Verpacktes Leben - Verpackte Technik

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Udo Kuppers und Helmut Jributsch Verpacktes Leben - Verpackte Technik Bionik der Verpackung

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Verpacktes Leben - Verpackte Technik Bionik der Verpackung

Udo Kiippers He Irn u t Trib u tsch

@WILEY-VCH

Die Autoren dieses Buches Dr.-lng. Udo Kuppers

Bionik-Systeme Hauptmann-Bose-Weg9 zXzr) Bremen

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Das vorliegende Werk wurde sorgfaltig erarbeitrt. Dennoch dbernehmen Autor und Verlag fur die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlagen sowie fur eventuelle Druckfehler keine Haftniig. Die Deutsche Bibliothek -

Prof. Dr. Helmut Tributsch

CI P-Einheitsaufnahme

Hahn-Meitner-lnstitut Berlin GmbH Glienicker StraRe 100 1 4 1 0 9Berlin

E m Titeldatensatz fur dieze Publikation be1 Der Deutschen Bibliothek erhdlthch

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0 Wiley-VCH Verlag GmbH Weinheim, 2 0 0 2 Alle Rechte, insbesondere die der Ubersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Tell dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages i n irgendeiner Form - durch Fotokopie, Mikroverfilmung oder irgendein andercs Verfahren - reproduziert oder in einr von Maschinen. insbesondere yon Datenverarbeitungsmaschinen. verwendbare Sprachcn iibertragen oder ubersetzt werden. printed in the Federal Republic ofGerinaii) gedruckt auf saurefreiem Papicr Einbandgestaltung Wolfgang Schefflcr.

Mainz Satz Manuela Treindl. Regensburg Druck Druckhaus Darmstadt GmbH.

Darmstadt Bindung Wilh. Osswald & Co. KG,

Neustadt ISBN 3-527-30443-6

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Celeitwort

Ohne Verpackung kein Leben. Verpackung gehort zur Kulturgeschichte der Menschheit. Durch zeit- und zweckgemaBe Verpackungen haben schon unsere Vorfahren gelernt zu uberleben, spater unseren Globus zu entdecken und weltweiten Handel zu betreiben. Heute stehen uns Waren verschiedenster Art aus allen denkbaren Teilen der Kontinente und Regionen zu jeder Jahres- und Tageszeit zur Verfugung. Es ist bekannt, dag in unserer arbeitsteiligen Welt die Ernahrung der Menschheit, ihre Versorgung mit Arzneimitteln und sonstigen Gutern des taglichen Bedarfs nur durch die richtige und zweckmagigeVerpackung sichergestellt ist. So macht uns die Verpackung das Leben vielfach leichter und schoner, sie steigert die Lebensqualitat. Und doch ist die Verpackung insbesondere in den letzten Jahren in die kritische Umweltdiskussion gekommen. Leben ist Verpackung. Es ist naheliegend, den Blick auf das organische Wachstum zu richten, um so von der Natur zu lernen. Denn mit Komplexitat zu leben und sie zu bewaltigen,ist seit Jahrmillionenfur unzahlige Organismen und ihre Verpackungslebenslaufe in der Natur die selbstverstandlichste Grundlage ihres Uberlebens. Das Naturprinzip der vernetzten ruckgekoppelten Kreislaufwirtschaft garantiert eine Weiterentwicklung ohne einschneidende Folgen. Dieses hervorstechende Organisationsmerkmal ist neben anderen der Garant fur stabile, fehlertolerante und natiirliche Verpackungsverarbeitng. Wenn wir also auf die N a t r und ihre inspirierenden Verpackungsprodukteschauen, dann konnen wir lernen, intelligente technische Verpackungen in einer vernetzten Umwelt nachhaltig zu gestalten. Das ist die ,,Korrespondenz des Lernens", die uberlegene Verpackungsprinzipien der Natur mit Wissen und Erfahrung aus technischen Verpackungsentwicklungen paart und zu einer Bionik der Verpackung fiihrt. Mit Prof. Dr. HeImut Tributsch und Dr.-Ing. Udo Kuppers haben sich zwei haarscharfe Beobachter und Analytiker gefunden, um gemeinsam Errungenschaften der Natur zu beobachten und im Hinblick auf Verpackungsleistungen zu hinterfragen. Beiden ist hierbei ihr groBes Wissen in der physikalischen und theoretischen Chemie und der Fertigungs- und Verfahrenstechnik sowie den langjahrigen Auseinandersetzungen mit der Bionik zu Gute gekommen. So ist aus dem soliden natur- und ingenieurwissenschaftlichen Wissen der Autoren hier erstmals ein Werk entstanden, das die vielschichtigen Anforderungen an eine Verpackung aus gewachsenen Modellen der Natur zu beschreiben versucht. Das ist gelungen. Die anspruchsvollen

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Celeitwort

Themen werden wissenschaftlich exakt, klar und fur die Leser verstandlich aufgearbeitet. Viele Fotografien, Graphiken und Tabellen erganzen hilfreich den Text. Stets bleibt der Bezug zwischen Natur und Verpackung erhalten, so daB der interessierte Leser hier den moglichen Einstieg fur seine eigenen Uberlegungen finden kann. Das vorliegende Werk gliedert sich im wesentlichen in drei Themenblocke: Netzwerk Verpackung Hier wird der Sinn der Verpackung in Technik und Natur beschrieben. Deutlich wird belegt, welche erforderlichen Verpackungsaufgaben anfallen und wie auf der einen Seite der Ingenieur und Designer und auf der anderen Seite die Natur die Losungen erbringen. Dabei bezieht die Natur immer eigene Summen von Zielgrogen und Einflusse gemeinsam in ihren Optimierungsstrategien mit ein. Alle venvendeten Materialien sind daher bestens hinsichtlich ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften und lebenslauforientierten Verarbeitung aufeinander abgestimmt. Wer wurde das von technischen Verpackungen pauschal behaupten wollen, bei denen sich nicht selten erhebliche Entsorgungsprobleme ergeben konnen. So liefert die Natur variantenreiche Materialoptimierungen hinsichtlich Fertigungseigenschaften, Strukturen, Formen und Vieles mehr von Verpackungen, und sie gibt Anregungen fur die Entwicklung neuer technischer Verpackungen. Denken wir nur an die hocheffziente Technik der filigranen Materialverbunde in der Natur, die gegenwartig fur unsere menschlichen materialtechnischen Entwicklungen noch unerreichbar erscheinen. Daruber hinaus wird im speziellen Fall der adhasiven Fugetechnik aufgezeigt und belegt, wie neue Verbindungstechniken aufgebaut sein konnen. Verpackungsbeispiele aus der Natur Hier werden Verpackungsleistungen naturlicher Produkte aufgezeigt, und es wird deutlich, daB es kaum einen Ort auf unserer Erde gibt, wo Verpackungen nicht mit Raffinesse und hoher Effizienz den Fortbestand wachsenden Lebens auf vielfaltige und eindrucksvolle Weise sichern. Prof. Dr. Helmut Tributsch zeigt, daB er nicht nur ein anerkannter Wissenschaftler ist, sondern es auch versteht, die Natur zu erleben, zu beobachten und das Gesehene fur jene, die es nicht miterleben konnten, kenntnisreich und plastisch zu schildern. Auf mehr als 150einmaligen - man ist geneigt zu sagen liebevollen - Fotos wird die Leistungsvielfalt der Natur im Hinblick auf Verpackungslosungen belegt. Organisationsmanagement der Verpackungsbionik Dr.-Ing. Udo Kuppers ist es gelungen, dem interessierten Leser Wissen und Handwerkszeug anzubieten, das ihn befahigt, eigene bionische Verpackungsansatze zu verfolgen. Der ausfuhrliche Text wird durch Tabellen, Graphiken und Checklisten, die einfach und praxisnah zu handhaben sind, sinnvoll erganzt. Hier also eine Aufforderung mitzumachen.

Weitwort

Erstmals befafit sich ein wissenschaftliches Werk ausfuhrlich, tiefgreifend und erfolgreich mit Verpackungslosungen der Natur und leitet daraus mogliche Ansatze fur reale technische Verpackungslosungen ab. Historisch kann hierdurch ein neues Zeitalter fur Verpackungsentwicklungen eingeleitet worden sein. In diesem Sinne wiinsche ich den Autoren und ihrem Buch viele Leserinnen und Leser, die sich fur die Asthetik und die Funktionalitat biologischer Verpackungen begeistern konnen, und gespannt sind auf die sich ergebenden Moglichkeiten technischer bionischer Verpackungen. Berlin im Fruhjahr 2001

Dieter Berndt

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Cewidmet den kleinen und groj3en Kindern, damit sie von der Natur lernen und rijcksichtsvoller mit ihr umgehen

Vonvort

Das vorliegende Buch erscheint in einer Zeit des wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Wandels. Die Disziplinen der Biowissenschaften - Life-Sciences- und die der Informations- und Kommunikationswissenschaften - IuK - ringen um die Vorherrschaft als Wegbereiter fur zukunftige bio-technische Entwicklungen. Erstere werden getrieben von der Entschliisselung des genetischen Codes der menschlichen Desoxyribonukleinsaure,der DNS und den damit verbundenen, weitreichenden wirtschaftlichen Auswirkungen. Die Entwicklung der IuK wird angetrieben vom neuronalen ,,Geist", der das Ziel verkorpert, menschenahnliche Maschinen mit Intelligenz und BewuBtsein zu entwickeln und fur futuristische Zwecke einzusetzen. Beide versuchen das (noch) Unmogliche, namlich das uber Jahrmillionen evolutionierte Leben mit dem Menschen als hochstes entwickeltes Lebewesen, technisch-wirtschaftlichvorteilhaft zu manipulieren oder zu imitieren. Unbestreitbar steht gegenwartig die Gentechnik als Motor der Life-Sciences im Mittelpunkt des offentlichen Interesses. Hierbei erstreckt sich eine intensive Diskussion iiber Techniken der genetischen und biotechnischen Verandemngen von Leben einerseits und der Ethik des Lebens andererseits quer durch alle gesellschaftlichen Schichten. In dieser entscheidenden Entwicklungsphase fur unsere Zukunft ist auch die Bionik (der Verpackung) als Teildisziplin der Life-Sciences eingebunden. Sie positioniert sich als bioanalog forschende Wissenschaft zwischen natiirlicher Biodiversitat und innovativer Zukunftstechnik ohne ethische Konflikte und Manipulationen des naturlichen Lebens. Im Gegenteil. Die Archive der Natur, mit ihren naturlichen Artenreichtiimern als maBgebende Voraussetzung fur fehlertolerante, nachhaltige Weiterentwicklung von Lebewesen und deren technischen Leistungen in hochster qualitativer Vollendung, sind die fundamentale Basis fur bionische Analogieforschungund adaquate,technisch-wirtschaftliche Anwendung. Evolutionar gewachsene Biodiversitat ist Billionen wert, vor allem fur unser aller Weiterleben, aber auch als wissenschaftliche Fundgrube fur effiziente, nachhaltige Losungen der Verpackungsbionik. Es ist anzunehmen, daB die Menschheit, wenn ihr das Wohlergehen der Erde am Herzen liegt, in einigen hundert Jahren mit ihr vie1 mehr im Gleichgewicht leben wird. Ihre moderne Technologie wird dann in vieler Hinsicht der durch die Evoluti-

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I on entwickelten biologischen Technik der Natur sehr ahnlich sein und harmonisch Vowart

mit ihr koexistieren. Es sind ja im wesentlichen dieselben Rahmenbedingungen, dieselben Energieflusse und Umweltbedingungen, welche die naturliche und zivilisatorische Entwicklung langfristig festlegen und begrenzen. Dies gilt auch fur das komplexe und sich schnell entwickelnde Gebiet der Verpackungstechnologie. Die Natur hatte sehr viel mehr Zeit als die ungeduldige Menschheit, optimierte Verpackungslosungen zu entwickeln und zu erproben. Der Inhalt dieses Buches zeigt Wege auf, wie von diesen wertvollen Erfahrungen profitiert werden kann. Leider beginnt dieser unermeBliche Schatz durch die Hande der Menschen zu zerrinnen. Noch zu unversohnlich stehen sich die - von uns Menschen in den Vordergrund gedrangte - Strategie eines linearen, gesteuerten Wirtschaftswachstums und die bewahrte Methode der Natur einer geregelten, komplexen Nachhaltigkeit gegenuber. Es konnte vor allem viel Zeit gespart werden, welche die Entwicklung wirklich nachhaltiger Verpackungskonzepte kosten wiirde. Zeit und Erfahrung sind aber sehr wertvolle Guter. Gerade in unserer Gegenwart, die eine unvergleichliche Zerstorung der Natur mit sich bringt, sollte man erkennen, daB wir keine Zeit verlieren durfen. Vielleicht kann uns die Natur selbst Rezepte liefern, die uns helfen konnten, letztlich auch sie besser zu schutzen. Nutzen wir die Evolution, um unsere eigene technologische Entwicklung zu korrigieren und sie uberlebensfahiger zu machen. Dazu brauchen wir Anregungen und Beispiele, die uns die Augen offnen, damit wir lernen, synergetisch zu denken und zu handeln. Dies ist wohl das erste Buch uber die Verpackungsproblematik, das mit einem solchen Anliegen an die Leser herantritt. Moge es nicht nur informieren, sondern auch dazu anregen, der Natur mit technischem Respekt und forschender Neigung zu begegnen. Bremen/Berlin, im August

2001

Udo Kuppers Helmut Tributsch

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Inhaltsverzeichnis

Celeitwort vorwort 1

2 2.1 2.1.1

2.1.2 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.3.1 2.3.3.2 2.3.3.3 2.3.3.4 2.3.4 2.3.4.1 2.3.4.2 2.3.4.3 2.4

Einleitung

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IX 1

Netzwerk Verpackung 3

Verpackungen in Natur und Technik 4 Struktur-Form-Systemik - Vernetze Aktionsfelder fur nachhaltige Verpackungen der Natur 4 Produkt und Menge - Leitbegriffe fur okonomische Verpackungen der Technik 6 Verpackung und Lebensraum 8 In lokaler Umgebung perfekt angepaBte Naturverpackungen 8 Weltweit wirtschaftlich zweckorientierte Technikverpackungen 9 SchluBfolgerung 10 Das Fertigungsprodukt Verpackung 11 Leistungsfahige Materialien hochster Wirkungsgrade bei biologischen Verpackungen 12 Materialverarbeitung technischer Verpackungen im Umfeld kunstlicher Stoffverbunde 14 Fugen durch adhasive Klebtechniken bei biologischen Verpackungen und ihr technischer Nutzen 16 Grundbausteine biologischer Klebstoffe 16 Seepocken (Balanus nubilis) 17 Orchideen (Orchidaceae) 18 Termiten (Nasutitermes) 19 Fugen durch adhasives Kleben bei technischen Verpackungen 21 Klebstoffe fur technische Verpackungen 21 Verpackungtechnische Anwendungen fur Klebstoffe unter besonderer Beriicksichtigung der Wiederverwertung 24 Einflusse auf das Klebstoff-Anforderungsprofilund Packstoffeignung 26 Verpackung und Packgut 26

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lnhaltsverzeichnis

Naturverpackung und Naturpackgut aus einem GuB 26 Verpackung und Packgut in der Technik - getrennte Entwicklung und gemeinsame Nutzung 28 2.5 Verpackung und Optimierung 30 2.5.1 Was bedeutet Optimieren? 30 2.5.2 Wie optimiert die Natur? 33 2.5.2.1 Evolutionare Algorithmen nutzen die Optimierungsstrategie der Natur 34 2.5.3 Wie optimiert die Natur Verpackungen? 35 2.5.4 Wie optimiert die Technik Verpackungen? 37 2.6 Verpackung und Transport 39 2.6.1 Kleinraumiges Wirkungsfeld zur Erhaltung der Art 39 2.6.2 Weltweite Transporte im wirtschaftlichen Wettbewerb 40 Verpackung und Umwelt 42 2.7 2.7.1 Naturverpackungen in der Umwelt - okonomisch und okologisch zugleich 42 2.7.2 Technische Verpackung - Umwelt - Verpackungsabfall 43 Mensch und Verpackung 52 2.8 2.8.1 Suggestive Kaufreize durch manipulierte Verpackungen 56 2.8.2 Einzelhaushalte und die Summe kleiner Verpackungen 58 2.8.3 Zaubenvort >>Convenience<<59 2.9 Netzwerk Verpackung - wo ist der Anfang und wo ist das Ende? 61 2.4.1 2.4.2

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Grenzflache Verpackung: Schlusselelernent fur Lebensprozesse

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Verpacktes Leben - Verpackungsbeispiele aus der Natur

4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.1.7 4.1.8 4.1.9 4.1.10 4.1.11 4.1.12 4.1.13 4.1.14 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3

Verpackungsstrategien und Verpackungsmaterialien 65 Strategien fur Verpackungshullen 65 Die Materialien tierischer und pflanzlicher Verpackungshullen 68 Farbige Verpackungen ohne Farbstoffe 7 3 Faltbare Strukturen 74 Verpackungen als Form- und Farbanpassungen 76 Multifunktionelle Verpackungen 78 Verpackungen die fur den Verbraucher leicht zu handhaben sind 80 Minimierte Verpackungen 82 Wehrhafte Verpackungen 82 Offnungs- und SchlieBtechniken 8 3 Rezyklierte Materialien fur Verpackungen 85 Selbstregelnde Verpackungen 87 Anhaftende Verpackungen 88 Geniefibare Verpackungen 91 Mechanisch und strukturell optimierte Verpackungen 93 Platzoptimierte Verpackungen 9 3 Faserverstarkte Hullen und dichte Packungen 96 Klarsichthullen 97

65

lnhaltswerzeichnis

4.2.4 4.2.5 4.2.6 4.2.7 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.3.6 4.3.7 4.3.8 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.4.5 4.4.6 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4 4.5.5 4.6 4.6.1 4.6.2 4.6.3 4.6.4 4.6.5 4.6.6 4.6.7 4.7 4.7.1 4.7.2

