forschung leben – das Magazin der Universität Stuttgart (September 2021)

Industrie 4.0: Die biologische Transformation kommt

Biointelligenz – wie die Verzahnung von Biologie, Technik und Informatik die Probleme von Morgen löst

Zur digitalen Transformation gesellt sich die biologische Transformation, die immer mehr sogenannte biointelligente Systeme hervorbringen wird.

Biobasierte Materialien

Der Baustoff ist leicht, besitzt gute Dämmeigenschaften und lässt sich gut formen.

Prof. Arnd G. Heyer
Formbare Baustoffe aus Pilz-Myzelium

Die Natur steht längst auch bei der Optimierung der industriellen Produktion Pate. „Eine nachhaltige biologische Transformation der industriellen Wertschöpfung ist sowohl für die Gesellschaft als auch für die Wirtschaft von entscheidender Bedeutung und nicht mehr weiter aufschiebbar“, sagt Prof. Thomas Bauernhansl, Leiter des Instituts für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb (IFF). „Es lassen sich damit sehr viele Probleme lösen, die etwa durch den demografischen Wandel, die Globalisierung, die Individualisierung der Gesellschaft, den Klimawandel oder die weltweit zunehmende Knappheit an natürlichen Ressourcen hervorgerufen werden.“ An der Universität Stuttgart haben sich auf Bauernhansls Initiative hin zahlreiche Institute zusammengeschlossen und das Kompetenzzentrum Biointelligenz gegründet, gemeinsam mit den Fraunhofer Instituten IPA und IGB, der Universität Hohenheim und weiteren Forschungseinrichtungen rund um Stuttgart. Doch was genau bedeutet Biointelligenz?

Pilz-Myzelium
Organisches Material: Aus dem rasch wachsenden Pilz-Myzelium lassen sich formbare Baustoffe herstellen.

Wachsende Strukturen für die Baubranche

Prof. Martin Ostermann, Leiter des Instituts für Baukonstruktion (IBK) der Universität Stuttgart, erforscht beispielsweise die Tauglichkeit von Pilz-Myzelium als Baustoff. „Ziel ist es, das organische Material in die bautechnische Anwendung zu bringen und dadurch eine Alternative zu den bislang verwendeten anorganischen Baustoffen zu entwickeln“, so Ostermann. Dabei kooperiert sein Team mit einer Arbeitsgruppe um Prof. Arnd G. Heyer vom Institut für Biomaterialien und biomolekulare Systeme (IBBS). Das Myzelium, ein schnell wachsender organischer Rohstoff, bildet in Verbindung mit Abfällen aus der Bau- und Agrarindustrie einen plastischen Werkstoff. „Die feinen Fäden des Pilzgeflechts verbinden lose, kleinteilige, organische Fasermaterialien zu festen Formstücken, die nach dem Trocknen als Baustoff dienen können. Er ist leicht, besitzt gute Dämmeigenschaften und lässt sich gut formen“, so der Nachhaltigkeitsexperte. Myzelium wächst innerhalb von wenigen Tagen und kommt ohne energieaufwendige Herstellungsprozesse aus. Es ist vollständig kompostierbar und kann als Nährstoff wieder in biologische Kreisläufe zurückfließen – ein bioinspiriertes und biointegriertes System also.

Natur und Technik - von der Inspiration zur Interaktion

Der Prozess der biologischen Transformation, der in der letzten Stufe zur Biointelligenz führt, kann in drei Entwicklungsmodi unterteilt werden: Inspiration, Integration und Interaktion. Zunächst erlaubt es die Inspiration, evolutionär über Jahrmillionen entstandene biologische Phänomene auf Wertschöpfungssysteme zu übertragen. Unternehmen entwickeln mit diesem Ansatz neue Materialien und Strukturen (Beispiel: Leichtbau), Funktionalitäten (Biomechanik) sowie Organisations- und Kooperationslösungen (Schwarmintelligenz). Unter dem Begriff Bionik ist dieses Forschungsfeld bereits allgemein bekannt. Im Modus Integration kommt das Wissen über die Natur nun zur Anwendung, indem biologische Systeme tatsächlich in Produktionssysteme eingebunden werden, etwa, wenn chemische durch biologische Prozesse ersetzt werden. Beispiele für diesen Modus sind die Nutzung von Mikroorganismen zur Rückgewinnung von seltenen Erden aus Magneten oder die Erzeugung von Wasserstoff aus Abfall. Auch die Nutzung biologischer Rohstoffe in der Architektur gehört dazu

