Dr. Jingyuan Xu und Dr. Gan Huang, Ingenieure am Institut für Mikrostrukturtechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), erhalten einen Umweltpreis in Höhe von 7.500 € für den Entwurf eines bioinspirierten Photovoltaikblatts, also eines Moduls, das sich von Pflanzen inspirieren lässt. 

Die Grundlage bildet die Fähigkeit von Photovoltaikanlagen, Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Zu hohe Sonneneinstrahlung kann jedoch die Effektivität der Photovoltaik-Anlage senken, da nur ein Teil der Sonnenenergie in Strom verwandelt wird. Die restliche Sonnenenergie heizt das PV-Modul auf, wodurch die Stromausbeute geringer wird. 

Die von Dr. Jingyuan Xu am KIT geleitete Arbeitsgruppe entwickelte nun eine Anlage, die Wärme aus der Photovoltaik-Zelle abführen kann, wodurch die Temperatur sinkt, so dass die Stromausbeute wieder steigen kann. Experimente zeigen, dass die im PV-Blatt eingebaute Methode der Flüssigkeitsausscheidung (Transpiration) bei einer Sonneneinstrahlung beispielsweise von 1000 Watt pro Quadratmeter etwa 590 Watt pro Quadratmeter abführen kann. Dadurch wird die Temperatur der PV-Zelle um etwa 26 °C gesenkt und die Stromausbeute steigt um rund 14 Prozent. Für diesen Effekt sind weder Pumpen, eine Steuereinheit oder teure poröse Materialien erforderlich. Ähnlich wie es die Blätter an Bäumen schaffen, kann das PV-Blatt das Ausmaß der Transpiration entsprechend seiner inneren Struktur und der Umgebungstemperatur steuern. 

In heißen und trockenen Klimazonen bildet das PV-Blatt bei Sonneneinstrahlung von 1000 Watt pro Quadratmeter zusätzliche 1,1 Liter Süßwasser pro Stunde und Quadratmeter. Dabei verbessert sich der elektrische Wirkungsgrad um etwa 10 Prozent, womit zusätzliche Wärmeenergie erzeugt wird. 

Wagt man eine Vorausschau auf das Jahr 2050 mit geschätzten 100 Sonnentagen und einem Wirkungsgrad von 20 Prozent so dürften die installierten PV-Module, die alle eine Blatt-Struktur besitzen, etwa 8,5 Terrawatt (1 TW entspricht1 Milliarde Kilowatt) erzeugen und könnten damit jährlich mehr als 40 Milliarden Kubikmeter Süßwasser produzieren. Das entspricht etwa 80 Prozent des gesamten Wasservolumens im Bodensee. Damit würde die weltweite Wasserversorgung deutlich verbessert werden. 

Verwendet man kostengünstige und umweltfreundliche Materialien zur Herstellung des PV-Blattes, so erzielt man durch die zusätzliche Stromerzeugung sogar einen finanziellen Gewinn. Die Kosten für die Komponenten wie Hydrogel, Faserbündel, Stützgewebe und Rohrleitungen erhöhen die Kosten gegenüber einem kommerziellen PV-Modul nur um etwa zwei Prozent. Mit der aktuellen Prognose, dass die globale PV-Kapazität bis 2050 mehr als 22 Terrawatt erreichen wird und mit der Annahme, dass 30 Prozent der PV-Module Zugang zu Wasserressourcen als Kühlmittel haben, lässt sich eine weltweit zusätzliche Stromerzeugung von etwa 650 GW (1 Gigawatt entspricht eine Million Kilowatt) annehmen. 

Das PV-Blatt kann zudem auch sehr gut Meerwasser nutzen, das weitaus häufiger verfügbar ist als Süßwasser, ohne seine Wärmeleistung wesentlich zu beeinträchtigen. Ähnlich wie die Transpiration von Bäumen kann das PV-Blatt seine Transpirationsrate entsprechend den Veränderungen seiner inneren Bedingungen und der Umgebungstemperatur steuern.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass sich die Kapazität von Solaranlagen mit dem hocheffizienten, bioinspirierten PV-Blatt vielversprechend steigern lässt, ohne auf zusätzliche komplizierte und teure Komponenten angewiesen zu sein. Dies eröffnet das Potenzial, die globalen Herausforderungen des steigenden Energiebedarfs und der Süßwasserknappheit zu lösen und den Wettlauf zur Netto-Null-Emission zu beschleunigen. 