StoBgesicherte Verpackungen 97 Geformte Verpackungen 99 Druck-, stoB- und biegefeste Verpackungen 101 Dynamisch mitwachsende Kalkverpackungen 103 Wetter- und umweltoptimierte Verpackungen 104 Rinden: wetterfeste Verpackungen 104 Wachsschichten gegen Wetter, Feuchtigkeit und Licht 107 Verpackungen gegen Flugsand 108 Staubabweisende Hullen 110 Anti-Schimmel-Strategien bei Verpackungen 112 Schaumstoffverpackungen 112 Verpacktes Leben - Die Haut 113 Vor UV-Licht schutzende Verpackungen 115 Energieoptimierte Verpackungen 116 Energieoptimierte Hullen 116 Lehmverpackungen 121 Reflektierende Hullen 122 Durchscheinende, warmeisolierende Hullen 123 Kuhlende Verpackungen 124 Feuersichere Hiillen 125 Synergetischer Verpackungsschutz furs Leben 127 Die Eierschale 127 Das StrauBenei, Nahrung und rezyklierte Verpackung 132 Atmende Hiillen 133 Zwiebeln als universelle Verpackungen 134 Verpackungen mit Langzeitprogramm 135 Spezialisierte Verpackungen 137 Gerauschlose Verpackungen 137 Fliegende Verpackungen 138 Gewebte Verpackungen 139 Gesponnene Hiillen 141 Organische ,,Kettenhemden" 144 Wattehullen 145 Chemische Spezialverpackungen 146 Der Mensch als Teil der Natur und die Verpackung 147 Kiinstlich verpacktes Leben 147 Der Ubergang von nattirlicher zu technischer Verpackung 149

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Bionik der Verpackung 151 Bionik - Grenzgangerin zwischen Biologie und Technik

5.1 5.1.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3

151 Anleitung fur bionisches Forschen und Entwickeln 154 Verpackungsbionik - Produktentwicklung im komplexen Netzwerk Strategische Aktionsfelder der Verpackungsbionik 163 Lebensweg Verpackung 165 Die biokybernetische Verpackung 169

162

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Xlll

5.2.4 5.2.5 5.3 5.3.1 5.3.2

Verpackungsbionische Qualitatsmatrix - Kernelement der Verpackungsbionik 175 Evolutionare Verpackungsoptimierung 182 Biologische Vorbilder: Welche verpackungstechnischen SchluBfolgerungen? 187 Welche Strategien erkennt man? 187 Verpackungsmaterialien der Natur - wo werden sie bereits technisch genutzt? 189

6

Organisationsrnanagernent der Verpackungsbionik 193

6.1 6.2 6.2.1 6.2.2

Biologisches Organisationsmanagement der Verpackung 194 Technisches Organisationsmanagernent der Verpackung 200 Komplexe Organisation - komplexes Management 200 Die Wenn-dann-Logik des Miclingens im Organisationsmanagement 202 Bionisches Organisationsmanagement - BOM Vision fur eine ganzheitliche nachhaltige Verpackungswirtschaft 2 10 Systemische Denkrichtungen und Denkhemmnisse 217 Klare Zielvorgaben aus komplexen Zusammenhangen 219

6.3 6.3.1 6.4 7

Clobalisierung der Verpackungsstrorne - Verletzung bewahrter nachhaltiger Naturprinzipien? 223

7.1 7.2 7.3 7.4

Verpackungsmaterial, Verpackungsvolumen und Verpackungsmasse Energieeinsatz und Verpackungsstrome 224 Information, Transport und Verpackung 226 Lernprozeg und Zeithorizont 227

a

Zusarnrnenfassung und Ausblick Literaturnachweis 235 Stichwortverzeichnis

241

231

223

Jeder dumme lunge kann einen Ka&r - samt seiner Chitin-Verpackung - zertreten. Aber alle Professoren der Welt konnen keinen herstellen. (frei nach Arthur Schopenhauer)

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Einleitung Die technische Verpackungswirtschaft hat in den letzten Jahrzehnten unbestritten hervorragende Leistungen fur den Schutz und den Transport von Gutern des taglichen Bedarfs erbracht. Trotzdem kann man nicht gerade sagen, daB der moderne Mensch auf die Ergebnisse der Verpackungstechnologie uneingeschrankt stolz sein kann. Er begegnet ihnen namlich auf Hinterhofen, wo sich allerlei moglicher Abfall tiirmt, auf den Rampen von Kaufhausern, wo aussortierte Kartons gestapelt werden, oder an den Abfallhalden der GroBstadte, uber denen Scharen hungriger Vogel kreisen. Er wird mit ihnen aber auch in der Natur konfrontiert, wenn Mull an sonst idyllische Strande driftet oder weggeworfene Picknick-Reste das angenehme Griin des Waldes storen. Dort, in der puren Natur fallt besonders auf, daB die Probleme mit dem Lebensweg und der Entsorgung von Verpackungen etwas Unnahirliches im wahrsten Sinne des Wortes sind. Probleme dieser Art gibt es namlich in der Natur nicht. Auch dort werden viele und technisch vie1 auhendigere Verpackungen benutzt. Aber sie fallen nicht aus dem Rahmen, erzeugen keine Abfallberge, fugen sich in den natiirlichen Kreislauf ein, fallen nicht unangenehm auf, bedrohen nicht die Gesundheit und verschwinden in der Regel wieder problemlos aus der Welt. Die Natur hat ihre Verpackungsprobleme vollstandig gelost, was man von unserer Verpackungstechnik offenbar nicht behaupten kann. Was liegt naher, als diese Erkenntnis ernst zu nehmen. Viele Menschen haben dies sicher bereits instinktiv getan, aber beim weiteren Nachdenken resigniert. Haben nicht schon viele technisch anspruchsvolle Losungsansatze nur zu zweifelhaften Erfolgen gefuhrt? Wie sollte man dann die wesentlich komplexeren Mechanismen der Natur verstehen und sie fur unsere technische Welt nutzbringend adaptieren? Jemand mugte einen ersten systematischeren Versuch machen, und wir haben uns dazu entschlossen. Im vorliegenden Buch verfolgten wir das Ziel, Sie als Leser sowohl mit den Gesetzmafiigkeiten und Produkten heutiger Verpackungstechnologie zu konfrontieren, als Ihnen auch bewahrte Verpackungslosungen der Natur vorzustellen. Man wird dabei erkennen, daB technische Losungsansatze sehr oft auf kleine hintereinandergeschaltete Denk- und Handlungsschritte aufbauen. Die biologische Vorgehensweise ist demgegenuber charakterisiert durch vielfach vernetzte Handlungen, die zu hochgradig problemangepagten und ganzheitlichen Losungen fiihren. Die Natur ist realen Bedingungen unserer Welt ausgesetzt, denen sie in ihren langen Entwicklungszeitraumen nicht entfliehen kann. Demgegenuber neigen wir Men-

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J Einleitung

schen dazu, vielfach aus Griinden der Einfachheit, Problemlosungen in iiberschaubarem Rahmen zu venvirklichen. Antriebsmotor fur dieses Vorgehen ist im wesentlichen das Bestreben, kurzfristig okonomische Gewinne zu erzielen. Dabei iibersehen wir oft die tatsachlich vorhandenen Ruckkopplungswege in unserem Umfeld, die zu den envahnten belastenden Auswirkungen fuhren. Wir haben Strategien und konkrete Handlungsschritte herausgearbeitet, wie man mit Hilfe biologischer Vorbilder und bionischer Vorgehensweisen gegenwartige technische Probleme korrigieren und zukiinftige vorbeugend vermeiden kann. Sowohl die Entwicklung konkreter Verpackungsprodukte als auch die Organisation der verpackungstechnischen Ablaufe werden unter solchen Gesichtspunkten neu iiberdacht. Alle diese neuen Denkmodelle und praktischen Handlungen untenverfen sich einem iibergreifenden Ziel, namlich Nachhaltigkeit und okonomische Umweltvertraglichkeit Schritt fur Schritt zu venvirklichen. SchlieBlich wollen wir durch das Vorstellen herausragender biologischer Verpackungsvorbilder dazu anregen, daB sich Ingenieure in Ausbildung und Beruf intensiver fur die ausgereiften Naturlosungen begeistern und systematisch lernen, durch vernetztes Denken kreativ zu sein. Dies ware ein zukunftsweisender Beitrag in Richtung auf eine nachhaltig wirtschaftende Indus triegesellschaft.

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Netzwerk Verpackung Da in diesem einleitenden Teil die Rede vom Netzwerk Verpackung ist, mochten wir den Begriff Netzwerk, der auch in anderem, beispielsweise informationsgesellschaftlichem Zusammenhang (Internet) genutzt wird, etwas klarer herausstellen. Wir wollen den Begriff Netzwerk hierzu vergleichend auf biologische und technische Verpackungen anwenden. Diese Art biologisch-technischer Gegenuberstellung wird Sie auch durch die anschliegenden Unterkapitel von Teil2 leiten und einen ersten Uberblick uber die vielfaltigen Einflusse geben, die sich hinter dem Begriff Netzwerk Verpackung verbergen. Das Netzwerk einer biologischen Verpackung ist ein sich evolutionar entwickelndes Wirkungsgefuge, in dem verschiedene Vorgange (Materialbearbeiten und nutZen, Energien urnlenken, Informationen austauschen) zweckorientiert und effizient miteinander verbunden sind. Austausch-, Kooperations-, Koordinations- oder auch Konfliktprozesse, finden - fur die Starkung der individuellen Weiterentwicklung verpackten Lebens - in einer weitgehend kleinraurnigen, aber dennoch offenen Umgebung statt. Die evolutionare Entwicklung findet dynamisch statt, das heiBt: Netzwerkvorgange werden einrnal mehr, einmal weniger strukturiert miteinander verknupft, je nach individuellem Anpassungsgrad der Organismen. Das Netzwerk einer biologischen Verpackung besteht daher zu einem GroBteil aus miteinander verbundenen Vorgangen, die sich nach Art eines Kreislaufes,besser: nach Art mehrerer verknupfter Kreislaufe verhalten, was aber nicht bedeutet, daB alles mit allem verbunden ist. Daher fiihren Storungen im biologischen Netzwerk in der Regel selten zu totalen oder partiellen Zusammenbruchen, eher zu gedampften Storungsfortpflanzungen, bis zu deren ganzlicher Beseitigung. Biologische Verpackungsnetzwerke sind aus diesern und anderen Griinden nicht nur nachhaltig entwicklungsfahig, aus sich heraus okologisch, wirtschaftlich vorbildlich, sondern auch fehlertolerant. Das Netzwerk einer technischen Verpackung ist ein sich strategisch an den Bedurfnissen des Wirtschaftsmarktes entwickelndes Wirkungsgefuge, in dem wenige mit der Natur vergleichbare Material-,Energie-und Inforrnationsprozesse ablaufen. Das Handlungsumfeld streut von kleinraumiger Versorgung bis zu kontinentubergreifendem Handel. Ablaufe in diesem globalisierenden Netzwerk folgen sehr oft, aber nicht imrner, kausalen, nacheinander ablaufenden Vorgaben und linearen Handlungsverknupfungen. Die Ziele sind in erster Linie produktorientiert und die

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I Produkte wertschopfungsrnaximierend angelegt. Verpackungsoptimierung statt 2 Netzwerk Verpackung

Verpackungssystemoptimierung ist die Rangfolge, mit der Konsequenz nachhaltiger Folgelasten statt nachhaltiger Weiterentwicklung. Insofern ist der Begriff Netzwerk fur technische Verpackung weniger mit evolutionar-systernischen, dafur mehr mit linear-strategischen Ablaufen besetzt.

Kurz: Im komplexen Netzwerk biologischer Verpackungen ist der Wirkungszusammenhang der Ablaufe auf dern Lebensweg einer Verpackung Grundlage fur nachhaltige Verbesserungen und mehr als die Summe partieller Handlungsoptirnierungen. Im komplexen Netzwerk technischer Verpackungen sind die Produkte Basis einer okonomischen, grogtenteil linear ablaufenden optimierten Wertschopfung. Es zeigt sich zunehmend, daB der Gesamtgewinn, also die Surnme dieser envirtschafteten Werte plus die Aufwendungen fur Folgelasten (Umweltbelastung, Entsorgungprobleme), die zwangslaufig aus kausalen Handlungsverlaufen irn Netzwerk entstehenden, weniger ist als die Optimierung des vernetzten verpackungstechnischen Gesamtgefuges. Hinter dieser kurzen Gegenuberstellung steht nichts weniger als die Forderung eines Paradigmawechsels fur die Wirtschaft im allgemeinen und der Verpackungswirtschaft, als eine Querschnittswirtschaft,die viele Industriebereiche bedient, im besonderen. Wie dieser weniger abrupt, aber stetig vollzogen werden kann, dazu sollen die folgenden Texte und Bilder anregen. Es sollte aber nicht vergessen werden, daB immer folgender verpackungstechnischer Grundsatz gilt:

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Die Natur verpackt fur ihre Organismen, die Technik verpackt fur ihre Produkte.

Dennoch hoffen wir, lhnen als Leser des Buches zeigen zu konnen, daB biologische Verpackungen in ihrer unermeBlichen Vielfalt und Effizienz ein okologisches und okonornisches Potential besitzen, der wirtschaftlichen Verpackungstechnik eine konstruktive Hilfe fur nachhaltige Produktentwicklung zu geben, eben durch eine B l O N l K der Verpackung.

2.1 Verpackungen in Natur und Technik 2.1.1

Struktur-Form-Systemik - Vernetze Aktionsfelder fur nachhaltige Verpackungen der Natur

Die uber eine Milliarde Jahre andauernde Verpackungserfahrung der Natur hat dazu gefuhrt, daB sie mit den rneisten Materialien experimentierte, die der Mensch auch fur Verpackungen einsetzt. Eine Ausnahme bilden Werkstoffe, die zur Herstellung

2.7 Verpackungen in Natur und Technik 15

hohe Temperaturen erfordern. Als Ausgleich dafur hat die Natur mit einer Hand voll Grundstoffen variantenreiche Strukturen und Formen von Verpackungen hervorgebracht, deren verpackungsintelligente Eigenschaften wir mit unserer Technik nicht annahernd beherrschen. Lernen von der Natur wird aller Voraussicht nach auch fur den Bereich technischer Verpackungen eine wertvolle Hilfe fur menschliches Handeln, bei dem Fragen aufgeworfen werden wie:

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Wie hat die Natur dieses Problem geltist? Warum hat die Natures gerade so geldst?

Diese evolutionar entwickelten Naturlosungen folgen alle dem generellen Ziel der Nachhaltigkeit. Ein Produkt ist in diesem Sinn nachhaltig, wenn es im Netzwerk lebenslaufabhangiger Einfliisse die gegebenen qualitativen bzw. quantitativen Anforderungen erfiillt und daruber hinaus eine Weiterentwicklung ohne hinterlassene Folgeprobleme gewahrleistet. Aus biologischer Sicht spricht man von einem FitneBProfil, das sich optimal dem natiirlichen Lebensraum anpaBt. Das technische Pendant wird Anforderungsprofil genannt. Es war iibrigens ein Deutscher, der sachsische Oberberghauptmann Hans Car10 von Carlowitz, der vor beinahe 3 0 0 Jahren das nachhaltige Wirtschaften als sinnvolle und zukunftsweisende Tatigkeit gezielt forderte (Grober 1999). Durch seinen Weitblick erkannte er, daB der politisch motivierte Raubbau der Walder zur Aufriistung von Schiffsflotten, ohne uberlegtes Handeln bei der Wiederaufforstung, sehr schnell zu einem volligen Verbrauch des Rohstoffes Holz und damit zu einem Erliegen des Nachschubs fur den Schiffsbau fuhren wiirde. Sein 1713veroffentlichtes Buch ,,SylviculturaOeconomica - Naturgemage Anweisung zur Wilden Baum-Zucht", gilt vielen als die Geburtsstunde fur nachhaltiges Wirtschaften in unserem Lebensraum. Verpackungsmaterialien mussen, wenn sie in die vorgesehene Struktur und Form gebracht worden sind, streng definierte physikalische und chemische Eigenschaften besitzen. Nicht selten mussen mehrere Qualitatskriterien gemeinsam erfiillt sein. Die Natur hat im Verlauf ihrer Evolution fur eine Vielzahl heterogener Materialien und Materialverbunde, angepaBt an die jeweilige Umwelt, zielstrebig ausgefeilte Fertigungstechniken (u. a. Trennen, Fugen, Stoffeigenschaften andern) sowie Transport- und Lagertechniken ganzheitlich, das heigt systemisch optimiert. Viele Verpackungsproblerne in Kombination mit Strukturaufgaben lost die Natur mit den umweltvertraglichen Werkstoffen Lignin, Chitin und Keratin. Nicht selten sind Verpackungsmaterialien verbundwerkstoffartig aufgebaut. Beispielsweise spinnen Insektenlarven Wohnrohren, oft unter Einflechtung von Holzstabchen oder Steinchen. Dabei schaffen sie es, wie bei modernen atmungsaktiven Geweben, trotz Feuchtigkeitsisolierung die Atmung durch die Wandung aufrechtzuerhalten. Die Natur schafft es auch ohne Probleme, kunststoff- oder glaswolleahnliche Eigenschaften mit umweltvertraglichen und rezyklierbaren Materialkombinationen zu realisieren. In Kapitel4 werden hierzu eine Vielzahl biologischer Verpackungsbeispiele und deren technisch relevante Leistungen erortert. Die Natur prasentiert ihre Verpackungsqualitaten nicht nur durch die produktorientierten Merkmale Struktur und F o m , sondern erganzt sie durch ein drittes ver-

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I fahrenstechnisches Merkmal, die 2 Netzwerk Verpackung

Systemik (in Kapitel5.z wird auf diese drei Merkmale ausfuhrlich eingegangen). Dieses verfahrenstechnische bzw. organisatorische Merkmal garantiert die nachhaltige Weiterentwicklung der erfolgreichen Strukturund Formlosungen biologischer Verpackungsprodukte. Das systemische (Verpackungs)management der Natur verknupft die ,,Arbeitsgange" von Produktlebenslaufen auf derart elegante Weise, daB Ressourcenverarbeitung, Produktionswirkungsgrad und Produktleben, angepaBt an den jeweiligen Lebensraum, hochste Wirksamkeit besitzen. Das bedeutet unter anderem, daB Materialien zu IOO % wiedervenvertet werden und die zur Verfugung stehende Energie sehr rationell genutzt wird. Durch entsprechend ganzheitlich-vernetzte und ruckgekoppelte Verfahrensablaufe in der Natur sind biologische Verpackungen Teile eines ausgeklugelten Netzes aus optimal aufeinander abgestimmten Material-, Energie- und Informationsflussen. Ein grundlegendes Merkmal dieser Verfahrensprozesse ist der Regelkreis, praziser: der biokybernetische Regelkreis. Weiter unten wird auf dieses besondere Merkmal noch ausfuhrlich eingegangen. Das Spektrum in der Natur realisierter Verpackungslosungen ist sehr grog und ist bisher im Hinblick auf Vorbilder fur technische Anwendungen weder systematisch noch systemisch durchforstet worden. Hinter den evolutionaren Naturverpackungen und naturlichen Verpackungsprozessen verbergen sich ausgeklugelte Konstruktionen, Verfahren und Prinzipien, die wegen der angedeuteten groBen Zahl - auch im Rahmen dieses Buches - nur an ausgewahlten Beispielen erlautert werden konnen, jedoch der Leserin und dem Leser anregende Einblicke in den unermeglichen Variantenreichtum effizienter Verpackungen der Natur vermitteln. 2.1.2