Wasserstoff aus der Mülltonne

Noch einen Schritt weiter geht ein Projekt am Institut für Energieeffizienz in der Produktion (EEP) der Universität Stuttgart: Hier wird Energie erzeugt, die dem Klima nicht nur nicht schadet, sondern ihm nutzt. Wasserstoff, der per Elektrolyse mittels elektrischer Energie produziert wird, lässt sich – das ist bekannt – in Brennstoffzellen in nutzbare elektrische oder thermische Energie umwandeln. Auch die Restenergie, die in vielen Abfallstoffen vorhanden ist, kann in Form von Wasserstoff wiedergewonnen werden. Der Clou des speziellen Verfahrens, das am EEP und am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) entwickelt und analysiert wurde: Durch die Abscheidung und Speicherung des als Nebenprodukt entstehenden CO2 ist die Umwandlung nicht nur klimaneutral, sondern hat sogar eine positive Auswirkung auf unser Klima. „Mit den sogenannten HyBECCS-Prozessen (Hydrogen Bioenergy with Carbon Capture and Storage) können zukünftig unvermeidbare Treibhausgasemissionen kompensiert werden. Das erhöht die Flexibilität und Effizienz unseres Energiesystems und wirkt dem Klimawandel aktiv entgegen“, sagt Projektleiter Johannes Full. „Die Anwendung fortschrittlicher IT zur flexiblen und intelligenten Prozessregelung kann das Einsatzpotenzial noch steigern. Dann können mit biointelligenten HyBECCS-Prozessen wesentliche gesellschaftliche und umweltbezogene Probleme gelöst werden.“ Dies ist also die dritte Stufe der biologischen Transformation, die umfassende Interaktion zwischen technischen, informatorischen und biologischen Systemen. Sie führt Stück für Stück zu neuen, autarken Produktionstechnologien und -strukturen, welche dann die Biointelligenz ausmachen.

Visionen einer technologiebasierten Bedarfswirtschaft

Die biointelligente Wertschöpfung ermöglicht Fortschritte in den unterschiedlichsten Bereichen – von der personalisierten Gesundheitsversorgung über die intelligente Verkehrs- und Produktionsorganisation bis hin zur dezentralen Herstellung von Konsumgütern und Nahrungsmitteln aus nachwachsenden regionalen Rohstoffen und Recyclingmaterialien. 

Hier entwickelt sich eine fortschritliche Wirtschaftsform, welche die physikalischen Grenzen unseres Planeten berücksichtigt.

Prof. Thomas Bauernhansl
Klimapositive Auswirkungen: Die Energie, die bei der Müllverbrennung erzeugt wird, kann auf verschiedene Weise umgewandelt werden - auch als Wasserstoff

Durch das Zusammenwirken der Disziplinen Biologie, (Produktions-)Technik und Datenverarbeitung kann eine nachhaltige, technologiebasierte Bedarfswirtschaft entstehen. „Hier entwickelt sich eine fortschrittliche Wirtschaftsform, welche die physikalischen Grenzen unseres Planeten berücksichtigt“, so Thomas Bauernhansl, Gründungsvorstand des Kompetenzzentrums Biointelligenz. Er ist überzeugt: „Damit schaffen wir über viele Fachdisziplinen hinweg einen neuen Innovationsraum mit riesigem, auch wirtschaftlichem Potenzial.“

Text: Birgit Spaeth

Professor Dr. Thomas Bauernhansl

Universität Stuttgart
Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb (IFF)
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart
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Andrea Mayer-Grenu

Wissenschaftsreferentin, Forschungspublikationen

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