Dr. Jingyuan Xu forscht am KIT an emissions- und umweltfreundlichen Heiz- und Kühltechnologien. Nach Stationen in London und Cambridge kam sie 2023 nach Karlsruhe. Sie ist Trägerin zahlreichen nationaler und internationaler Auszeichnungen. 

Charlotte Braun, Master of Science in Textiltechnologie an der Hochschule Reutlingen erhält einen Umweltpreis in Höhe von 7.500 € für das Projekt ZellPumpM (das Mark der Sonnenblume für nachhaltige Produktlösungen im Bereich Verpackung und Transport nutzen)

Sonnenblumen sind nicht nur schön anzusehen, die Kerne der Pflanze aus der Familie der Korbblütler können neben der Ölgewinnung auch für Backwaren oder geröstet als Ersatz für Kaffee oder Trinkschokolade verwendet werden. Ihre schönen Blüten, die sich tagsüber der Sonne zuwenden, motivierten auch Künstler wie Vincent van Gogh, Claude Monet oder Gustav Klimt zu herrlichen Stillleben. 

Ganz anders geht eine Wissenschaftlerin von der Hochschule Reutlingen an die schöne Blume heran. Das Mark der Sonnenblume besteht ja nicht aus Fasern, sondern bildet das Gewebe der Pflanze. Charlotte Braun, (M.Sc. in Textiltechnologie), erforscht nun, ob sich das Mark als Werkstoff für nachhaltige und innovative Produktlösungen im Bereich Verpackung und Transport nutzen lässt. „Hinsichtlich Aspekten von Umwelt und Nachhaltigkeit ist das Mark der Sonnenblume als revolutionär einzuschätzen“, sagt die Forscherin, die im Team von Professor Dr. Ing Volker Jehle an ihrer Promotion arbeitet. 

Wie sieht nun eine ganzheitliche Lösung in der Entwicklung nachhaltiger Verpackungsmittel aus? Das Projekt „ZellPumpM“ zeigt auf, wie derzeit noch etablierte auf Erdöl basierende Verpackungsmittel mittels Pump Moulding (Faserguss) umweltfreundlich ersetzt werden können. Es geht um nachwachsende, heimische Alternativen, die zu ihrer Gewinnung wenig Energie, Wasser oder andere Rohstoffe verbrauchen. Es sollten möglichst keine neuen Anbauflächen nötig sein und zudem – das wäre die Krönung – sollte die Lösung wirtschaftlich attraktiv sein. Diese anspruchsvollen Ziele sind weitgehend erreichbar, wie die Reutlinger Forscherin bereits nachgewiesen hat. 

Anders als Faserstoffe, wie etwa der Bambus, der auch zur Herstellung von Verpackungsmitteln genutzt wird, gehört die Sonnenblume bereits zur regionalen Kulturlandschaft. Das Projekt zeigt nun, wie sich ein solches Nebenprodukt des regionalen Pflanzenanbaus zum Paradebeispiel nachhaltiger Werkstoffentwicklung profilieren kann. 

Die Sonnenblume wird weitgehend ohne chemische Düngemittel oder Pestizide aufgezogen. Die nach der Ernte übrigen Pflanzenbestandteile werden zerkleinert und in den Boden eingearbeitet. Bei den Reutlinger Experimenten konnte zudem gezeigt werden, dass Wasser ausreicht, um das Sonnenblumenmark zu verarbeiten. Unterschiedliche Eigenschaften, wie etwa ob es sich um zwei- oder dreidimensionale Verpackungsstoffe handeln soll, lassen sich durch Größe der Partikel und Verdichtung der Mischung erzielen. Da der gewonnene Werkstoff weder chemische Zusätze enthält, noch ein Verbundstoff ist, sind Herstellung, Verwendung und Entsorgung als gesundheits- und umweltfreundlich zu bewerten. Verpackungen, die aus dem Mark der Sonnenblume entwickelt wurden, können also auch dazu beitragen, Abfallmengen zu reduzieren, die sonst deponiert oder energetisch verwertet werden müssen. 

Als besonders geeignet sieht Charlotte Braun ihr Sonnenblumenmark-Produkt beispielsweise als Fixierverpackungen, also für Verpackungen, die oft für Medikamente, Münzen, Kosmetik oder Hygieneartikel verwendet werden. 

Ein Preis in Höhe von 2.500 € geht an Dr. Marcus Adam, Professor an der Hochschule Reutlingen, TEXOVERSUM Fakultät Textil, für Konzeption und Durchführung des Seminarkurses „Mode und Nachhaltigkeit“.  