Produkt und Menge - Leitbegriffe fur okonomische Verpackungen der Technik

Seit es Guter des taglichen Bedarfs fur uns Menschen gibt, die nicht unmittelbar an Ort und Stelle der Herstellung auch genutzt, das heiBt verbraucht werden, seitdem stellt sich auch die Frage nach Schutz und Transport dieser Waren. Geschichtlich 1aBt sich die Nutzung von Naturmaterialien, insbesondere Papyrus, Baumrindenprodukte, Blatter und Tierfelle sowohl fur energetische, informative und mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit auch verpackungstechnische Zwecke, bis zu den agyptischen Pharao-Dynastien des 3. Jahrtausend vor christlicher Zeitrechnung verfolgen (Shannon 1987).Auch heute nutzen noch verschiedene Naturvolker in Amerika und Afrika die technischen Leistungsmerkmale von Naturverpackungen fur die Losung ihrer Verpackungsprobleme. Die Strauneneischale dient den sudwestafrikanischen Buschmannern zum Beispiel immer noch als hervorragender Langzeitspeicher fur Wasser. Auch hierauf kommen wir spater detailliert zuruck. Diese Art nachhaltiger und energieeffizienter Verpackungsnutzung geschieht bei diesem Naturvolk durch empirisch-intuitive Kenntnis der Naturstoffeigenschaften, die uns technisierten Menschen abhanden gekommen ist. Noch bis zum Ende der ersten Halfte des 20. Jahrhunderts wurden - wohl aus der Not geboren und aus Mange1an technischen Alternativen - in Lebens-Wohn-Bereichen naturlich kuhlende Kellerraume konsequent auch fur die Langzeit-Lagerung von Lebensmitteln in

2.1 Verpackungen in N a t u r und Technik

geeigneten Naturstoffverpackungen genutzt. Die holzerne, luftdurchlassige, mit einer schragen Rutsche ausgestattete Kartoffelkiste ist hierfur ein markantes Beispiel. Heute haben sich Verpackungserfahrungen und wissenschaftliche Kenntnisse uber Verpackungen in eine regelrechte Verpackungstechnologie gewandelt. Diese tragt d a m bei, daR uber den ganzen Erdball und daruber hinaus - denken wir an die Raumfahrt-Verpackungen unterschiedlichster Materialien und Formen fur Schutz und Transport der ebenso unterschiedlichen Verpackungsinhalte sorgen und sie sicher von einern Ort zum anderen befordern. Daraus leiten sich drei grundlegende Forderungen technischer Verpackungen ab (Berndt et al. 1989): I.

Qualitatssicherung Die Verpackung schutzt den verpackten Inhalt vor allen Beanspruchungen zwischen Hersteller und Verbraucher

2.

Warentransport Die Verpackung gewahrleistet den rationellen Durchlauf bei Lagerung, Packgutumschlag und Transport

3. Information und Marketing Die Verpackung informiert den Verbraucher uber den Verpackungsinhalt unter Einhaltung gesetzlicher Vorschriften Viele tausend unterschiedliche Verpackungen schutzen viele tausend verschiedene Waren, die aus flussigen, festen und gasformigen Stoffen oder Stoffgemischen bestehen. Darunter befinden sich Verpackungen und Packguter vielgestaltiger Formen und GroBen, variabler Gewichte sowie verschiedenartiger Ernpfindlichkeiten. Und taglich werden es mehr! Als Folge dieser Verpackungsvielfalt existieren Varianten von Verpackungsstoffen, die in dieser Zusammensetzung in der Natur nicht vorkommen. Denken wir nur an die Vielzahl technisch-chemisch erzeugter und in den seltensten Fallen naturvertraglicher Verpackungsstoffe wie Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylen (PE) oder Polystyrol (PS), um nur einige wenige zu nennen. Ebenso resultieren aus dieser unvorstellbaren Menge Verpackungen, die mit ihren spezifischen technischen Anforderungsprofilen auf den jeweiligen Inhalt kalibriert sind, zahlreiche Stoffverbunde, deren Weiterverwertung bzw. Entsorgung nach der eigentlichen wirtschaftlichen Wertschopfung zum Teil augerordentlich kostenaufwendig und hochst umweltproblematisch ist. Bei dieser problernreichen Materialanhaufung entsteht der Eindruck, daB in der Technik das Produkt die Organisation des Verpackungszyklus bestimrnt. Technische Verpackungsablaufe, von der Rohstoffgewinnung uber Herstellung, Handel, Nutzung bis zur Wiederverwertung und Entsorgung, laufen noch zum groBen Teil in linearer, kausaler Folge ab. Das ist ahnlich einem SteuerungsprozeB, bei dem ein Signal eine Aktion auslost, die wiederum eine Aktion auslost und so weiter. In der Wirtschaft, auch in der Verpackungswirtschaft, laufen viele aufeinander abgestimmte Verarbeitungswege noch nach diesem geradlinigen Handlungsprinzip ab. Oberstes Ziel, praziser: oberstes Wirtschaftsziel verpackungstechnischer Prozesse ist die geldwerte Steigerung des Produktes. Dern hat sich alles andere unterzuordnen! Die stetige Steigerung der Verpackungen als Ware und Geld fragt danach:

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8

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2 Netzwerk Verpackung

1

Welche Verpackungen werden benotigt? Wieviele Verpackungen mussen hergestellt werden?

Diese folgen dem Maximierungs-Prinzip der okonornischen Wertschopj%ng,unterstutzt durch die sogenannte Kapital- und Arbeitsproduktivitat. Erst in allerjungster Zeit, aufgrund zunehmender Folgeprobleme durch industriebedingte Umweltschaden, ist eine vorsichtige Hinwendung zu einer Wertschopfung erkennbar, die neben dem okonomischen auch den okologischen Aspekt wirtschaftlicher Prozesse berucksichtigt. Diese Folgeprobleme zeigen sich unter anderem in Form von kostenaufwendigen Zusatzinvestitionen der Wirtschaft, die mehr zur Beseitigung und weniger zur Vorbeugung der Umweltschaden eingesetzt werden, als auch durch Aufwendungen aufgrund verscharfter gesetzlicher Rahmenbedingungen fur stoff- und energieverarbeitende Vorgange. Wie weit und wie konsequent dieses umweltokonomische Handeln zu der notwendigen nachhaltigen Verbesserung fur Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt fuhrt, bleibt abzuwarten. Mit dieser ersten Gegenuberstellung von Verpackungen in Natur und Technik wird schon das Spannungsfeld deutlich, in dem sich die in den Kapiteln 5 und 6 vorgestellte Bionik der Verpackung und des Verpackungsmanagements zu bewahren hat. Aber gehen wir nun im Netzwerk Verpackung weiter und betrachten bzw. diskutieren - wieder in Form einer biologisch-technischen Gegeniiberstellung - verschiedene Merkmale bzw. Einflusse etwas genauer, ohne den weiter unten folgenden biologisch-technischen Ausfuhrungen bionisclier Betrachtungsweisen wesentlich vorzugreifen.

2.2

Verpackung und Lebensraum 2.2.1

In lokaler Umgebung pedekt angepai3te Naturverpackungen

Es existiert auf unserer Erde kaum ein Lebensraum, abgesehen von wenigen Ausnahmen wie extreme Gebirgshohen, groge Tiefen der Meere (die wir noch wenig kennen) und Raume hoher Temperaturen (Vulkane), in dem nicht Verpackungen der Natur das eine oder andere Lebewesen schiitzen und auf diese Weise zur Erhaltung der Art beitragen. Verpackungen in diesen Lebensraumen, die auch Biotope genannt werden, entwickelten ihre Schutzfunktion fur die Lebewesen naturgemaB durch evolutionare Anpassung an die lokalen, standigen Anderungen untenvorfenen Umgebungen. Die folgende Aufzahlung beinhaltet Beispiele von natiirlichen Verpackungen mit charakteristischen Verpackungsmerkmalen, die einzelnen Lebensraumen zugeordnet sind. Die Beispiele weisen einerseits auf den augerordentlich hohen und efizienzen Anpassungsgrad hin, mit dem sich Lebewesen durch ihre Art der Verpackung Uberlebensschutz geben. Andererseits geben sie einen ersten Uberblick daruber, mit welcher Reichhaltigkeit die Natur Verpackungen ausbildet und strukturiert, und alles trotz der nur wenigen materiellen Grundbausteine, die

2.2 Verpackung und Lebensraum 19

Tab. 2.2.1

Beispiele von biologischen Verpackungen in ihren Lebensraumen

Borealer Nadelwald und Taiga

Polarfuchs

minimierte Korperfortsltze, kleinste Oberflache

Borealcr nordlicher Mischwald

Biber

warmeresistentes Fell, obenvinterung im Familienverbund

lrnmergriiner tropischer Regenwald

Riesenschlange

Schuppenkleid, nimmt Umgebungstemperatur a n

Savannr

Stra tiR

lockeres Federkleid mit aufstellbaren Federn

Wiiste

Kamcl

Fettpolster als Hockcr auf dem Riickeii, uin Warmrablcitung zu ermiiglichen

Tundra

Tundragans

hochstrukturiertes Federkleid, die meisten Federti an Kopf urrd Nacken

Ccbirgsvegetation

Lobelie

sammeln Wasser zur Speicherung von Sonnenwarme, reflektieren UV-Strahlung

Insrln

Antarktis

I ~guana Kaiserpinguin

I Oberflache wird bei Hitie heller

I

hochstrukturiertes Frderkleid, KA1teresistcnz

zur Verfugung stehen. Sie werden in den Kapiteln 3 und 4 noch Gelegenheit haben, ausfuhrlich uber Details natiirlicher Verpackungsraffnessen zu lesen. Eine Anmerkung zu Tabelle 2.2.1sei noch erlaubt. Die Form der Kastchendarstellung sol1nicht dazu verleiten anzunehmen, daB Naturverpackungen nur dort einsetzbar sind, wo sie sich im Netzwerk lokaler Umgebungseinflusse optimal einfiigen. Naturverpackungen sind - wie auch alle anderen Ergebnisse der Evolution - in einer ,,offenen" Umwelt entstanden, in der Einfliisse verschiedenster Art auf die Verpakkung wirken. ,,Offen" steht hier im Gegensatz zu ,,hermetisch abgeschlossen". Beispielsweise zeigt uns die Beschreibung der KokosnuB in Kapitel 2.5.3 und ausfiihrlicher in Kapitel4, wie sich diese biologische Frucht samt Verpackung fur das Existieren in verschiedenen Biotopen entwickelt hat. 2.2.2

Weltweit wirtschafilich zweckorientierte Technikverpackungen

Technische Verpackungen sind, im Gegensatz zu biologischen Verpackungen, aus dem zielorientierten Zwang eines vorgegebenen, zu verpackenden Produktes - Packgut bzw. Packungsinhalt - heraus, optimiert. Wahrend die biologische Verpackung Teil eines geschickten Entwicklungsprozesses ist, der sich nahtlos in die netzwerk-

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2 Netzwerk Verpackung

bestimmende Optimierung von Verpackung, Inhalt und lokaler Umgebung einpagt und bei dem mehrere Einflussgrogen gleichzeitig optimiert werden, nutzen die Ingenieure der Verpackungstechnik einen eingeschrankteren Losungsansatz. Sie suchen gezielt - oft kausalen Entwicklungsschritten folgend - nach Verpackungslosungen fur technische Verpackungen, die durch die Inhalte der Verpackungen vorgegeben sind. Spezifische Anforderungsprofile an die Verpackung unterstutzen diese Entwicklung. Hierzu in Kapitel 2.4 mehr. Die Verpackungstechnik greift hierbei auf eine Vielzahl von Verpackungsformen und insbesondere natiirliche und kunstliche Verpackungsmaterialien zuruck, die in der Regel den drei oben genannten Grundforderungen (Qualitatssicherung, Warentransport, Information und Marketing) technischer Verpackungen entsprechen. Einen hautnahen Eindruck von der grogen Vielfalt an technischen Verpackungen bekommt jeder von uns beim taglichen Einkauf im Supermarkt. In unserer Wirtschaft wird fast alles verpackt. Das hat weitreichende KonsequenZen. Der Motor dafur ist die Globalisierung der Verpackung. In den sogenannten Industrielandern, die das verpackungstechnische Know-how besitzen, wird die Basis dafur gelegt, daB Verpackungen Warentransporte rund um den Erdball und bis in die entlegensten Teile der Erde ermoglichen. Die Konsequenzen zeigen sich aber nicht nur in einem weltweiten Umschlag der Packungsinhalte zum Nutzen der Verbraucher und der Industrie, sondern ebenso durch weltweit transportierte, teilweise aufaddierte Entsorgungsprobleme der Verpackungen nach ihrer Nutzungszeit. 2.2.3 SchluBfolgerung

Welche SchluBfolgerung konnen wir nun ziehen? Biologische Verpackungen sind in kleinraumiger Umgebung systernoptimiert. Sie sind, unter Beriicksichtigung vernetzter Einflusse, durch Verpackungsinhalt und Umwelt, angepagt an den jeweiligen LebensprozeB. Verpackung und Verpackungslebensweg fuhren im Lebensraum zu einer nachhaltigen Weiterentwicklung. Eine Verpackungsentsorgung im technischen Sinn kennt die Natur nicht. Demgegenuber werden technische Verpackungen fur bestimmte flussige, feste oder gasformige Verpackungsinhalte mit zugehorigen Einflugmerkmalen entwikkelt. Sie sind prooduktoptimiert, selten prozeRoptimiert und so gut wie gar nicht ganzheitlich optimiert! Das fuhrt im Extremfall d a m , daB Aluminium- bzw. WeiBblechdosen oder Kunststoffflaschen, die zum Teil mehrere hundert Jahre und langer haltbar sind (UNEP 1991), auf den hochsten Gipfeln des Himalaja-Gebirges oder in den Fangreusen von Fischerbooten auf den Meeren oder als chemische Reste von Verpackungsverschlussen in den Magen von Organismen zu finden sind, die uns Menschen als Nahrung dienen. Bekannte und unbekannte Lebensraume werden dadurch nachhaltig belastet und auch zerstort. Fassen wir unsere Schlugfolgerung in einem Satz zusammen: Wahrend verpackungstechnische Handlungen der Natur lebensraumvertraglich und dadurch nicht umweltbelastend sind, resultiert aus vielen verpackungstechnischen Handlungen der Technik das Gegenteil.

2.3 Das Fertigungsprodukt Verpackung

2.3

Das Fertigungsprodukt Verpackung

Die Herstellung von Verpackungen - ob in der Natur oder in der Technik - ist ein komplexer stofflicher VerarbeitungsprozeB, an dem viele einzelne Verarbeitungstechniken beteiligt sind. Die Optirnierung des fertigungstechnischen Produktes Verpackung erfolgt nach Vorgabe eines bestimmten Ziels oder mehrerer Ziele. Unter Einsatz von Energie und ausgewahlten Fertigungstechniken wird die Verpackung schlieglich in eine zweckmal3ige Form gebracht. Neben der Form ist die Struktur des Materials oder der Materialverbunde ein weiteres Qualitatskriterium zur Erfullung der Ziele. SchlieBlichsind noch die einzelnen Fertigungstechniken selbst zu nennen, derer sich die Natur und die Technik fur Verpackungsprodukte bedient. Die ingenieurtechnische Einteilung unterscheidet G Haupttechniken, die zusammen mit je einem biologischen und technischen Beispiel in Tabelle 2.3.1wiedergegeben sind. Nach der voranstehenden Einteilung werden alle Haupttechniken fertigungstechnischer Prozesse fur das Produkt Verpackung in Natur und Technik genutzt. Aufdie Fertigungstechniken be1 biologischen und technischen Verpackungs Fertigungsprodukten

Tab. 2.3.1

Biologisches Fertigungsprodukt

Technisches Fertigungsprodukt

Urformen

fixierter Kohlenstoff bzw. assimiliertes Kalzium (bei kalkschalenbildenden Organismen)

Halbzeuge fur Transportverpackungcn, Paletten

Urnformen

alle Wachstumsprozesse Metamorphosen der Verpackungen, z. B. von Raupe zu Schmetterhng

Tiefziehprozesse zur Herstellung von Dosen, Kunststoffflaschrn

Trennen

vormarkierte Trennfugen bei Fruchtverpachngen

ReilSen von VerschluBsystemen

Fiigen

Hybridfugen bzw. adhaisives Fugen bei Organismen in verschiedenen Biotopen (Insekten, Krebse, Baume)

Falten und Kleben von Kartonverpackungen

Beschichten

hydrophobierte Oberflichen durch Wachsschicht bei Pflanzenverpackungen

Oberflachenlackieren von Verkaufsverpackungeri

Stoffeigenscha ften andern

Alterungsanzeige durch Farbumschlag bei Fruchtverpackungen

,,intelligente" Verkaufsverpackung mit in tegrierten Alterungssensoren

Fertigungstechnik

- Haupttechnik -

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2 Netzwerk Verpackung

eine oder andere Fertigungstechnik vertieft eingehen hiege, den Rahmen des Buches zu sprengen. Deswegen soll eine spezielle Fertigungstechnik unter Kapitel 2.3.3 und Kapitel2.3.4 herausgegriffen werden, die fur technische Verpackungen und weit daruber hinaus zunehmend an Bedeutung gewinnt: Fugen durch adhasives Kleben. Auch kann hier auf eine einfuhrende Ubersicht uber Verpackungstechniken in der Natur hingewiesen werden, die unter anderem auf spezielle Offnungs- und SchlieBtechniken, Verpackungen fur den Schutz giftiger und chemischer Stoffe, Verpackungslebensweg und Verpackungsrecycling eingeht (Mieth 1991). Eine umfangreiche Darstehng verschiedener Verpackungstechniken der Natur werden wir in Kapitel4 prasentieren. 2.3.1

