen Methoden nachbilden lässt. „Die Evolution gleicht einem harten Designwettbewerb. Was zu schwer oder nicht fest genug war, das gibt es nicht mehr“, erklärt der KIT-Professor. „Durchgesetzt haben sich die optimalen Formen.“

Bauteile mit Optimalform sind stabiler

Technische Bauteile, die sich an diesen natürlichen Vorbildern orientieren, besitzen die optimale Form und zeichnen sich durch Stabilität, Material- und Energieeffizienz aus, wie der Wissenschaftler erklärt. Um das Vorbild der Natur für die Technik nutzbar zu machen, entwickelte Mattheck in der Abteilung Werkstoff- und Biomechanik am Institut für Angewandte Materialien (IAM-WBM) des KIT über drei Jahrzehnte verschiedene computergestützte Methoden, später auch vereinfachende computerfreie Denkwerkzeuge wie Schubvierecke, Zugdreiecke und Kraftkegel, um Strukturen zu analysieren und Formen zu optimieren.

Vom Vorbild Baum zur DIN-Norm

Der Biomechaniker untersuchte unter anderem, wie sich Bäume entwickeln und durch lastgesteuert angebautes Holz an mechanischen Schwachstellen selbst reparieren. Daraus leitete er Prinzipien zur Optimierung von Bauteilen ab. Bei seinen Arbeiten stellte Mattheck fest, dass es in der Natur eine Universalform gibt, die sich nicht nur in festen Körpern, sondern auch in Fluiden findet. Sie taucht in Gebirgen ebenso auf wie in Bäumen oder Knochen. Durch Deformation kann sie sich sogar für die gewählte Belastung selbst erzeugen – Mattheck spricht von „Siegen durch Nachgeben“. Inzwischen hat diese Optimal- bzw. Universalform sogar Eingang in die Industrie gefunden und ist Bestandteil der Norm DIN ISO 18459 (Bionik – Bionische Strukturoptimierung).

Innere Stärke durch Verwirbelungen

Neben der äußeren Form-Optimierung für Feststoffe und Fluide entdeckte Mattheck auch noch eine innere Optimierung durch Verformung. Während die äußere Optimalform für eine gleichmäßige Verteilung der Zug- bzw. Druckspannungen auf der Oberfläche des Bauteils sorgt, dient die innere Verformung durch die Bildung von Wirbeln einer inneren Optimierung und Stabilisierung. „Diese Wirbel sind sozusagen die Räder der Natur“, sagt Professor Mattheck.In festen Körpern sind die Wirbel zwar weniger stark ausgeprägt, aber sie sind vorhanden und besonders gut im toten Holz entrindeter Bäume zu erkennen. Nach Ansicht des Biomechanikers lässt sich dieses Prinzip  ebenfalls auf technische Bauteile übertragen, und so auch deren innere Stabilität verbessern.

jmr

Aufgrund steigender Energiepreise spielt die Wärmedämmung beim Hausbau eine immer wichtigere Rolle. Dabei rücken zunehmend auch ökologische Dämmstoffe in den Fokus. Die Palette der biobasierten und nachhaltigen Materialien, die sich als Dämmstoffe eignen, ist groß. So können Materialien aus Stroh, Wiesengras, Hanf oder Zelluloseflocken derweil hinsichtlich Wärme- und Lärmschutz längst mit herkömmlichen Isolationsmaterialien wie Mineralwolle mithalten.

Doch noch schrecken Bauherren zu lange Genehmigungsverfahren und Vorurteile häufig noch ab, nachhaltige Dämmmaterialien zu verwenden. Forscher und Industriepartner unter Leitung vom Fraunhofer-Institut für Holzforschung (WKI) wollen das ändern. Ihr Ziel: Baugenehmigungsverfahren beschleunigen helfen. Hierfür wollen sie bezüglich Brand- und Wärmeschutz Materialkennwerte ermitteln und Messverfahren entwickeln. So sollen Daten erfasst werden, um die Feuerwiderstandsdauer von Konstruktionen aus biobasierten Dämmstoffen berechnen zu können. Außerdem ist ein Konzept für ein biobasiertes Wärmedämmverbundsystem nach dem Vorbild der Baustoffklasse B1 geplant, die schwer entflammbare Stoffe aufzeigt. Auch soll das Brandverhalten der pflanzlichen Materialien in einem Brandschutzleitfaden festgehalten werden. 

Nachhaltigkeit mit Fakten untermauern

Hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit wollen die Forschungspartner die Materialien in Abhängigkeit unterschiedlicher Feuchtigkeitsgehalte analysieren, um die derzeit pauschal gewählten Feuchtezuschläge für nachwachsende Dämmstoffe zu korrigieren. Um die Materialeigenschaften leichter nachweisen zu können, sind außerdem neue Messverfahren und für den Schallschutz eine Datenerhebung wie beim  Brandschutz geplant. Damit könnten zukünftig die derzeit noch aufwändigen Bauteilprüfungen entfallen. Ein Ziel des Forschungsverbundes ist es auch, mit den entsprechenden Daten die Nachhaltigkeit dieser ökologischen Dammstoffe klar zu benennen und fassbar zu machen. All diese Maßnahmen sollen langfristig dazu beitragen, dass sich der Marktanteil biobasierter Dämmstoffe erhöht. Das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) unterstützt die Arbeiten im Rahmen des Projekts „ NawaRo-Dämmstoffe - Mehr als nur Dämmung - Zusatznutzen von Dämmstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen“.

Vorurteile und Markthürden abbauen

Erkenntnisse aus NawaRo sollen schließlich auch in das zweite, ebenfalls vom BMEL finanzierte Verbundprojekt „StaR-Dämm - Stärkung nachwachsender Rohstoffe im Dämmstoffmarkt“ einfließen. Hier wollen die Deutsche Umwelthilfe (DUH) und das Thünen-Institut für Holzforschung (TI) mit Fachdialogen und Öffentlichkeitsarbeit strukturelle Hemmnisse gegenüber den nachwachsenden Produkten identifizieren und Lösungsvorschläge entwickeln. Mithilfe wissenschaftlich fundierter Unterlagen wollen die Forscher Ökobilanzen verschiedener Dämmstoffe für den Verbraucher nachvollziehbar machen und damit Vorurteile und Wissenslücken abbauen. Eine aktuelle Marktübersicht von Dämmstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen hat die FNR soeben veröffentlicht.

bb