CMCSP: Pflanzenbasierter Kunststoff löst sich in Meerwasser auf

Plastikverschmutzung kann weit weg wirken – bis sie dort auftaucht, wo sie nicht hingehört, etwa im menschlichen Blut. Die meisten Kunststoffe verschwinden nicht wirklich. Stattdessen zerfallen sie zu Mikroplastik, das durch die Meere treibt, in der Nahrungskette aufsteigt und über Jahrzehnte bestehen bleibt.

Forschende in Japan berichten nun über eine möglicherweise bessere Alternative. Sie entwickelten einen pflanzenbasierten Kunststoff, der sich in Meerwasser innerhalb weniger Stunden vollständig auflöst, ohne Mikroplastikfragmente zu hinterlassen.

Das Material besteht aus Cellulose, dem häufigsten natürlichen Polymer der Erde, und ist für Verpackungen des täglichen Bedarfs vorgesehen. Während der Nutzung bleibt es belastbar, zerfällt jedoch sicher, falls es ins Meer gelangt.

Unter der Leitung von Dr. Takuzo Aida am RIKEN-Zentrum für Wissenschaft der entstehenden Materie (CEMS) zeigt die Arbeit einen neuen Blick auf Kunststoff: Entscheidend ist, wie sich Materialien tatsächlich verhalten, nachdem sie aus unseren Händen geraten sind.

Vom Kunststoff zu Partikeln

Sonnenlicht und Wellenbewegungen können größere Kunststoffgegenstände in immer kleinere Stücke zermürben, die sich anschließend mit Sand und Oberflächenwasser vermischen.

Fische und Schalentiere können diese Partikel aufnehmen. Menschen essen sie möglicherweise später, ohne zu bemerken, was neben dem Abendessen noch aufgenommen wurde.

Mikroplastik nachzuverfolgen ist schwierig, weil Labore unter anderem Verfahren wie die Pyrolyse einsetzen – dabei wird eine Probe erhitzt, bis sie in einfachere Gase zerfällt – sowie weitere Analysemethoden.

Kunststoff aus Pflanzen herstellen

Ausgangspunkt des Teams war Carboxymethylcellulose, eine chemisch veränderte Variante der Cellulose. Sie löst sich in Wasser, verdickt flüssige Mischungen und wird bereits im industriellen Maßstab produziert.

Pflanzliche Rohstoffe allein gewährleisten jedoch keinen sauberen Abbau, denn manche chemischen Bindungen widerstehen Mikroorganismen und den rauen Bedingungen von Salzwasser.

Um aus diesem Cellulosederivat Kunststoff herzustellen, verwendeten die CEMS-Forschenden die ionische Polymerisation. Bei diesem Verfahren treiben geladene chemische Gruppen die Kettenbildung in gewöhnlichem Wasser bei Raumtemperatur an.

Ein zweites Polymer mit positiv geladenen Guanidinium-Ionen band sich an saure Stellen entlang der Celluloseketten, sodass sich die Bestandteile miteinander verknüpfen konnten.

Dadurch entstand ein dicht vernetztes Gefüge – ein Netz miteinander verbundener Ketten –, das der transparenten Folie Festigkeit und Steifigkeit verleiht.

Salz und CMCSP

Die Stabilität des Materials beruht auf Salzbrücken: vorübergehenden Verbindungen zwischen entgegengesetzten elektrischen Ladungen, die das Polymernetzwerk zusammenhalten.

Dringt Meerwasser ein, bedrängen Natrium- und Chlorid-Ionen diese Verbindungen und schwächen sie. So kann das Netzwerk in wasserlösliche Bestandteile auseinanderfallen.

Damit sich der Kunststoff im normalen Gebrauch nicht zu früh zersetzt, ergänzte das Team eine dünne Barrierebeschichtung, die das Eindringen von Wasser und Salzen verlangsamt.

Die ersten Folienversionen waren durchsichtig und fest, zugleich aber spröde. Sie rissen leicht, weil die starren Celluloseketten nicht aneinander vorbeigleiten konnten.

Als Lösung fügten die Forschenden Cholinchlorid als Weichmacher hinzu – kleine Moleküle, die Polymerketten das Biegen ermöglichen, statt sie brechen zu lassen.

Durch die Anpassung der eingesetzten Salzmenge konnte das Team das Material von festen Platten bis zu weicheren, stärker dehnbaren Folien einstellen.

Stabil genug für Verpackungen

In der Studie bezeichnet das Team CMCSP als mechanisch belastbar und erklärt, dass sich seine Flexibilität durch die Anpassung des Zusatzstoffs steuern lässt. Bei ausreichender Menge dieser Komponente dehnte sich CMCSP in Zugversuchen vor dem Reißen auf 130 Prozent seiner ursprünglichen Länge.

Die Forschenden stellten außerdem eine transparente, leicht zu handhabende Folie mit einer Dicke von nur 0,003 Zoll (0,07 mm) her.