Leistungsfihige Materialien hochster Wirkungsgrade bei biologischen Verpackungen

Sehen wir uns die Materialverarbeitung bei biologischen Verpackungen etwas genauer an. Hier stoBen wir sofort auf ein grundlegendes Prinzip, dem sich alle fertigungstechnischen Schritte unterzuordnen haben und das den Verpackungsmaterialien herausragende Materialeigenschaften verleiht: das Prinzip des Verpackens wachsenden Lebens! Hier zeigt die Natur mit einem Minimum an Grundbausteinen in ihrem Stoffbaukasten ein Maximum an Materialvielfalt, Materialeffizienz und technischen, physikalisch-chemischen Leistungen, die ihresgleichen suchen. Und wenn daruber hinaus noch die Beschrankung der stofflichen Auswahl auf lokale Lebensraume der Organismen berucksichtigt wird, scheinen manche erbrachten Leistungen fast wie Wunder. Jahrmillionen bevor der Mensch die Idee hatte, die Qualitaten von Werkstoffen durch sogenannte Verbundsysteme zu verbessern, hatte die Natur bereits unzahlige Varianten von Werkstoff-Verbundsystemen erprobt, optimiert und fur gut befunden. Zwei bekannte Beispiele von marinen Organismen mit Schalenverpackungen aus Verbundmaterial- diese Biomaterialien stehen gegenwartig im Brennpunkt technischer Materialoptimierung (biomimetische Materialien) - verdeutlichen diesen Naturvorsprung. Abbildung 2.3.1 zeigt den in tropischen Meeren beheimateten Panzerkrebs Odontodactylus. Bei bestimmten Arten mutierten die Beinpaare zu Keulen (Abbildung 2.3.2) aus augerordentlich hartem Material. Diese Keulen dienen dem Krebs unter anderem als Werkzeug fur das Zerstoren von Muschelschalen, urn an die proteinreiche Nahrung zu gelangen. Die Schlagkraft der Keulen soll der einer Pistolenkugel kleineren Kalibers entsprechen! Was fur ein materialtechnisches Geheimnis verbirgt sich dahinter? Untersuchungen haben gezeigt, daB die Grundstruktur des Materials aus Chitin besteht, die durchsetzt ist mit mineralischem Phosphor und Kalzium, wobei zur Oberflache hin der Phosphoranteil im Verhaltnis zum Kalziumanteil ansteigt (siehe Coineau et al. 1987). Die Natur hat in diesem Fall ein hochwirksames Verbundmaterial aus Chitin, Kalzium und Phosphor entwickelt und zielgerichtet optimiert. Das zweite Beispiel eines Verbundmaterials der Natur zeigen die Abbildungen 2.3.3 und 2.3.4 in Form der augerlich sandgrau aufgerauhten und innerlich perlmutartig schimmernden Schalenverpackung der Meeresschnecke Abalone. I hr Verpackungs-

2.3 Das fertigungsprodukt Verpackung Abb. 2.3.1

Panzerkrebs (Odontodactylus havanensis)

Abb. 2.3.2 Scheren und Keulenpaare des Panzerkrebses

Abb. 2.3.3 Schale der Meeresschnecke Abalone aus Calciumcarbonat-proteinVerbundmaterial (AuiSenseite)

Abb. 2.3.4 Schale der Meeresschnecke Abalone (Innensette)

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2 Netzwerk Verpackung Tab. 2.3.2

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I

Stoffbaukasten der Natur mit Verpackungsbeispielen

Biologische Stoffe

I

Hauptsachliche Stoffverbiinde

I

Biologische Verpackungen

1 Wdxaer (in verschiedrn grogen Mengen uberall rnthdlten)

1. 2 Detergrnzicn

Schleini. Schmrn

2

2, 5

Mu\c helschaleri

3 Cliitin

3, 5 (Rrsllin)

insektenpanzer und Gelenke

4 Lignin

4,s

NufSdale

Kdlk

6 Silikatr

I 8Tanniri I 9 Mineralien 10 Pcktinr

I

6 , 11

I 8.10. t3arze I9,5 10, 7

I

Hullen \'on Kiesclsctiwammen

1 Rinden (Eiche) I Kocherfliegerilarven Pflanzen-, Quittrnschleim, G n ti1 rn e n . F rricht sc-halen

material-Geheimnis ist die unwahrscheinlich hohe Bruchfestigkeit, 3000mal bruchfester als ein Kalkkristall (Smith 1999).Dieser Wert ist fur uns um so erstaunlicher, wenn wir wissen, daB das Basismaterial Kalk der Schale identisch ist mit dem Material der von uns aus unserer Schulzeit bekannten Tafelkreide. Erreicht wird die auISergewohnliche Leistung des Verbundmaterials durch das schichtweise aufgebaute Tragermaterial Calciumcarbonat mit dazwischenliegendem Proteinklebstoff. Dieser sandwichartige Aufbau der Schalenverpackung gibt unter Belastung - ohne Bruch nach, indem in der Klebstoffschicht schwache Bindungen reisen, die Molekule sich reorganisieren, um anschlieBend wieder zur urspriinglichen Struktur zuriickzufinden. Wir haben es demnach mit einem Verpackungsmaterial zu tun, das in gewissen Grenzen nachgibt und sich wieder reorganisiert. Die sandwichartige Anordnung harter und elastisch weicher Schichten war iibrigens das Geheimnis der beriihmten stahlernen Damaszenerklingen, in der Schichten aus hartem und weichem Eisen zusammengeschmiedet wurden. In Tabelle 2.3.2 sind einige stoffliche Gmndbausteine der Natur aufgelistet, mit der sie Verpackungen fertigt. Hierzu sind die entsprechenden Stoffverbiinde und ein typisches Verpackungsbeispiel angegeben. 2.3.2

Materialverarbeitung technischer Verpackungen irn Umfeld kiinstlicher Stofkerbiinde

Der ,,Stoffpool" fur technische Verpackungen beinhaltet neben synthetischen Stoffen ebenso Naturstoffe als Basis fur die Weiterverarbeitung. Tabelle 2.3.3 ordnet diese Naturstoffe 5 Materialklassen von Verpackungen zu.

2.3 Das Fertigungsprodukt Verpackung 115 Tab. 2.3.3

Naturstoffe f u r technische Verpackungsrnaterialien

Verpackungsmaterialien

Verpackungsnaturstoffe

pa pier-Kartonverpackurig

Holz als wichtigster Rohstoff, andere Pflanzen-. Leinund Baumwollstoffr sowie Wassrr

Glasverpackung

zu fast 2/3 Quarzsand (SiO,) - Si ist iibrigens das zweithiiufigste Element der Natur -, Soda (Na,CO,), Kalkstein (CaCO, . MgCO,). Feldspat (K,O . A1,0, . SiO,)

Alurniniiirnverpackung

Al~uniniumoxid(AI,O,), verschiedene mineralische Al-Vrrbindungen, hauptsichlich mit Sauerstoff (0)und Silizium (Si)

M etallverpackun g

Eisrn (Fe)-Verbindungen und andere Elemente wie Zinn (Sn). Chrom (Cr) und Zink (Zn)

Kunststoffverpacknng

Kohlenstoff (C) (Kohle), Kohlenwasserstoff-Verbi~idiin. gen wie Methan (CH+ Erdgas). Sauerstoff-, Schwefelund Stickstoffverbindungen (Erdol)

Im Gegensatz zu mitwachsenden Naturverpackungen gilt fur technische Verpakkungen allgemein das Prinzip des Verpackens von formbestandigen Objekten. Auf die Besonderheiten bei der Anwendung technischer Transport-Verpackungen fur lebende Pflanzen und Tiere sol1 hier nicht eingegangen werden. Auch wenn viele Naturstoffe die Basis fur technische Verpackungsmaterialienbilden, resultieren im weiteren Verlauf dieser Verpackungsmaterial-Lebenswege Probleme mit weitreichenden Folgen. Bei der Weiterverarbeitungund Veredelung dieser Naturstoffe zu Wirtschaftsgutern der Verpackungsindustrie mischen sich zusatzlich - in nicht unerheblichen Mengen - Kunststoffe unter die natLirlich abbaubaren Stoffe. Diese Stoffgemische, mit in der Natur nicht vorkommenden chemischen Verbindungen, lassen sich durch naturliche Entsorgungsprozesse nicht mehr vollstandig in die urspriinglichen naturvertraglichen Bestandteile zerlegen. Technische Entsorgungsprozesse mit zum Teil hohen Umweltbelastungen sind die zwangslaufige Folge dieser Material-Veredelungsvorgange. Hinzu kommt, daB fur bestimmte Produktionsverfahren, beispielsweise bei der Herstellung von Aluminium, noch ein augerordentlich hoher Energieeinsatz erforderlich ist, mit wiederum hohen naturbelastenden Auswirkungen. Der ElektrolyseprozeB von Rohaluminium benotigt gegeniiber einem normalen EinschmelzungsprozeB fur wiederverwertbares Aluminium ca. 95 % mehr Energie und belastet Luft und Gewasser im entsprechenden Umfang. Trotz der Abstriche bei der Produktqualitat des Recyclingmaterials und weiteren Mehraufwendungen (sammeln, transportieren, reinigen), bleibt die Wiedervenvertung unter umweltokonomischen Gesichtspunkten eine deutlich bessere Option fur diesen Verpackungsrohstoff. Andere Verpackungswertstoffe wie kunststofheschichteter Karton, Polystyrol (PS)-Aluminium-Kombinationen, Polyvinylchlorid (PVC)- oder Polyethylen (PE)-Stoffverbindungen,also in der Regel verunreinigte

16

I Kunststoffe, sind nur in minimalem MaBe fur den ursprunglichen Zweck wieder2 Netzwerk Verpackung

venvertbar. Das Fazit ist: Viele technisch veredelte Verpackungen sind durch produktfixierte Konstruktionen zu Tragern heterogener Verpackungsschichten geworden, deren saubere Trennung eine sinnvolle Wiedervenvertung auBert schwierig bis unmoglich macht. Auf Ansatze technischer Verpackungsmaterialforschung, die sich wieder starker auf Naturstoffe konzentrieren, werden wir in Kapite12.7 Verpackung und Umwelt naher eingehen. 2.3.3 Fugen durch adhasive Klebtechniken bei biologischen Verpackungen und ihr technischer Nutzen 2.3.3.1

Grundbausteine biologischer Klebstoffe

Wahrend das mechanische Fugen ein losbares und unlosbares Verbinden gleicher oder ungleicher Werkstiicke bzw. Werkstoffe mittels eines Werkzeuges und unter Venvendung eines Hilfsstoffes ist (Nieten, Klemmen, Falzen, Scharnierverbindung etc.), wird das Kleben als Fugen unter Venvendung eines Klebstoffes definiert (Habenicht 1997). Der Klebstoff ist hierbei ein nichtmetallischer Stoff, der die zu fugenden Teile an deren Kontaktstelle, uber mechanische, physikalische und chemische Krafte, durch Flachenhaftung (Adhasion) und uber Wechselwirkung zwischen den Klebstoffmolekulen, durch innere Festigkeit (Kohasion) zusammenhalten kann. Vermutlich existiert keine Region und kein Biotop auf unserern Erdball, in dem nicht Organismen die Fugetechnik des adhasiven Klebens, des mechanischen haftenden Klebens und entsprechend kombinierte Klebtechniken fur ihre Uberlebensstrategie nutzen. Trotz der variantenreichen Klebstoffiombinationen und der damit verbundenen Klebtechniken arbeitet die Natur auch hierbei, aufgrund ihres ausgespronur mit wenigen Gmndbausteinen wie: chen efizienten ,,Input"-Stoffmanagements,

-

Lipide (Terpene, Terpenharze) Polysaccharide (homopolysaccharide Zellulose, Starke) Polyphenole (Lignin, Urushiol) Proteine (Elastin, Fibronectin, Fibronogen, Keratin, Kollagen, Laminin)

Vielfach findet man in der Natur Kombinationen der 4 genannten Grundbausteine vor, zum Beispiel als Glycoproteine, Proteoglycane, Phenol-Proteine, Phenol-Polysaccharide. Die Leser finden detaillierte Informationen uber die Struktur der Ausgangsmaterialien, uber chemische Reaktivitat und Resistenz, Modifikationen, Abbaubarkeit, Quervernetzungen etc. in der Studie uber Strategien und Techniken des Klebstoffeinsatzes in der Natur - Anregungen fur die Technik (Ambsdorf et. al. 1992). Daraus folgend gibt Tabelle 2.3.4 einen ersten beispielgebenden Einblick in adhasives Kleben, bezogen auf die 4 Grundbausteine biologischer Klebstoffe, mit zugehorigen Verpackungsbeispielen aus der Natur. Das groBe Spektrum biologischer Organismen, die auch durch die Technik des adhasiven Fugens Verpackungen entwickelt haben, die sie vor Feinden schutzen,

2.3 Das Fertigungsprodukt Verpackung 117

Crundbausteine biologischer Klebstoffe der Natur rnit biologischen Verpackungsbeispielen

Tab. 2.3.4

Crundbausteine biologischer Klebstoffe

AdhPsives Kleben bei biologischen Verpackungen

Lipide

Termiten (Nasutitermes,Trinervitermes) Feinde werden durch Bespriihen mit einem Sekret in eine Art klebriger Verpackung immobilisiert Coniferen (Gymnospermae) Verpackungsschutz durch terpenharzhaltige Abwehrstoffe

Pol ysaccharide

ostasiatischr Segler (Apodidae) nachwuchsschutzende Verpackung durch Nestbau Wespen und Hornissen Nestbau, in Verbindung mit Polysacchariden (Zellulose)

Polyphenole

lnsekten

rnultifunktionale Exoskelettverpackung, zusammen mit Chitin und Proteinen Proteine

Miesmuschel (Mytilus edulis) Kleben und LGsen der Verpackungsschale an verschiedenen Untergrunden Lrberegel (Fasciola hepatica) Ausharten der die Eier schutzenden Verpackungshiille

die dem eigenen Nachwuchs Nahrung und Schutz zugleich bieten oder die in fast allen Biotopen der Erde spezialisierte Aufgaben erfullen, kann hier nur vage angedeutet werden. Fur die adhasive Klebtechnik werden nachfolgend 3 Beispiele herausgestellt. Sie zeigen, wie das Harmonieren von biologischen Materialien, hier in Form von geschickten Verbindungstechniken, zu leistungsstarken Naturverpackungen fiihrt. SchlieBlich folgt in Tabelle 2.3.5 eine Zusammenstellung von Prinzipien biologischer Klebsysteme und deren mogliche Nutzung fur Verpackungen in der Technik. 2.3.3.2

Seepocken (Balanus nubilis)

An vielen Stranden, Felsen und in anderen marinen Biotopen tropischer und gemaBigter Breiten, auch auf anderen Meerestieren wie zum Beispiel Muscheln, sind die Seepocken zu Hause (Abbildung 2.3.5). Sie gehoren zu den Arthropoden. Ihre Lebensweise ist seltsam, weil sich die mobilen, schwimmenden jungen Larven kopfuber an einen geeigneten Untergrund festkleben und dort bis zu ihrem Lebensende bleiben - in totaler Immobilitat. Der biologische Klebstoff der Seepocke wird wegen der auaerordentlich hohen Bruchfestigkeit der Klebverbindung mit dem Untergrund (mehr als Iomal so hohe Bruchfestigkeit gegenuber technischen, kunstlichen Epoxidharz-Klebstoffen) auch Zementklebstoff genannt. Untersuchungen zeigen, dag ein Mehrkomponenten-Klebstoff aus verschiedenen Proteinen in Verbindung mit Spulfliissigkeiten die Organismen dazu befahigt, wahrend ihres Wachstums

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I

2 Netzwerk Verpackung

Abb. 2.3.5

Seepocken (Balanus nubilis)

(quasi konzentrisch um den urspriinglichen Klebpunkt) auftretende periphere Risse zu kleben ohne eine Verfestigung des Klebstoffes in den Zufuhrkanalen zu befurchten (Saroyan et al. 1970, Waite 1987, Abbott 1990). Besonders unter Wasser zeigt sich die Uberlegenheit dieser naturlichen Technik eines dauerhaften Klebens gegenuber kunstlichen Klebstoffen. Besonders hervorzuheben ist der Automatismus der Selbstheilung bei Verletzungen, der im Ubrigen jedem lebenden Organismus zu eigen ist. Es sol1 hier ein weiterer Vorteil des Naturklebstoffes im Verhaltnis zu seinen kunstlichen Gegenspielern nicht vergessen werden, namlich dessen umweltvertragliche Wiedervenvertung. Seepocken sind seit langem untersuchte Organismen und doch sind noch nicht alle Tricks des naturlichen Klebprozesses ausreichend erforscht. Fur einen bioanalogen Klebstoff oder sogar einen bioanalogen KlebprozeB nach dem Vorbild der Seepocken bieten der Mechanismus des Abbindens, die Klebstofflagerung oder Optimierungen der Klebstoffkomponenten in Verbindung mit wassrigen, umweltvertraglichen Losungen, optimal klebenden Substratoberflachenstrukturen und anderes mehr fur verpackungstechnische und andere Anwendungen noch ein weitreichendes Forschungspotential. 2.3.3.3

Orc hideen (Orc hidaceae)

Viele Individuen dieser artenreichsten Angiospermenfamilie leben als Epiphyten auf den Baumen des tropischen Urwaldes. Orchideen besitzen, wie viele andere Pflanzen auch, eine Bestaubungsvorrichtung zur Ubertragung von Pollen mittels Klebstoff durch die Bestauber, oft sind dies Bienen. Die meisten Orchideen besitzen nur ein einziges StaubgefaB mit Millionen Samenanlagen, das auf einmal transportiert wird (Schotz 1989). Der spezialisierte Klebmechanismus der Bluten erzwingt hierbei die Mitnahme des Pollenpaketes durch die Biene und sorgt gleichzeitig, mit Hilfe filigraner Mechaniken - formschlussige, elastische Kopplungsglieder in den Bluten - fur die Wiederabgabe an andere Bluten (Abbildungen 2.3.6 und 2.3.7).

2.3 Das Fertigungsprodukt Verpackung

Abb. 2.3.6 Phalaenopsis-Hybride (Schutzkappe der Staubgefalle entfernt).

Abb. 2.3.7 Phalaenopsis-Hybride (Vergrogerung aus Abb. 2.3.6, Pollenpaket rnit unterseitig klebender Cewebeflache und verbindendem Gewebeband).