Der Textilsektor ist einer der weltgrößten Wirtschaftszweige mit rund 60 Millionen Beschäftigten. Der Umsatz hat in den letzten Jahren enorm zugenommen. Eine große Rolle spielt dabei der Trend zu „Fast Fashion“, eine Design-, Herstellungs- und Marketingmethode, die sich auf schnelle Produktion großer Mengen von Kleidung konzentriert. Die Produkte sollen äußerst günstig und schnell verfügbar sein. 

Um die Nachfrage nach der schnellen Mode zu verringern, ist es notwendig,  über die Entstehung der günstigen Kleidungsstücke und die damit verbundenen negativen Effekte für die Umwelt wie auch für die Bewohner der produzierenden Länder aufzuklären.

Eine wichtige Zielgruppe der Bekleidungsindustrie sind Jugendliche zwischen 14 und 18“ Jahren Besonders für sie ist Mode bedeutend, um Persönlichkeit, individuellen Stil und die Zugehörigkeit zu einer Gruppe oder Subkultur zu Ausdruck zu bringen. Als Teil der Jugend- und Popkultur spielt Mode zudem eine verlockende Rolle in Musikvideos, Filmen und auf Social Media-Plattformen. 

Allerdings steht die Mode- und Textilindustrie wie kaum eine andere Branche für Massenproduktion und Überkonsum, Umweltverschmutzung, Wasserverbrauch, Energieeinsatz, prekäre Arbeitsbedingungen, hohe Mengen an Abfall und deren Entsorgung. Wenn die Jugendlichen zu verstehen lernen, wie ihr Handeln die Umwelt beeinflusst, können sie sich kritisch mit dem eigenen Handeln und dessen Auswirkungen auseinandersetzen und sich für eine verantwortungsvolle Haltung entscheiden. 

Diesem Ziel dient der Seminarkurs „Mode und Nachhaltigkeit“, den das Friedrich-List-Gymnasium Reutlingen und das TEXOVERSUM, die Textil Fakultät der Hochschule Reutlingen, seit dem Schuljahr 2023/24 durchführen. Die Zusammenarbeit zielt darauf ab, Eigenverantwortung, Forschungskompetenzen sowie Präsentations- und Kommunikationsfähigkeiten zu fördern. 

Der Seminarkurs findet wöchentlich auf dem Campus der Hochschule Reutlingen statt. Die Schüler*innen werden für das Thema Nachhaltigkeit sensibilisiert und bekommen einen Einblick in die Arbeitsweise während des Studiums. Durchgeführt und betreut wird der Kurs von einem Lehrer des Gymnasiums und einem Professor der Hochschule. Die Teilnehmenden präsentieren die Ergebnisse ihrer Seminararbeit in einem Kolloquium, bevor sie die mündliche Abiturprüfung ablegen. 

Ein Preis in Höhe von 2.500 € erhält das Hilda Gymnasium Pforzheim und an das Hector Seminar für Bildung und Betreuung intensiver Projektarbeit zu Auswirkungen des Klimawandels 

Die vom Hilda Gymnasium und dem Hector Seminar gebildeten Arbeitsgruppen beschäftigten sich zusätzlich zum Schulunterricht intensiv mit den Auswirkungen des Klimawandels speziell auf Land- und Forstwirtschaft. In vier ausgezeichneten Projekten wurden nicht nur entstehende Schäden untersucht, sondern auch konstruktive Vorschläge zu deren Verringerung oder gänzlichen Vermeidung gemacht. 

Die mit dem Umweltpreis 2025 ausgezeichneten Arbeitsgruppen der ErfinderAG ForscheHilda werden von Dr.-Ing. Joachim Götz, Oberstudienrat am Hilda Gymnasium und Kursleiter am Hector-Seminar betreut. Zudem sind je nach Thema externe Experten beteiligt, von der Hochschule Pforzheim wie auch von Verwaltungsstellen wie Forst- oder Vermessungs- und Liegenschaftsämtern. Alle vier Projekte wurden zudem durch das Programm „mikro makro mint“ der Baden-Württemberg Stiftung gefördert. 

Zusätzlich zum Unterricht beschäftigt sich die ErfinderAG ForscheHilda mit Themen aus den MINT-Fächern (also Mathematik, Informatik, den Naturwissenschaften und Technik). Dabei spielen auch gesellschaftliche und entwicklungspolitische Aspekte eine wichtige Rolle.