Um zu zeigen, dass sich die Chemie über kleine Laborproben hinaus einsetzen lässt, verarbeitete das Team CMCSP zu einer leichten Kunststofftüte für Obst und Gemüse.

In einem Demonstrationsvideo trug die Tüte erfolgreich Tomaten – ein einfacher, aber praxisnaher Test für reale Verpackungen.

Derartige dünne Tüten sind besonders relevant, weil sie leicht aus Abfallbehältern und Deponien entweichen können und eine häufige Quelle von Kunststoffverschmutzung in Gewässern darstellen.

Kein Mikroplastik als Rückstand

Der entscheidende Vorgang ist die Dissoziation: Das Material zerfällt in einzelne Moleküle statt in kleinere Fragmente. Dadurch wird der übliche Weg zur Entstehung von Mikroplastik unterbrochen.

Sobald sich die Bestandteile in Lösung befinden, liegen alle Oberflächen frei, sodass natürliche chemische Reaktionen schneller ablaufen können als bei festen Materialien.

Die Autoren beschreiben das Material als in einem geschlossenen Kreislauf recycelbar, weil die gelösten Komponenten gesammelt und wieder zusammengefügt werden können, um ohne neue Rohstoffe erneut dasselbe Material herzustellen.

Recycling von gelöstem pflanzenbasiertem Kunststoff

Zur Rückgewinnung von CMCSP gaben die Forschenden einen Elektrolyten hinzu, also ein Salz, das in Wasser in geladene Teilchen zerfällt. Dadurch wurden die Komponenten wieder zusammengeführt.

Dieser Weg ist wichtig, denn der rasche Abbau im Meer soll ein Sicherheitsnetz sein und nicht die Lösung für den Umgang mit dem Großteil der Kunststoffabfälle.

In der Praxis würde das Recycling Sammelsysteme erfordern, die verhindern, dass sich die gelöste Mischung ausbreitet und entlang des weiteren Wegs an Wert verliert.

Was CMCSP unterscheidet

Viele kompostierbare Produkte bauen sich nur in heißen Industrieanlagen gut ab und bleiben daher bestehen, wenn sie in kaltes Meerwasser gelangen.

Statt auf Hydrolyse zu setzen – eine durch Wasser und Enzyme ausgelöste Spaltung von Bindungen –, zerfällt CMCSP, wenn Salze seine Ladungsverbindungen stören.

Da Salze auch in Böden vorhanden sind, könnte eine Entsorgung an Land ebenfalls den Abbau auslösen. Tatsächliche Böden unterscheiden sich jedoch stark hinsichtlich ihres Feuchtigkeitsgehalts.

Grenzen biologisch abbaubarer Kunststoffe

Eine Feldstudie, in der Textilien aus Polymilchsäure 428 Tage lang im Meerwasser beobachtet wurden, stellte kaum sichtbare Veränderungen fest. Das verdeutlicht, weshalb der Begriff „biologisch abbaubar“ Verbraucherinnen und Verbraucher in die Irre führen kann, wenn Kennzeichnungen die Bedingungen im Meer nicht berücksichtigen.

Solche Ergebnisse unterstreichen den Bedarf an Praxistests, die nicht nur prüfen, ob Materialien zerfallen, sondern auch, ob ihre Abbauprodukte für Meereslebewesen sicher bleiben. Zugleich muss jedes neue Verpackungsmaterial praktischen Anforderungen genügen.

Beschichtungen und Folien müssen weiterhin Gase und Wasserdampf abhalten. Lebensmittelhersteller müssen außerdem sicher sein, dass keine Chemikalien in Lebensmittel übergehen oder den Geschmack verändern.

Die Kosten müssen mit Papier, recyceltem Kunststoff und anderen pflanzenbasierten Polymeren konkurrenzfähig bleiben, die bereits um Platz im Handel konkurrieren.

Zukunft von CMCSP

Für eine Skalierung von CMCSP werden verlässliche Materiallieferungen, vorhersehbare Folieneigenschaften und Entsorgungsregeln erforderlich sein, die berücksichtigen, wie Menschen Verpackungen tatsächlich wegwerfen.

„Diese Studie zeigt, dass unsere Arbeit nun ein praktischeres Stadium erreicht hat“, sagte Dr. Aida.

Der Mischprozess auf Wasserbasis vermeidet viele chemische Lösungsmittel, die in der Kunststoffherstellung üblich sind. Dennoch würden Fabriken weiterhin Energie für Verarbeitung und Trocknung benötigen.

Bei erfolgreicher Skalierung könnte CMCSP Verpackungen ermöglichen, die im Alltag langlebig bleiben, sich jedoch schneller zersetzen, sobald sie in Meerwasser gelangen.

Trotzdem wird die Verringerung der Kunststoffverschmutzung weiterhin davon abhängen, den Verbrauch von Einwegprodukten zu senken, die Abfallsammlung zu verbessern und Maßnahmen einzuführen, die sauberere und besser recycelbare Materialien fördern.