In der Fachsprache der Klebtechnik spricht man in diesem Fall von einem hybridfugeahnlichen Kleb- und Losevorgang, weil durch mechanisches Formfugen gemeinsam mit adhasivem Kleben erst das Ziel der Bestaubung erreicht wird. Die Naturtechnik des Hybridfugens unter Beteiligung adhasiver Klebvorgange konnte fur zukunftige bioanaolge Klebtechniken, unter speziellen Verpackungsbedingungen, weitere effiziente fertigungstechnische Losungen aufzeigen. 2.3.3.4

Termiten (Nasutitermes)

Die architektonischen Glanzleistungen biologischer Verpackungshullen wie die mehrere Meter hohen Termitenbauten in den Savannen Afrikas oder den Steppen Australiens, sollen hier nur nebenbei gewiirdigt werden (Lee et. al. 1971).DaB verschiedene Termitenarten Klebstoffe auch als Waffe gegen feindliche Eindringlinge in ihrem Bau nutzen, sol1an dieser Stelle besprochen werden (Harris 1960,Prestwich 1983). Beispielsweise hat sich die Kopfform von Termitensoldaten der Art Nasutitermes zu einem grogen, nach vorne dusenartig zulaufenden ,,Behalterfur Klebstoffe" entwickelt (Abbildungen 2.3.8 und 2.3.9).Die Angreifer werden durch das klebrige giftige Sekret, das von den Termitensoldaten auf sie gespritzt wird, bewegungsunfahig. Interessant ist, daB Termiten der eigenen Art gegen diesen Klebstoffunempfindlich sind. Sie mussen demnach ein chemisches Cegenmittel besitzen, das den AdhasionsprozeB, der bei den Feinden zu lahmender Immobilitat fuhrt, unterdriickt. Klebstoff und Antiklebstoff, nach dem Vorbild der Natur paanveise eingesetzt, zum Beispiel fur Klebtechniken bei verpackungstechnisch anwendbaren Naturstoffen, bergen sicher noch interessante innovative Losungen durch bionische Forschung.

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2 Netzwerk Verpackung

Abb. 2.3.9 Nasutitermes mit typischer dusenartiger Kopfform (Draufsicht).

Wie vorab angekundigt, zeigt Tabelle 2.3.5 (enveitert nach Kuppers 2000-1)einen Uberblick uber Prinzipien biologischer Klebsysteme und verknupft diese mit biologischen Organismen und potentiellen verpackungstechnischem Nutzen. Tab. 2.3,s

Prinzipien biologischer Klebsysteme und ihr verpackungstechnischer Nutzen

2.3 Das Fertigungsprodukt Verpackung

2.3.4 FUgen durch adhasives Kleben bei technischen Verpackungen

Immer mehr Verpackungen mit neuen Kombinationen von Packstoffen und veredelten Packstoffoberflachen stellen immer neue Anforderungen an den Verpackungsklebstoff. Zu den klassischen Verpackungsmaterialien stoBen - wie in Kapitel 2.8.1erlautert wird - als Lockmittel zum Kauf auffallend mehr ,,artfremde" Stoffe, wie Parfume und elektronische Bauteile, die mit den spezifischen Klebstoffen in kohasiver und adhasiver Beziehung stehen. Aber nicht nur die Packstoffe sondern auch die Randbedingungen von Verpackungsmaschinen bestimmen die Eigenschaftsprofile der Klebstoffe. Sehen wir uns zuerst die fur Verpackungen in Frage kommenden Klebstoffe an, bevor wir auf verpackungstechnische Anwendungen und die Recyclingproblematik zu sprechen kommen um schlieglich auf Kriterien der Klebstoffauswahl und Packstoffeignung einzugehen. 2.3.4.1

Klebstoffe filr technische Verpackungen

Die Natur sah bei der Evolution keine Notwendigkeit darin, einen Universalklebstoff zu entwickeln. Fur Verpackungsingenieure ware im Gegensatz dazu, in Hinblick auf die Kombination verschiedener maschineller Klebvorgange, ein derartiger Allesklebstoff sehr willkommen. Bei den Rohstoffen natiirlicher Klebstoffe nutzt die Natur eine verhaltnismagig geringe Zahl an Ausgangsstoffen fur eine breite Palette von spezialisierten Klebstoffen fur anspruchsvolle Klebvorgange. Nur eine Art der Klebtechnik existiert in der Natur scheinbar nicht: das Hochtemperaturkleben. Ganz sicher kann man aber nicht sein, weil Biotope mit heiBer Umgebung wie schwarze Raucher in der Tiefsee und heige vulkanische Quellen, im Hinblick auf adhasive Fugetechniken von Organismen nicht untersucht sind. Moglicherweise halt die Natur hier noch die eine oder andere uberraschende Losung vorerst versteckt. Die Entwicklung technischer Klebstoffe greift einerseits auf natiirliche Rohstoffe fur Klebstoffe mit synthetischen Basispolymeren zuriick, beispielsweise in Form von Dispersionen oder mittels Harz als Bestandteil von Schmelzklebstoffen. Die hochtechnisierten Vorgange der Verpackungsprozesse fordem aber immer leistungsstarkere Klebstoffe. Diese Anspriiche fuhrten andererseits zu einer Fulle synthetischer Klebstoffe mit immer neueren Klebstoffkomponenten fur spezialisierte Anwendungen. Die dadurch wachsenden Nachteile der Unvertraglichkeit mit der Umwelt, der problematischen Wiedervenvertbarkeitder zu klebenden Materialien, der Probleme beim Entsorgen ausgedienter Bauteile, wurde kompensiert durch die hohe Wirtschaftlichkeit und den besseren technischen Anforderungsprofilen gegenuber Klebstoffen auf Naturbasis und Klebstoffen mit additiven Naturrohstoffen (vgl. hierzu Dorpelkus 1984, Broll1991, Onussseit 1998). Die folgende Tabelle z.3.G zahlt verschiedene Klebstoffe auf natiirlicher und synthetischer Basis auf, die im Verpackungsbereich eingesetzt werden und ordnet ihnen konkrete Anwendungen zu. Sehen wir uns drei ausgewahlte Klebstoffe hinsichtlich ihrer Leistungsprofile und verpackungstechnischen Randbedingungen naher an.

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Klebstoffe

I.

Anwendung im Verpackungsbereich

Auf naturlichem Rohstoff Starke basierender technischer Klebstoff Dextrin. Die Gruppe der naturlichen Klebstoffe beinhaltet pflanzliche, tierische und mineralische Rohstoffe. Quantitativ gesehen sind die pflanzlichen Klebrohstoffe Kohlehydrate, Starke und Zellulose die wichtigsten Vertreter des pflanzlichen Klebrohstoffdepots. Aus Kartoffeln, Mais, Getreide, Weizen, Reis, Tapioka und anderen starkehaltigen Pflanzen gewonnene natiirliche Starke ist wegen ihres hohen Molekulargewichts und ihrer raumlichen Struktur in Wasser nicht 10slich. Eine Moglichkeit diese Naturrohstoffe fur Klebprozesse zu venvenden ist deren chemische Modifikation, zum Beispiel in das niedermolekulare Dextrin mit wesentlich hoherer Klebkraft und schnelles Anfassen und Abbinden des Klebstoffes (klebtechnisch Tack genannt). Klebstoffe auf Dextrinbasis werden unter anderem fur die Oberklappengummierung von Briefumschlagen verwendet, die mit Taktzeiten von 1500 Briefumschlagen pro Minute geklebt werden. Wegen der guten Wasserloslichkeit des Dextrinklebstoffes und dadurch guten Reaktivierung der Gummierung, konnen die Briefumschlage problemlos maschinell ge-

I schlossen werden (Onusseit 1998).Das Erfullen der umweltlichen und gesund2.3 Das Fertigungsprodukt Verpackung

heitlichen Anforderungen an den Klebstoff erkennen wir schon daran, daB wir Menschen die Gummierung problemlos mit den Lippen benetzen konnen. Die eigentliche verpackungstechnische Umweltproblematik (Wiedervenvertbarkeit des Papiers) liegt bei den Klebstoffen fur Briefumschlage in der Art der Klebung (Haftklebstoffe, Sticky-Effekt,siehe auch Kapitel2.3.4.2) und im Bereich der Papierherstellung (saurebeinhaltende beziehungsweise Sauerstoff (0,)-Bleichverfahren). 2.

Das synthetische Polymerisat Polyvinyl-Acetat- PVAC. Rohstoffe fiir diesen Klebstoff und alle anderen synthetischen Klebstoffe werden heute fast ausschlieglich aus Erdol gewonnen. Der Rohstoff der KunststoffChemie, das Ethylen, ist auch Rohprodukt fur PVAC und andere kiinstlich hergestellten Klebstoffe. Die chemischen Modifikationen von PVAC, dem am starksten interessierenden Kunstharz in der Papierverarbeitung, fuhrten zu verschiedenen Copolimerisaten, bei denen Vinylacetat mit anderen Monomeren copolymerisiert. Die Anforderungsprofile die diese chemischen Modifikationen zu erfiillen hatten, wurde durch wirtschaftliche Ziele, neue veredelte Materialoberflachen und verpackungstechnisch apparative Fortschritte, standig in die Hohe geschraubt. Schnelles kraftiges Kleben, gute Feuchtigkeitsbestandigkeit, gut Thermoplastizitat und dadurch HeiBsiegelfahigkeit (zum Beispiel bei Schlauchbeutelverpackungen), gutes Adhasionsverhalten zu schwierig klebbaren Materialoberflachen (lackierte,bedruckte, beschichtete Papiere) und anderes mehr machen PVAC zu einem weit verbreiteten Klebstoff im Verpackungssektor. Neben kleineren technischen Nachteilen (mogliche langere Abbindezeiten werden durch energieintensive Hochfrequenz- und Infrarot- Warmebestrahlung, die unmittelbar dem Klebvorgang nachgeschaltet sind, kompensiert), bleibt die generelle Umweltunvertraglichkeit synthetischer Klebstoffe als ein gravierendes Problem nach wie vor bestehen. Minimalmengen von synthetischen Klebstof€en in Verpackungen fuhren - oft in Verbindung mit weiteren Kunststoffen wie Lacke und Farben - nicht selten dazu, daB naturstoffliche Verpackungsprodukte nicht materialtechnisch oder nur unter zusatzlichen kostenintensiven Aufwendungen wiedervenvertet werden konnen. In folgenden Kapitel2.3.4.2 wird in diesem Zusammenhang auf die Problematik der Wiedervenvertung gezielt eingegangen.

3. Schmelzklebstoffe. Schmelzklebstoffe sind wasser- und losungsmittelfreie Klebstoffe. Sie gehoren zu den physikalisch abbindenden Klebstoffen. In warmer Umgebung und im flussigen Zustand konnen sie Oberflachen gut benetzen und nach dem Erkalten und dem Erstarren fest anhaften. Im Temperaturbereich zwischen 120 "C und 240 "C sind sie gut verarbeitbar. Wahrend des Schmelzprozesses finden keine chemischen Veranderungen im Klebstoff statt. Die den Thermoplasten zugeordneten Schmelzklebstoffe besitzen als Basisstoffe thermoplastische Schmelzharze wie Ethylenvinylacetat EVA, Polyamid PA oder Polyester PES. Die Entwicklung hochwertiger Schmelzklebstoffe wurde durch die Synthese

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2 Netzwerk Verpackung

schrnelzbarer hochrnolekularer Copolymere wie Athylen-Vinylacetat - EVA moglich. Viele der heute angebotenen Schrnelzklebstoffe beinhalten eine Mischung von zirka 50 % EVA (mit variierenden Anteilen an Vinylacetat) und Naturrohstoffen wie Harze (Balsamharze, Kolophoniumderivate, Kohlenwasserstoffnarze), Wachse beziehungsweise Paraffine. Wahrend das synthetische EVA die eigentliche Klebkraft bringt (Kohasion), durch unterschiedliche Anteile an Vinylacetat und das Harz den Tack reguliert (schnelles Anfassen und Abbinden), steuert das Wachs die Viskositat des Klebstoffes. Wirtschaftliche Vorgaben an den Schmelzklebstoff wie schnellere Verarbeitungszyklen, schwierig zu klebende Verpackungsmaterialien, rnaschinelle Randbedingungen, fuhren auch bei diesen Klebstoffen zu irnrner neuen Modifizierungen, nicht selten zu Copolyrneren mit anderen synthetischen Stoffen in Form von Hernmern, Verstarkern, Oxidationsstabilisatoren, therrnische Stabilisatoren, Farb- und Geruchsstabilisatoren etc. Uber die richtige Kornbination und Auswahl der Klebrohstoffe konnen dariiber hinaus noch: Benetzungsverrnogen, Haftvermogen, offene Zeit, Tack (hot tack), Abbindegeschwindigkeit, Kalteverhalten, Elastizitat, Warmebestandigkeit und Alterungsverhalten optimal errnittelt und eingestellt werden (Bartholorne 1972). Ahnlich wie bei Kunststoffverpackungen, wo ideal zum Verpackungsmaterial passende Kunststofilebstoffe verschiedene Klebungen vollziehen, wird auch bei den aufkornrnenden, biologisch abbaubaren Verpackungrnaterialien ein Trend zu biologisch abbaubaren Klebstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen erkennbar. Gute Entwicklungsrnoglichkeiten haben hier sicher Schrnelzklebstoffe auf der Basis nachwachsender Rohstoffe. Insbesondere deshalb, weil die neue Verpackungverordnung die Kompostierung von Verpackungen aus bioabbaubaren Materialien unterstiitzt und fordert. Die Zusarnrnenfuhrung derartiger Verpackungsmaterialien rnit naturstoflich abgestimmten Schmelzklebstoffen, einschlieglich bioabbaubarer anwendungsspezifischer Additivstoffe, ware eine Chance, das Entsorgungsproblem im Verpackungsbereich nachhaltig zu reduzieren. 2.3.4.2

VerpackungtechnischeAnwendungen fur Klebstoffe unter besonderer Berucksichtigungder Wiedenrerwertung

Der technische Verpackungssektor besitzt verschiedene Anwendungsfelder fur Klebstoffe: bei der Fertigung von Packstoffen wie z. B. Papier, Karton, Pappe, Glas, Blech, Kunststoff 2. bei der Fertigung von Packrnitteln (z. B. Flaschen, Ampullen, Schachteln) und Packhilfsrnitteln (z. B. Leime, Etiketten, Verschlusse, elektronische Teile) 3. bei Vorgangen von Abfullen, Etikettieren, SchlieBen 4. bei der noch ublichen Urnpackung 5. zur Rutschsicherung von Ladungen bei Transporten (Anti-Slip). I.

Fur alle Anwendungsfelder existieren mehr oder weniger speziell modifizierte Klebstoffe, deren Anforderungsprofil optimal auf den zu erfullenden Zweck abgestirnmt

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2.3 Das Fertigungsprodukt Verpackung 25

ist (s.Tabelle 2.3.6 bzw. Tabelle 2.3.8).An dieser Stelle wollen wir aber ein besonderes Aktionsfeld auf dem Lebensweg der Verpackung herausgreifen: Klebstoff-Packstoff-Wiedervenvertung und ,,Sticky-Effekt". Seit es Papier gibt, wird es durch Klebstoffe zusammengehalten. Bis in die heutige Zeit werden fur dieses Fugen bekannte Naturklebstoffe (siehe Tabelle 2.3.6) genutzt. Einerseits fordert die Hochtechnologie des Verpackens immer neue leistungsfahigere Varianten von Klebstoffen, wodurch mehr und mehr synthetische Spezialklebstoffe entwickelt und eingesetzt werden. Andererseits wird, aufgrund umweltbelastender Verpackungsentsorgungsprozesse, die Forderung nach riickstandsfreier Wiederverwertung des Verpackungsstoffes immer lauter. Die Mischung von neuem und bereits benutztem Papier stellt die Unternehmen der Papierherstellung vor eine groBe Herausforderung, was nachhaltige Papierqualitat angeht. Ein mitentscheidender Qualitatsfaktor beziehungsweise mitentscheidende Einflussgrofie ist der fur Verpackungen verwendete Klebstoff. Dieser bezieht sich sowohl auf die Klebstoffe im wiederverwertbaren Papieranteil (vor beziehungsweise wahrend der eigentlichen Papierherstellung), als auch auf geeignete Klebstoffe fur die neue Papiermischung mit Altpapieranteilen (nach der Papierherstellung). Wir gehen hier kurz auf den ersten Fall ein. Um Produkte, genauer gesagt um die Klebstoffe der Produkte, von zum Beispiel ,,HaftnotiZen", Selbstklebeetiketten bzw. Haftpostkarten auf oder in Zeitschriften und Buchern oder selbstklebende Briefumschlage, ist ein heftiger Streit zwischen Klebstoffhersteller und Papierverarbeiter entstanden. Die Papierhersteller kreiden den Klebstoffherstellern die Hauptverantwortung fur den sogenannten ,,Sticky-Effekt" an. Dieser entsteht dadurch, dafi insbesondere Reste von Haftklebstoffen sich auf der Bespannung von Papiermaschinen festsetzen. An diesen Stellen verhindern sie ein Hinfliefien des dunnen Papierfaserbreies, was sich im fertigen Papier als Locher oder dunne helle Stellen zeigt. Die Papierqualitat wird dadurch deutlich gemindert. Umgekehrt verweist die Klebstofindustrie auf Entwicklungen von speziellen wasserloslichen Schmelzklebstoffen, redispergierbare Dispersionen (feinste Verteilung eines Stoffes in einem anderen) und wiederrum auf Klebstoffe auf der Basis nattirlicher Rohstoffe hin. Selbst der erneute Trend der Papierindustrie nach wasserfesten Klebstoffen kann hinreichend befriedigt werden. Der "Sticky-Effekt" lage - so die Klebstoffindustrie - auch an okonomischen und technischen Problemen der Papierhersteller. Ohne auf weitere Details dieser Auseinandersetzung einzugehen, zeigt sich, daB bis zum gegenwartigen Zeitpunkt das nicht zu unterschatzende ,,Sticky"-Problem noch nicht vollstandig gelost wurde. Aus einer breiten Erfahrung heraus ist nicht ausgeschlossen, daB - mit nicht geringer Wahrscheinlichkeit - das methodische Problemlosen durch kausale oder monokausaler Schlugfolgerungen fur das Mifilingen eine wesentliche Rolle spielt. Hier konnte die Begehung eines bionischen systemischen Losungsweges (siehe Kapitel 5) hilfreicher fur die Problembewaltigung sein, als die Vielzahl firmenindividueller Losungsansatze. Diese fuhren sicher zu Detaillosungen, lassen aber erfahrungsgemag die wesentlicheren ruckgekoppelten Synergieeffekte weitgehend auger Acht (Wilken 1990,TKPV 1994).

Andnickvertialtnisse

Packstoff

I

Fonn dcr Verpackung

I

Bemspruchung bci spatcrer Abfiillung

Verpackungsmaschiric

Bcanspruchung be1 Lagemng und Transport

System des Klebstoffauftrages

Becinflussung durch dar; Fdlgut

I Maschinellc Arbeitsgcschwindigkeit 2.3.4.3

I klirnatische Einfliisse

1 I

Einflusse auf das Klebstoff-Anforderungsprofilund Packstoffeignung

Der Einsatz von Klebstoffen im verpackungstechnischen Bereich bewegt sich in einem durch drei Haupteinflusse aufgespannten Wirkungsfeld: Klebstoff-FiigeteilMaschine. Darin wirken mehr oder weniger gewichtete Kriterien, die die Auswahl eines geeigneten Klebstoffes direkt beeinflussen. Tabelle 2.3.7 stellt 10 dieser Kriterien zusammen (Bro11 1991). Fur die Verarbeitbarkeit bei maschinellen Auftragsverfahren ist das Fliegverhalten des Klebstoffes - rheologische Eigenschaft - von wesentlicher Bedeutung. Klebstoffe sind strukturviskos, das heiBt, sie besitzen keine Dehnungsfahigkeit proportional zur Belastung. Die Viskositat dieser Klebstoffe ist daher vom Schub- bzw. Schergefalle abhangig. Je hoher dieses ist, umso kleinere Viskositatswerte werden erzielt und durch mechanisches GieBen, Kneten, Pumpen, Ruhren und Spritzen konnen sich diese Viskositatswerte standig andern. Eine besondere Eigenschaft von Starkeund Dextrinklebstoffen sei noch envahnt: die Thixotrophie. Darunter wird die Wiederzunahme der Klebstoffviskositat bei Wegfall einer Belastung verstanden. Soviel zu den Klebstoffen. Im Verpackungsmarkt nehmen die Packstoffe Papier, Karton und Pappe mengenmaBig das groBte Volumen ein. Auf ihre verschiedenen Modifikationen beziehen sich die abschlieBend in Tabelle 2.3.8 aufgelisteten Klebstoffe, wobei gewisse Uberschneidungen mit den Angaben in Tabelle 2.3.7 unvermeidlich sind.

2.4

Verpackung und Packgut 2.4.1

Naturverpackung und Naturpackgut aus einem Gut3

Fur die Natur ist die Entwicklung von Verpackung und zugehorigem Packgut ein einziger ProzeBablauf. Beide Gegenstande lassen sich nicht auf getrennten Fertigungswegen und mit getrennten Zielen aufsplitten, um schlief3lich zu einem bestimrnten Lebensabschnitt wieder zueinander zu finden. Wir kommen bei dieser Betrachtung wieder dem Begriff der systemischen Entwicklung in der komplexen Natur sehr nahe. Uber die verschiedenen Lebensweg-

2.4 Verpackung und Packgut

Tab. 2.3.8

Klebstoffe fur die rnodifizierten Packstoffe Papier, Karton und Pappe

KlebstofFe

Packstofk Papier, Karton, Pappe

Hochviskose Klebstoffe Starke. Dextrinleime, tierische Leime Kunstharzdispersionsleime, Kombinationen von Starke, Dextrin und Kunstharz

unveredelte Papiere Einfacher Zellstoff, bis 100 % Sekundarfaser, niedergrammige Papiere

Kunstharzdispersionsleime

Veredelte Papiere Wachsimpragnirrung, nassfeste Papiere

Kunstharzdispersionsleirne

Gestrichene Papiere und Packstoffe

Dispersionsleime mil Zusatzen wie Weichmacher und Lackloser

Lackierte Papiere und Packstoffe Faltschachteln

Niedermolekulare Polyethylene, Parafine, Wachse, weich eingestellte Kunstharzdispersionsleime, Klebstoffe auf Kautschukbasis

Beschichtete Papiere und Packstoffe

Dispersionsleime mit Zusatzen wie Weichniacher und Lackloser

Kaschierte Packstoffe Klarsichtfolien u. Metallfolien kaschiert gegen Papier, Polyethylenfolien kaschiert gegen Packstoff

I Dextrinleime

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Etikettierung

stationen des wachsenden und lebenden ,,Packgutes" paRt sich die Verpackung mit einem bestimmten FitneB-Profilderart an, daB die Sicherung der Uberlebensfahigkeit und damit der Arterhaltung gewahrleistet wird. FitneB bedeutet in diesem Zusammenhang, daB die Gesamtheit der Verpackungseigenschaften im Verhaltnis zum Packgut und zum Netzwerk auBerer Einflusse, innerhalb des lokalen Lebensraumes optimal eingestellt sind. Dazu hat sich die Natur fur ihre Arten eine Fulle von Tricks - auch Verpackungstricks - ausgedacht, von denen noch die Rede sein wird. Ein besonderer Trick sei hier schon ma1 erwahnt, namlich die Tauchung durch Nachahmung farb- und formahnlicher Korperverpackungen andererer Organismen. Reptilien und Insekten sind hierin wahre Meister. Aber nicht nur die Form (siehe unter anderem Kapitel2.5) und die Oberflache von Verpackungen sind optimal auf das zu schutzende Packgut angepaBt. Gleiches gilt auch fur die Struktur (siehe Kapitel 3 und 4), mit der zum Beispiel chemische und pysikalische Eigenschaften zwischen Verpackung und Packgut evolutionar optimiert we rden . Die Aufgabe des Uberlebensschutzes biologischer Verpackungen fur das verpackte Leben (Packgut) ist zu dem Zeitpunkt beendet, wo die Verpackung ihren Zweck nicht mehr erfullen kann oder erfullt hat: im natiirlichen Rauber-Beute-Spiel (Eichhornchenfressen den verpackten Samen der Eiche) oder

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2 Netzwerk Verpackung

am vorzeitigen Ende eines Lebensprozesses (verursacht durch auBergewohnliche Storeinfliisse, zum Beispiel extreme Klimaschwankungen) oder nach naturlicher Trennung vom Packgut (mit dem Ziel der Artvermehrung, durch natiirliche Hautung und anderes mehr). 2.4.2

Verpackung und Packgut in der Technik - getrennte Entwicklung und gerneinsarne Nutzung

Aus dem Blickfeld der Technik findet - wie erwartet - zwischen Verpackung und Packgut eine andere Zusammenfuhrung statt. Hier ist es in der Tat so, da& Verpackung und Packgut zuerst einmal die unterschiedlichsten Lebenswege beschreiten. Nach Bestimmung des Packgutes wird eine geeignete Verpackung mit spezifischem Anforderungsprofil, abgestimmt auf das Packgut, ausgewahlt. Der Schutz und Tranport ein- und desselben Packgutes findet hierbei in den unterschiedlichsten Verpackungen statt, im weit iiberwiegenden Gegensatz zu den Verpackungsvorgangen der Natur. Im Bereich der Lebensmittelverpackungen ist dies besonders auffallig, aber durchaus begrundet, weil fur unterschiedliche Transportzeiten, Lagerungsarten, Frischhaltezeiten fur das Packgut und anderes mehr nicht immer eine Verpackungsart die zweckmal3igste ist. Naturlich spielen wie immer auch wirtschaftliche Zielvorgaben und Konkurrenz eine mitentscheidende Rolle fur die Wahl der Verpackung. Transportverpackungen sind iiberall anzutreffen. Bei Umverpackungen, beispielsweise als Kartonfaltschachtel von KunststoEZahnpastatuben, geht der Trend in Richtung von weniger Zusatzverpackung. Was den Verbraucher direkt und in der Menge am haufigsten beriihrt, sind Einzelverpackungen (siehe auch Kapitelz.7). Gegenwartig werden fur das Packgut Lebensmittel mehr als 5 0 % aller Verpackungen eingesetzt, ungefahr 40-45 % der Verpackungen beinhalten pharmazeutische, kosmetische oder reinigende Packguter und zirka 5-10 % aller Verpackungen fallen auf technische Investitionsgiiter (Berndt 1999). Die Natur hat Jahrmillionen lang im Experiment die - ganzheitlich gesehen besten Kombinationen von Packgut und Verpackung gefunden und wendet diese konsequent an. Die Technik optimiert Verpackungen - wie bekannt - packgut- bzw. produktorientiert. Sie sucht noch nach Wegen, Wirtschaftlichkeit, okologische Vertraglichkeit und Nachhaltigkeit fur Verpackung und Packgut zu erreichen. Neben ersten selektiven Ansatzen und Fortschritten mit sogenannten Okobilanzen, auf die in Kapitelz.7 eingegangen wird, ist aber noch kein entscheidender Schritt vorwarts erzielt worden, der die komplexen Verpackungsprobleme im iibergeordneten, komplexen gesellschafilicher und umweltlichen Beziehungsgeflecht nachhaltig vermindert hat. Produktfixierte Detaillosungen bestimmen immer noch vorrangig das Verhaltnis zwischen Verpackung und Packgut. Hierzu drei Beispiele. Zwei beziehen sich auf das Packgut und eins auf die Verpackung. Beispiel I: Haltbarkeit von Frischmilch durch Hochpasteurisierung (dpa 1993) In diesem Beispiel sol1 durch das Verfahren der Hochpasteurisierung (Verfahren zur Keimfrei- und Haltbarmachung, benannt nach dem franzosischen Chemi-

2.4 Verpockung und Pockgut

ker L. Pasteur) das Packgut Milch auf zwei bis drei Wochen haltbar gemacht werden. Bisher behalt Frischmilch, selbst unter Einsatz standiger Kiihlung, nur vier bis fiinf Tage seine Frische und damit Verzehrbarkeit. Burokratische EU-Griinde stehen der Einfiihmng dieses Verfahrens aber noch im Weg - selbst heute noch nach sieben Jahren! Anmerkung. Nebenbei bemerkt gibt es in der Natur Verpackungsstoffe, die Flussigkeiten ohne jegliche Zufuhr zusatzlicher Kiihlenergie, wochen- und monatelang frisch und genieBbar halten. In Kapitel4 hierzu mehr. Beispiel 2: Haltbarkeit von Lebensmitteln (Schulte 1999) Seit 1999 ist gesetzlich gesichert, dai3 in Deutschland - und auch EU-weit - die Haltbarkeitsverlangerung von Lebensmitteln durch radioaktive Bestrahlung erlaubt ist. Hierbei kommen Rontgen-, Elektronen- oder Gammastrahlen zum Einsatz. Als hauptsachliche Strahlungsquellen dienen die radioaktiven Isotope KObalt 60 und Gsium 137.Bei diesen Verfahren findet keine radiologische Belastung durch die Bestrahlung statt. Die Bestrahlung sol1 in den Lebensmitteln enthaltene Keime deaktivieren oder toten. Angefuhrt wird noch, daB von Bangladesch bis Siidafrika bestrahlt wird, wegen des schnellen Verderbs der Lebensmittel in diesen tropischen Regionen. Davon sind immerhin ca. 30-50 % der Lebensmittel mangels Konservierung oder fehlender Verpackungen betroffen. Anmerkung. Die radioaktive Bestrahlung von Lebensmitteln mit dem Ziel sie langer haltbar zu machen, ist umstritten, weil dadurch chemische Veranderungen in der Nahrung ausgelost werden. Die energiereiche Gamma(y)-Strahlung zerstort - bei der Vielzahl biologischer Substanzen - chemische Bindungen, so daB Folgeprodukte entstehen. Der offensichtliche Beleg dafiir ist die Tatsache, daB bestrahlte Gemuseknollen nicht mehr in der Lage sind, zu keimen. Die offene Frage ist, ob willkiirlich erzeugte chemische Verbindungen, ahnlich wie spezielle Wirkstoffe (zum Beispiel Hormone) schadliche Nebenwirkungen erzeugen. Dariiber hinaus ist auch die Gefahr, bereits verdorbene Lebensmittel durch Bestrahlung wieder genui3- und darnit verkaufsfahig zu machen gegeben, wie Beispiele von verdorbenen Garnelen aus England zeigen, die in Holland wieder ,,aufgefrischt" und postwendend dem englischen Verbraucher wiederum zum Kauf angeboten wurden (Reinecke et. al. 1997). Beispiel 3: Aktive Verpackung - Intelligente Verpackung (Holley 1998, Ahvenainen et. al. 1999). Active packaging, smart packaging oder intelligent packaging, also intelligentes Verpacken, sind Begriffe fur eine neue Art von technischer Verpackung. Aktive Verpackungen andern zum Beispiel ihre Permeationseigenschaften (Durchlassigkeit, zum Beispiel gegenuber Gasmolekiilen) als Reaktion auf Veranderungen des Packgutes. Intelligente Verpackungen besitzen zum Beispiel Indikatoren zur qualitativen Messung von spezifischen Eigenschaften des Packgutes. Diese neue Entwicklungsrichtung von technischen Verpackungen scheint vielversprechend und niitzlich fur den Verbraucher zu werden. Auch hier zeigt uns die Natur an vielen Beispielen (Kapitel4),zu welchen Leistungen sie bereit seit

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2 Netzwerk Verpackung

Jahrrnillionen auf dern Gebiet der Verpackungssensorik irn Netzwerk biologischer Verpackungen fahig ist. Die Verpackungsingenieure konnen hier in eine erfolgversprechende, fruchtbare Lehre gehen. Vor wenigen Monaten hat der Europaische Gerichtshof zur Qualitat eines biologischen Packgutes ein interessantes Urteil gefallt (Adt 2 0 0 0 ) . Wie wird die Industrie sich verhalten und wie werden vor allem wir als Verbraucher noch so intelligent verpacktes Packgut aufnehrnen, wenn gerichtlich bestatigt wurde, dal3 selbst Lebensmittel - hier ist es Marmelade - die Schwermetalle wie Blei und Cadmium enthalten, als ,,naturrein" auf dem Verpackungsetikett angepriesen werden konnen? Die sinngernage Begrundung der Richter war: ,,die Schadstoffe seien eben infolge der Verschrnutzung von Luft und Wasser in der naturlichen Umgebung vorhanden", daher durfe diese Marmelade als ,,naturrein"verkauft werden. Die zunehmende Belastung unserer Umwelt durch Gift- und weitere Schadstoffe infolge industrieller Prozesse, bei denen auch uber die Nahrungsnetze Schadstoffe in Lebensmittel gelangen, die wir Menschen essen, kann mit einern Bedauern nicht entschuldigt werden. Hierfur halten die Richter uns zivilisatorischen Menschen zurecht den Spiegel unseres industriellen Tuns vor. Andererseits kann das Urteil aber auch als Freibrief dafur verstanden werden, nachhaltiges umweltvertragliches Wirtschaften weiter zu blockieren! Die hochstrichterlich abgesicherte Forrnel: Giftige Schwerrnetalle plus Fruchte gleich ,,naturreine" Lebensrnittel, fordert weiterhin die industrielle Herstellung von synthetischen Chemikalien in Form von Schadlingsbekarnpfungsmitteln,beispielsweise im kultivierten Obstanbau. Die potentielle Gefahr, daR noch weit giftigere Chemikalien weltweit in den Nahrungskreislaufvon Pfanzen, Tieren und Menschen gelangen, ist nicht zu ubersehen. Fur das Packgut gilt hier, was fur uberflussige Verpackungen auch gilt: Vermeiden und daruber hinaus auf nachweislich unbelastete Lebensrnittel ausweichen. Noch gibt es welche.

2.5

Verpackung und Optimierung

Wie optimiert die Natur? Wie optimiert sie Verpackungen und wie sucht die Technik nach optirnalen Verpackungslosungen? Diesen Fragen wollen wir hier intensiv nachgehen, weil sie von grundlegender Bedeutung sind. Im vorangegangenen Text ist der Begriff optirnieren bzw. Optirnierung schon ofter envahnt worden ohne ihn naher zu definieren. Hier ist eine geeignete Stelle dies zu tun. 2.5.1 Was bedeutet Optimieren?

Wir konnen Optimieren beschreiben als die Suche eines vorteilhaften Zustandes, eines Merkmals oder einer Eigenschaft, in einem bestimmten Suchbereich oder

2.5 Verpackung und Optimierung

Suchraum. In der Regel wird ein bestimmter Suchvorgang gestartet, um mit moglichst geringem Zeit- und Kostenaufwand das Ziel oder die Ziele zu erreichen. Wir werden weiter unten auf die Optimierungsstrategien von Natur und Technik noch naher eingehen. An dieser Stelle wollen wir aber der globalen Frage nachgehen: Wie weit spannt sich das Feld der Optimierung, von einer ,,einfachen" bis ,,extrem schwierigen" Suche nach der Losung? Und welche Position nimmt der Mensch dabei als Problemloser ein? Beginnen wir mit dem Einfachsten. Einem erfahrenen Experimentator, der ,,seinen" Suchraum, zum Beispiel einen technischen Fertigungsprozeg, uber Jahre kennt und diesen - bei geringfiigigen, wie auch immer stattfindenen Anderungen abweichend vom besten Zustand - sehr schnell wieder ,,in den Griff bekommt" beziehungsweise optimal einstellt, gelingt dies sicher nur bei wenigen Einflufigrofien und weitgehend unveranderlichen Rahmenbedingungen. Die menschliche Erfahrung ist hierbei die Gewahr fur den Erfolg. Je umfangreicher jedoch die Zahl der zu berucksichtigenden Merkmale im Suchraum werden und je mehr sich diese zudem gegenseitig beeinflussen, desto weniger reicht menschliche Erfahrung allein aus, in vertretbarem Rahmen das Optimierungsproblem zu losen. Das Problem wird zunehmend komplizierter. Hier erganzt computerunterstutzte Hilfe rnenschliche Erfahrung und Intuition. Wenn sich der zu optimierende Prozefizustand auch noch mit der Zeit zufallig verandert, also stochastisch zeitvariant ist, dann haben wir es mit einem der schwierigsten Randbedingungen fur eine Optimierung zu tun. Warum? Weil kein stabiles Optimum oder stabile Optima existieren. Der aufzufindende Optimalzustand nimmt standig neue lokale Positionen im Suchraum ein. Er wandert - vereinfacht ausgedruckt ahnlich wie ein Wackelpudding - um den lokalen Qualitatsgipfel herum. Die Dynamik die solchen Suchvorgangen zugrunde liegt, macht es dem Problemloser aufierordentlich schwer sein Ziel zu erreichen. Fast unrnoglich erscheint uns die Losung eines Optimierungsproblems, wenn die lokalen Optimalzustande oder das globale Optimum aufgrund adaptiver Veranderungen in der Umwelt ,,auf Wanderschaft" im Suchraum gehen. Die Komplexitat des zu untersuchenden Gebietes wurde damit einen Hohepunkt erreichen und kurz vor dem Eintritt in einen vollig chaotischen Zustand stehen. Aber genau das reprasentiert den Zustand der Natur, wenn auch die globale Optimierungs-Zeitskala Jahrmilliarden lang ist und die generelle Dynamik der Veranderung adaptiv und - nach menschlicher Zeitvorstellung - in langen Zeitperioden geschieht. Die Natur evolutioniert beziehungsweise optimiert dynamisch am Rande des Chaos, man kann auch sagen: am ,,gefrorenen" Rand des Chaos, ohne darin unmittelbar abzugleiten. Nur dort scheint und ist Fortschritt moglich. Nur dort funktioniert Leben und Fortschritt in Gestalt dissipativer Systeme. Nur dort optimieren Organismen als vorubergehende Ordnungsstrukturen auf Kosten endlichen Lebens. Fur Optimierungsvorgange in der Natur ist daher die Stabilitat beziehungsweise ein invarianter Zustand in einem Optimierungsraum (zum Beispiel dem Lebensraum einer Pflanzen- oder Tierart) gleichbedeutend mit deren Tod. Wobei rafinierter Weise selbst der Tod in der Natur integraler Teil von allgegenwartigen Optimierungs-Kreislaufvorgangen fur Materialien und Informationen ist.

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2 Netzwerk Verpackung

In diesem kurzen Abschnitt haben wir Sie in einem Parforceritt mitgenommen und den Optimierungsbogen gespannt, von relativ leicht erzielbaren bis fast unmoglich erscheinenden Optimierungslosungen. Innerhalb dieser Breite befindet sich ein Spektrum von zahlreichen speziellen Optimierungsverfahren,auf die hier nicht naher eingegangen werden kann. Wir kijnnen uns hier nur auf die wesentlichen Voraussetzungen beziehungsweise Merkmale fur die Durchfuhrung von Optimierungen konzentrieren und venveisen auf die umfangreiche Literatur fur Optimierung. Hinter dem Begriff Optimierung verbirgt sich eine Vorgehensweise, ein bestimmte Methode, bei der - ausgehend von einem momentanen Zustand - Start - mit einer definierten Startqualitat, ein noch besserer Zustand - lokales Ziel - bzw. der beste Zustand - globales Ziel - gesucht wird. Um diesen vorteilhaften Zustand und die Zwischenergebnisse auch definitiv bestimmen zu konnen, mussen sie gemessen werden. Die Optimierung ist daher ein Start-Ziel-SuchprozeB - man spricht auch von einem Parameter-SuchprozeB - mit drei generellen Merkmalen, die fur biologische Verpackungen beis pielhaft erlautert werden: Optimierungsmerkmal I: Mindestens ein Ziel m u g vorgegeben sein. Das kann fur biologische Verpackungen sein: - eine Stoffmenge, - ein Stoffgemisch, - die Form einer Blattflache, - das Volumen einer Verpackungsschale fur Nusse, - die Zahl von Hulsenfriichten in einer Verpackungshulle, - das tarnende Aussehen einer Felloberflache als die Verpackung eines Tieres, - die Art der Fortbewegung verpackter Ahornsamen und vieles mehr. Optimierungsmerkmal 2 : Mindestens eine GroBe, zum Beispiel ein Parameter, der auf irgendeine Weise verandert und gemessen wird. Analog zu den Beispielen vorab konnte dies unter anderem sein: - eine Geschwindigkeit, - eine Temperatur, - eine Lange, - der Dicke der Schale - der Fruchtdurchmesser - ein Pigmentmuster - die Zahl von Flugelchen. Optimierungsmerkmal3:Eine geeignete Umgebung, ein Umfeld, ein Biotop in gewissen Grenzen, innerhalb der die Optimierung stattfinden kann. In diesem lokalen Parameter-Optimierungsraum wirken zudem noch sogenannte externe Einflusse oder Storungen (externe Parameter), zum Beispiel in Form von partiellen Klimaveranderungen oder Zuwanderungen anderer Lebewesen, auf die eigentliche Optimierung ein und beeinflussen diese in nicht unerheblichem Mag.

2.5 Verpackung und Optirnierung

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2.5.2

Wie optirniert die Natur?

Nun, die Natur besitzt einen Pool von Myriaden Individuen, die alle auf ihre Weise ihr Fortleben optimieren. Evolutionsbiologenschatzen die Zahl bekannter Arten von Lebewesen, deren Variation durch den Begriff der Biodiversitat charakterisiert ist, auf zirka 10% der tatsachlich existierenden Lebewesen, also aufungefahr 1,4Millionen (Wilson 1995). Angesichts der Offenheit der Individuen, innerhalb selbst kleinster zu optimierender Biotope, Stoffe, Energie und Informationen auf vielfachen Wegen auszutauschen, existiert in diesem natiirlichen Gesamtsuchraum Erde eine unvorstellbar groBe Zahl von Suchparametern. Selbst die mehr als zwei Milliarden Jahre Optimierungserfahrung der Natur wiirde hier nicht ausreichen, alle Suchparameter Schritt fur Schritt sicher ,,einzustellen", die zu den vorhandenen technischen Hochstleistungen (Optima)heutiger Individuen und Prozesse gefuhrt haben! Die Natur muB also eine raffhiertere Optimierungsmethode nutzen als das Rastern jeder moglichen Parameterkombination. Der englische Naturforscher Charles Darwin veroffentlichte 1859seine Evolutionstheorie uber die Enstehung der Arten. Danach ist der evolutionare EntwicklungsprozeB der Natur ein adaptiver OptimierungsprozeB. Die darin vorkommenden grundlegende Evolutionsfaktoren Mutation (genetische Veranderung in der Erbsubstanz DN S, DesoxyriboNucleinSaure),Selektion (phanotypischeAuswahl des Tauglichsten Lebewesens) und Crossing Over (sexuelle Fortpflanzung durch genetischen Austausch mannlicher und weiblicher Erbsubstanz), sind Teile einer ausgeklugelten und raffinierten Optimierungsstrategie, die weitere Evolutionsfaktoren in die Entwicklungsprozesse von Individuen, Familien und Arten rnit einbezieht. Man spricht bei diesem OptimierungsprozeB auch von Zufall und Tauglichkeit, von einen ,,survival of the fittest". Das bedeutet: Diejenigen Individuen haben die besten Uberlebenschancen, die sich am Tauglichsten in ihrer Umgebung anpassen. Die hochkomplexen Wirkungszusammenhange in der Natur lassen vermuten, daB der Begriff des Tauglichsten eher mit am Geschicktesten beziehungsweise am Gewandtesten und weniger mit am Grogten, am Hochsten, am Weitesten etc. ubersetzt werden kann. Nicht der Starkste setzt sich in jeder Beziehung durch, sondern der Geschickteste, eben der Tauglichste! Viele Vorgange in der Natur beweisen das Optimalitatsprinzip des Tauglichsten,wobei der Optimalwert eines Zustandes in aller Regel immer zwischen einem kleineren und einem groBeren Wert liegt, also zwischen einem Minimum und einem Maximum (siehe hierzu Odum 1991, Kuppers 1998). Die Suchstrategie der biologischen Evolution optimiert Individuen und Prozesse in ihrem hochkomplexen Netzwerk von Parametern - einfach ausgedriickt - nach einem zweistufigen OptimierungsprozeB: I.

Stufe Durch zufallige'), ungleich groBe Anderungen im Erbgut des Individuums, also durch genetische Mutabilitat, wird die Voraussetzung fur einen neuen Zustand,

1)

DaB diese zufilligen gentischen Variationen nicht IOO % reinern Zufall entsprechen, sondern durch sogenannte Mutatorgene auch einem gewissen deterministischen EinfluB unterliegen, sei nur am Rande envahnt.

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2 Netzwerk Verpackung

eine neue Eigenschaft oder ein neues Merkmal geschaffen. Bei hoheren Lebewesen geschieht dies durch die Verschmelzung elterlicher mannlicher und weiblicher Chromosomen, den Tragern der genetischen Erbsubstanz. Dieser Vorgang findet auf der Ebene der Gene statt. Nicht alle Gene werden beeinflugt, aber viele gemeinsam mit unterschiedlichen Veranderungsgraden variiert. Man spricht auch von genotypischer Veranderung bzw. vom Genotyp. 2.

Stufe Der oder die elterlichen Nachkommen mit sichtbaren veranderten Merkmalen bewahren sich - mehr oder weniger - im Verlauf ihres Lebens im Experimentierfeld der Natur. Als sogenannter Phanotyp uberlebt der Tauglichste, der wiederum seine Erbsubstanz, nun als Eltern der nachsten Generation, an die Nachkommen weitergibt.

Dieses sich standig wiederholende Spiel genotypischer Veranderung und phanotypischer Bewahrung - Jacques Monod (1979)spricht in diesem Zusammenhang auch von Zufall und Notwendigkeit - findet im Netzwerk der Natur gleichzeitig bei unzahligen Individuen statt und in einer grogeren Umwelt (Erde und Weltall), deren Unordung - Entropie - standig zunimmt. Trotzdem existieren die envahnten unzahligen technischen Hochstleistungen von Pflanzen, Tieren und Naturprozessen, von denen nicht nur die Verpackungstechnik profitieren kann. Um hier weiter in die Tiefe der Naturgeheimnisse zu steigen, mussten wir uns mit grundlegenden Organisationsprinzipien der Natur befassen. In Kapitel 5 mit Anmerkungen uber bionisches Verpackungsmanagement werden wir darauf eingehen. Resumierend kann gesagt werden, daB die Naturstrategie der evolutionaren Optimierung ihre volle Starke in einem vielparametrigen Umfeld und mit einer Vielzahl unterschiedlichlicher individueller Ziele ausspielt. Diese Starke ist in der Technik eine Schwache. Mit anderen Worten: Es fehlten bis vor einigen Jahrzehnten geeignete Mittel, vielparametrige Probleme mit mehreren Zielen, zeit- und kosteneffizient zu losen. Und teilweise werden heute noch technische Mehrparameter- und Mehrfachziel-Optimierungen, in zunehmend komplexen dynamischen Suchraumen mangels Kenntnis und Erfahrung - verhaltnismagig unwirtschaftlich, das heiBt eindimensional und linear gelost. 2.5.2.1

Evolutionare Algorithmen nutzen die Optimierungsstrategie der Natur

In den Goer und 70er Jahren des 20. Jahrhunderts wurde in Europa und den USA erkannt, wie wirksam die Methode des biologischen Optimierungsprozesses mit seinen Evolutionsfaktoren auch fur die Technik sein kann. Es wurden mathematische Rechenprogramme mit Algorithmen entwickelt, die analog zum biologischen Vorbild, durch ,,technische Mutation und Selektion" Parameterprobleme sehr effizient losten. Die Evolutionsbionik entstand, mit einem breiten Optimierungsspektrum fur evolutionare Algorithmen bzw. genetische Algorithmen fur die verschiedensten Technikprobleme mit den unterschiedlichsten Schwierigkeitsgraden. Vorrangig wurden komplexe, rein mathematisch schwer erfassbare Problem verfahrenstechnischer Stromungsprozesse untersucht und erfolgreicher gelost, als mit den bis dahin

2.5 Verpackung und Optimierung

bekannten Optimierungsverfahren. Uber Optimierungen von konstruktiven Fachwerkstrukturen, Maschinenelementen, chemischen Prozesse, bis zu Faltschachteln, wobei wir wieder bei der Verpackungsbionik waren, haben sich die evolutionaren Algorithmen ein breites Anwendungsspektrum erobert, in dern sie effiziente - oft uberraschende - Losungen prasentieren, die uns nicht selten stauen lassen (siehe unter anderem Schwefel1975, Holland 1973,Goldberg 1989,Kuppers 1998, Kuppers 1997/1998-3, Kuppers 1998-2). Mit dern technischen Analogon der adaptiven Optimierungsstrategie der Natur, als ,,Treibstoff' der Evolution, ist ein vielfach uberzeugender Beweis erbracht, wie aderordentlich wirksam evolutionare Naturlosungen fur technische Fragen und Probleme genutzt werden konnen. Erganzende Bemerkungen

1st die ,,Triebfeder"der Evolution aber tatsachlich der alles entscheidende Faktor fur die uns heute zur Verfugung stehende Artenvielfalt, fur die individuellen Hochstleistungen und fur organisatorisch effiziente Verfahren der Natur? Seit einigen Jahren wird unter Experten darum gestritten, ob die Darwin'sche Theorie der Selektion die einzige und entscheidende Grundlage fur die Weiterentwicklung des Lebens ist (Dawkins 1987)oder ob erganzende - noch nicht in einer grundlegenden Theorie erfaBbare - Einflusse, zum Beispiel organismischer Selbstorganisations- und Selbstregulationsprozesse, Ordnungsmuster (unter anderem Kauffmann 1gg3/1gg6,Bak 1996, Lewin 1996, Goodwin 1997)beziehungsweise selektiv erworbene Merkmale (Klose 1997, Roemer 1gg7),mitentscheidend sind. Auch wir sind der Meinung, daB die evolutionare Weiterentwicklung natiirlicher vernetzter Systeme, in denen organisches Leben mit anorganischen Elementen und Prozesse extrem gut harmoniert, wo Ablaufe mit autopoitischen Eigenschaften, also Fahigkeiten sich selbst zu organisieren und zu erhalten (Rose 1998, Kuppers 1998-1) die Regel sind, auf ein Erklarungsgebaude basiert, das umfassender ist, als das der sicher genialen Selektionstheorie Danvins. 2.5.3

Wie optimiert die Natur Verpackungen?

Aus den vorangegangenen Bemerkungen uber Optimierung in der Natur ist klar, daB Verpackungen - wie auch alle anderen Naturprodukte - in einem komplexen Netzwerk optimiert werden. Verpackungsoptimierungen in der Natur sind daher mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit - immer auch Prozesse mit mehreren Zielen, mehreren EinfluBgroBen bzw. Randbedingungen und mehreren variablen Merkmalen. Die evolutionaren Algorithmen entfalten dabei wie envahnt ihre volle Wirksamkeit. Tabelle 2.5.1 zeigt ein derartiges Multioptimierungssystem, exemplarisch herausgestellt und aus dem tatsachlich vernetzten Zusammenhang gelost, am Beispiel der KokosnuB (siehe auch Kapitel 4). Diese Zusammenstellung von Zielen, Verpackungsmerkmalen und -parametern gibt Ihnen als Leser schon einen ersten konkreten Einblick in den komplexen Optimierungsbereich einer einzelnen Frucht. Um wieviel komplexer muB die Optimierung erst sein, wenn das

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2 Netzwerk Verpackung Tab. 2.5.1

Multi-Optimierungssystem KokosnuRverpackung

Optirnierungsziele

Optirnierungsparameter

Randbedingungen

Wachstum

Geometrievariable

Temperatur Feuchte

Dampfungsfahigkeit

Ma terialverbunde

Bruchfestigkeit

Materialstrukturen

Palmenhohe

Materialeffizienz

Materialmenge und -anzahl

Fregfeinde

Energieeffizirnz

Herstellungsart

Parasiten

Volnmeneffizienz

Formvariable

Symbiosen

Schwiinrnfahigkeit

Dichte. aerodpnamische Widerstandsform

Wassci-abstol3ung

Hpdrophobe Eigenschaft

hydrophobe Zusatze

Tropenstrahliing

Strahlrnschutz

Oberflachenstruktur

Venveilzeit im Meerwasser

Gasdurchlassigkeit

Mcmbranentruktur, Aufbau komplex

Langzeitschutz des lnhaltes

lntrraktionsvariable von Verpackung und Packgut

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Kleinbiotop Kokospalme mit all den zugehorigen Organismen im Boden, im Stamm, im Palmendach und in der naheren Umgebung des Baumes, mit einbezogen werden? Und doch gelingt es der Natur in diesen hochdimensionalen Suchraumen Optimierungsergebnisse zu erzielen, mit ingenieurtechnisch noch nicht annahernd erzielten Leistungen. Hinter den aufgezahlten Zielen, Optimierungsparametern und Randbedingungen des mehrdimensionalen Optimierungsproblems Verpackung, verbirgt sich ein Netzwerk aus linearen und vielfach nichtlinearen, Beziehungen. Wie die Natur Merkmale dieser Beziehungen qualitativ und quantitativ gewichtet, ist weitgehend unbekannt und noch nicht untersucht. Aus der Uberlegung heraus, daB die evolutionare Optimierungsmethode (siehe auch das praktische Optimierungsbeispiel in Kapitel 5.2.5) mehr beinhaltet, als den schon sehr wirksamen genetischen Motor fur die adaptive Einstellung der EinfluBvariablen oder Merkmale und die Zielgewichtungen, die bei mehrdimensionaler Optimierung notwendig ist, stellen sich auch die Fragen: Nutzt die Evolutionsstrategie aus Effzienzgrunden moglicherweise wenige Schliisselvariable und Ziele hoher Gewichtung, die letztlich das Produkt Verpakkung bestimmen und wenn ja, wie erkennt man diese? Beschleunigen dariiber hinaus noch sich selbst organisierende autokatalytische Systeme den Verlauf der Entwicklung von Verpackungen oder anderen Naturprodukten? Noch viele Geheimnisse verpackten optimierten Lebens in der Natur sind zu losen. Gehen wir aber Schritt fur Schritt weiter und fragen nach der Strategie oder den Strategien, mit denen Menschen Probleme der Verpackungsoptimierung angehen.

2.5 Verpackung und Optirnierung

2.5.4

Wie optirniert die Technik Verpackungen?

Grundsatzlich stehen in der Verpackungstechnik zwei Arten von Optimierungstechnik zur Verfiigung: I. 2.

die analytische Methode die experimentelle Methode.

Die analytische Vorgehensweise beschreibt ein Optimierungsproblem durch mathematische Regeln und Gleichungen. Dadurch wird die zu optimierende Verpakkung weitgehend mit Hilfe des Computers in Form von Naherungslosungen bearbeitet, die spater durch den experimentellen HerstellungsprozeB in ein Wirtschaftsgut umgesetzt werden. Ein typisches Beispiel ist die Optimierung von Faltschachteln als Verpackungen fur Safte, Milch, Milchprodukte, tierische Nahrung und anderes mehr (siehe auch Kapitel4 Bionik der Verpackung). Die experimentelle Methode nutzt das Experiment mangels vollstandiger mathematischer Erfassung des Optimierungsprozesses. Selbstverstandlich werden auch hierbei Computer eingesetzt. Aber die eigentlichen Verbesserungsschritte mussen durch das Experiment erarbeitet werden. Dies geschieht uberall dort, wo geometrische, logistische, storniche, energetische und andere Einflusse durch keinen Algorithmus, durch keine mathematische Gleichung erfagbar sind. Ein typisches Beispiel fur diese Methode ist die Optimierung der Lebensdauer eines bestimmten Lebensmittels und weiterer Ziele durch die Verpackung. Die Verpackung selbst besteht aus mehreren Schichten. Hierzu zahlen je nach Funktion und Schutz der Verpackung bzw. des Packgutes: innere Schicht (mit Kontakt zum Lebensmittel), Tragerschicht (zur Stabilisierung, Stapelfahigkeit und Transport der Verpackung), Sperrschicht (gegen Sauerstoff), auBere Schicht (als Trager von Information), Oberflachenschicht (fur klimatischen Schutz). Es existiert kein Rechenprogramm, das fur ein bestimmtes vorab beschriebenes, komplexes Verpackungs-Optimierngsproblem, auf analytischem Wege Losungen erarbeiten konnte. Bei der Fiille verschiedener im Verbund eingesetzter natiirlicher und kunstlicher Verpackungsmaterialien ist dies ein unter Urnsunden sehr zeit- und kostenaufwendiger ProzeB, selbst wenn man gewisse Erfahrungen nach dem Stand der Technik mit in die Optimierungswaagschale wirft. Zwei umfangreiche Werke, die sich mit Verpackung von Lebensmitteln (Buchner 1999)und Verpackung rnit Kunststoffen (Ahlhaus 1997)auseinandersetzen, geben einen fundierten Einblick in die Vielzahl der Optimierungsparameter technischer Verpackungen. Die Technik optimiert Verpackungen in der Regel durch Detailverbesserungen, hier eine neue Oberflache, dort ein neuer, wiederverschliegbarer VerschluB. Dafur werden geeignete Teillosungen gesucht, die sich in den vorhandenen FertigungsprozeB weitgehend einfugen. Oft bestimmt auch eine Optimierung des Packgutes die drastische Anderung einer Verpackung. Was beispielsweise vor 15 Jahren die steife Kartonverpackung f i r 4 4 kg pulvrige Waschmittel war, ist heute das KunststofT packchen fur 500 g Waschmittelkonzentrat.

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2 Netzwerk Verpackung

Aus diesem Beispiel erkennen wir die gegenseitige Beeinflussung von Verpakkung und Packgut, obwohl nicht wie in der Natur gemeinsam, aus ,,einer Hand" optimiert, sondern als eine Folge getrennt zu fertigender aber letztlich zusammenwirkender Produktlinien. Dariiber hinaus sind an diesem dualen OptimierungsprozeB naturlich noch weitere Einflusse und Ziele anderer verpackungstechnischer Hersteller und Dienstleister beteiligt, die alle ihre okonomische Wertschopfung auf dem Lebensweg der Verpackung suchen. Seien es logistische Vorteile, Materialverarbeitungsvorteile, Vorteile im Werkzeugbau fur Verpackungen oder neue Verpackungsmaschinenmodule, Verpackungsdesignvorteile und vieles mehr. Aber im Gegensatz zur Optimierungsstrategie biologischer Verpackungen existieren fur den technischen Verpackungsbereich definierte starre Obergrenzen der Geometrie-Variabilitat verpackungstechnischer Produkte, abgesehen von SondergroBen. Wenn wir die geometrische Kette modularer Flacheneinteilung, das heist die modular aufgebauten geometrischen FlachenmaBe von Einzel-, Um-, Sammel- und Transportverpackung zugrunde legen, stoBen wir auf die eindeutigen Grenz-FlachenmaBe der Transportpalette. Diese MaBe beruhen letztlich auf die Verpackungslogistik, die den reibungsfreien Transport und Austausch von Gutern weltweit gewahrleisten soll. In Asien und den USA sind die Paletten-FlachenmodulmaRe 1000 mm x 1200 m m ublich. In Europa wird fur die entsprechende Transportpalette das FlachenmaB 800 m m x 1200 m m bevorzugt. aus beiden GrenzflachenmaBe resultiert das in der International Organization of Standardization (ISO)unumstoBliche AusgangsflachenmaB 600 m m x 400 m m fur rechteckige Verpackungen bzw. Transportverpackungen ( I S 0 3394,1995).Ausgehend von diesem grogten Flachenm a s existieren verschiedene Reihen von sich unterordnenden Flachenrastern von Verpackungen (siehe hierzu DIN 55509, 1985;DIN 55 510,1982; DIN 55520,1985; DIN 30 783, 1981;DIN 3 0 798, 1979).Die Vereinigung europaischer Lander wird aber dazu fuhren, daB diese sogenannten Vorzugsreihen weitgehend aufgehoben werden mit der Konsequenz einer grogeren Gestaltungs- bzw. MaBfreiheit der einzelnen Verpackungen. Optimierungsprozesse besitzen neben Zielen und veranderbaren Optimierungsgrogen auch Grenzen, die den Optimierungsraum mehr oder weniger einengen. Die nachfolgende Tabelle 2.5.2 listet hierzu einige Verpackungsmerkmale auf und beschreibt in einer Gegeniiberstellung Grenzen fur biologische und technische Verpackungen. Hiermit soll das Kapitel Verpackung und Optimierung abgeschlossen werden, obwohl dieses Thema noch eine Fulle von Details beinhaltet, die es lohnt, aus der Sicht der Optimierung anzusprechen. Wir denken hierbei nicht nur an die spezifische Verpackungshiille bzw. Verpackungsmaterialstruktur, sondern an das weitaus komplexere Produktsystem Verpackung, mit Verpackungsmittel, -hilfsmittel und anderes mehr, fur das sowohl in der Natur als auch in der Technik intelligente Losungen entwickelt wurden. Fur interessierte Leser, die in weitere Details aktueller technischer Produktsysteme von Verpackungen einsteigen wollen, uber die es reichlich nationale und internationale Fachliteratur gibt, seien an dieser Stelle nur 2 deutschsprachige Literaturstellen von Zeitschriften genannt, die das weite Spektrum der Verpackungstechnik abdecken: ,,nv neue Verpackung" und ,,VR VerpackungsRundschau".

2.G Verpackung und Transport

Tab. 2.5.2

Crenzen biologischer und technischer Verpackungsoptimierung

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Biologische Verpackung

Technische Verpackung

Geometrische Flachcn- und Raurnmalk

offene, variable Ober- und Untergrenzen, aber alhlngig von ruckgekoppelten Einfliissen im lokalen Optimierungsnetzwerk

fcste Obergrenzen voii reLhteckigrn Transportstell- und v;iriablen Traiisporthohenrfid~~~~ii, damnter moditlare Einteilung

AulSere Form, Gestalt

variabel, folgt biologischen Prinzipien, wie Energic-, Materialwid Informations-Effizienz

variabrl, aber untcrliegt letztlich dem Rechteck-Modulrastcr der Transportverpac knng

Gewicht

variabel im Nctzwerk lokaler Einfliisse

variabrl, aber abhangig vom lnhdlt und Obergrenzen durch die Transportmittel

Stiickzahl

variabel im Netzwerk lokaler Einfliisse

Obergrrnze, variabel ini Rechteck-Rastermod~il

Gefahrgutschutz. besondcrer Schutz

optimale evolution$ire Losungen mit Standardm;iterialirn. ndchhaltig venvcrtbar

Sonderlosungcn rnit znm Teil speziellen Materialirn. urnweltbelastend

Aktionsbereich, Lrbensbereich

lokale Biotope. dort aber optimal nachhaltig angepagt

lokales und globalrs Umfeld, selten nachhaltig optimiert

Merkmal

Bionisch geleitete Optimierungsansatze fur Verpackung, die neben dem Produkt Verpackung auch vernetzte Optimietungseinfliisse auf dem Verpackungslebensweg beriicksichtigen, also ein systemisch optimiertes, nachhaltiges Verpackungsprodukt zum Ziel haben, werden in Kapitel4 prasentiert.

2.6

Verpackung und Transport 2.6.1

Kleinraumiges Wirkungsfeld zur Erhaltung der Art

Auf die Tatsache, daR in der Natur Verpackung und Verpackungsinhalt gemeinsam, in inniger Verbindung zueinander entwickelt werden, wurde schon hingewiesen. Naturverpackungen geben dem wachsenden Leben an Ort und Stelle zuallererst Schutz. Hier spielen der Transport beziehungsweise die artspezifisch zu erfiillenden technischen Kriterien eines Transport, noch keine Rolle. Daruber hinaus ist der Stellenwert des Transportes fur Verpackungen in der Natur nicht mit dem im technischen Verpackungsumfeld zu vergleichen. Dafur gibt es zwei gewichtige Grunde: Erstens, weil sich zwei vollig unterschiedliche Verpackungsstrategien gegenuber stehen und zweitens, weil deren Zielsetzungen nicht direkt miteinander vergleichbar sind. Die logistischen Aufgaben, die Verpackungen in der Natur erfullen, wie Lagerung, Stappelung oder Packgutschutz beim Transport, vollziehen sie unter anderem di-

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40 2 Netzwerk Verpackung

rekt als integrale Schritte wahrend der evolutionaren Entwicklung. Denken wir hierbei nur an die geschickten und raumsparenden Kugelverpackungen verschiedener Niisse, die optimierte Stapelverpackung von Hiilsenfriichten oder die hexagonale (sechseckige) materialsparsame und dichteste Flachenverpackung durch die Waben der Bienen. Biologische Verpackungen haben vorprogrammierte unterschiedliche Lebensintervalle, wonach sie das geschiitzte Leben in die Selbststandigkeit entlassen. Dies zeigen die Verpackungen durch die differenziertesten optischen, formgebenden und olfaktorischen (geruchsspezifischen) Merkmale an. Ein Transport iiber weite Entfernungen findet - iiber die Gesamtheit der Transporte gesehen - seltener statt. Vieles spielt sich naturgemaf3 im kleinen Lebensraum ab. Der Verpackungsschutz wahrend eines Transportes geschieht auf vielMltige Weise, sehr oft in der naheren Umgebung, beispielsweise beim Fallen fruchteinhullender Verpackungen von Baumen, wie von einem zehn bis funfzehn Meter hohen Kastanienbaum. Hier hat die Evolution die Verpackungen mit raffinierten stoBdampfenden Strukturen und Formen ausgestattet. Sie erlauben beispielsweise den Fall einer nachkommenden Frucht im Reifestadium - auch eine Art Transport -, ohne das werdende Leben zu zerstoren. Wer von Ihnen, liebe Leser, hat sich nicht schon mindestens einmal, als Kind an den Stacheln der Kastanienverpackung die Finger gepieckt oder sich an der kleinen kugeligen Verpackung der dicht gelagerten, dreieckformigen Bucheckern die Fingernagel umgeknickt? Desweiteren mussen Verpackungen tropischer Baumfruchte ihre lnhalte solange schiitzen, bis sie beispielsweise im Magen einer Gelbnackenamazone mit Hilfe von Mikroorganismen zersetzt werden, um nach dem Ausscheiden aus dem Tierorganismus die Samen keirnen zu lassen. Aber auch fur den oben angesprochenen Verpackungstransport uber lokale Biotopgrenzen hinaus gibt es hinreichend viele Beispiele. Denken wir nur an den Transportschutz der siisen Kokosmilch durch salziges Meenvasser, oder die Mitnahme von verpackten Nachkommensamen durch Vogel in Regionen, mehrere Hundert und Tausend Kilometer entfernt vom elterlichen Organismus. Die Arterhaltung, als oberstes Ziel in der Natur, hat auch Verpackungen mit vielfaltigen Transporteigenschaften hervorgebracht, die hier nur vereinzelt envahnt sind. In Kapitel4 werden wir hierzu aber noch ausfiihrlicher eingehen und weitere eindrucksvolle Beispiele prasentieren. 2.6.2

Weltweite Transporte irn wirtschafilichen Wettbewerb

Logistische technische Meisterleistungen transportieren verpackte Cuter jeglicher Art in die entferntesten Winkel unserer Erde. Beteiligt an diesen Transporten sind Verpackungen unterschiedlichster Arten, GroBen und Materialien. Die Einzel- oder Verbraucherverpackung dominiert. Es folgen Umverpackung, Sammelverpackung und Transportverpackung bis zur genormten Groge eines Containers. Alle miissen miteinander irgendwie platz- und raumsparend gestapelt und gelagert werden. An diesen lokalen, regionalen und lander- bzw. Kontinente iiberschreitenden Transport-

2.G Verpackung und Transport

ketten beteiligen sich die verschiedensten Transport- und Verkehrsmittel wie Fahrrad (stadtische Kurierdienste), Personenwagen, Lastkraftwagen, Bahn, Schiff und Flugzeug. Okonomische Vorgaben bestimmen vorrangig die teilweise bis auf die Minute festgelegten Liefertermine. Verpacken, lagern, transportieren, lagern und auspacken sind Stationen der packgutschutzenden Transporte. Zeit und Kosten sind deren wirtschaftliche Treiber. DaB diese Art Transport auch gelegentlich zu humanokologischen Folgen mit todlichem Ausgang fuhrt (,,Sekundenschlaf' am Steuer des Lastkraftwagen nach 24 und mehr Stunden ununterbrochener Fahrt), sol1 nicht unerwahnt bleiben. Ebenso ist das Fahren mit Luft - dem teuersten Transportgut (!) - im Zeitalter einer ,,just in time"-Logistik, in Form von Rucktransporten mit leeren Laderaumen, immer noch hier und da an der Tagesordnung. Sogenannte Mischverpackungen, das heiBt Einzelverpackungen unterschiedlicher GroGe zusammen zu fassen und gegebenenfalls kostengunstiger transportieren zu konnen, sind noch die seltene Ausnahme, der Handelsvorgaben durch das Nachbestellen von einheitlicher Warenladung und anderes mehr entgegenstehen. Transportverpackungen in der technischen Logistik erfullen ihrer Aufgaben innerhalb der verketteten Produktlinien der Verpackungsinhalte. Enge Rahmenbedingungen durch den Handel, aber auch durch lokale, regionale bzw. kommunale Einschrankungen lassen (noch)wenig Spielraum fur umweltokonomische Entwicklungen. Das bionische Entwicklungspotential fur nachhaltigere Transporte von Verpackungen liegt einerseits in den einzelnen Transportphasen, andererseits in deren geschickte Verkettung. Hierzu leistet in jungster Zeit auch die elektronische Information und Kommunikation ihren Beitrag. Oft tut sie dies nur, um Tranportfahrten von einem Ort zum anderen zu dirigieren. Das hilft Zeit und Kosten sparen. Kommunikation als Selbstzweck zur Maximiemng der okonomischer Ziele, breitet sich im technischen Verpackungsnetzwerk auch durch sogenannte Kommunikationsagenturen aus (die Philosophie ist: nur uber eine Art Dolmetscher-Agentur gelingt die Verstandigung zwischen zwei Kommunizierenden, zum Beispiel Packmittelhersteller und Packguthersteller). Kommunikation ist aber mehr als Befehlsempfang und Mittlerfunktion (Kuppers 1993). Kommunizieren heil3t in erster Linie zuhoren konnen, fragen, erlautern, diskutieren, austauschen von Daten und Informationen in direktem Gesprach - und Zeit nehmen! Es ist nicht unwahrscheinlich, da&: die Wiederentdeckung der Langsamkeit und Griindlichkeit bei strategischen Aufgaben im Kommunikationsbereich fur die Erfullung nachhaltiger Ziele eine wesentIiche Rolle spielen wird. Dies ist - gerade im Zeichen beschleunigter Globalisierung - erst recht innerhalb eines Industriebranchennetzes wie die Verpackungsbranche, wo die Sprachunterschiede eher durch komplizierte Worte als durch echte Verstandigungsschwierig keiten bedingt sind, ein effizienterer Weg zum Erfolg aller Beteiligten. Auch in diesem Hauptkapitel von Verpackung und Transport zeigen sich die Unterschiede zwischen Natur (systemisch, nachhaltig) und Technik (okonomisch, wertschopfend) im Ganzen und im Detail. Wie hieraus Vorteile fur die vernetzte Verpackungstechnik, innerhalb unserer Natur durch umweltvertragliche bionische Losungen zu gewinnen sind, wird in Kapitel G diskutiert.

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2 Netzwerk Verpackung

2.7

Verpackung und Umwelt 2.7.1

Naturverpackungen in der Umwelt - okonomisch und okologisch zugleich

Verpackung und Umwelt heist in erster Linie Verpackung und Urnweltbelastung durch Verpackungsabfall! Man sagt, die Natur produziert abfallfrei. Das stimmt so nicht, wenn man Abfall als den Stoff betrachtet, der nicht mehr am Metabolismus eines lebenden Organismus teilnimmt oder diesen schadigt. Beispielsweise beinhaltet die biologische Verpackung des Baumes (siehe Kuppers 1998-2 und Kapitel4) sogenannte Zwischendepots fur den Metabolismus, den Stoffwechsel des Baumes schadigende Produkte, wie Gerbstoffe, Harze oder Kristalle. Alle giftigen Schadstoffe werden dabei in Gewebeteilen abgeschieden, die als kleinraumig verteilte, lokale Zwischenlager dienen. Diese sterben mit der Zeit ab, losen sich vom Baum und bieten einem Heer von Zersetzern ausreichend Nahrung. Abfallstoffe sind fur die Natur - ganz im Gegensatz zur Technik - aber keine Problemstoffe. Richtiger und konkreter ware die Feststellung, daB die Natur ein ausgeklugeltes, organismusubergreifendes Materialmanagement - inklusive des Verpackungsmaterials - besitzt. Jeder naturliche Stoffoder stoffliche Verbund wird zu I O O % wiedervenvertet und als Ausgangsrohstoff erster Qualitat, fur die Erzeugung neuer Nachkommen und Generationen von Nachkommen, zur Verfugung gestellt. Jedoch bestatigen gewisse Ausnahmen die RegeI. Eine dieser Ausnahmen sind die seit Jahrmillionen in der Erde lagernden fossilen Energietragern (Kohle, Ergol, Erdgas), die als biologische Endlagerstatten fast nur durch menschliches Zutun in den athmospharischen Kreislauf gelangen konnen um diesen mit dem ,,Treibhausgas" CO zu belasten. Eine weiteres Beispiel sind Kalkablagerungen, die sich durch das Sterten unzahliger Meerestiere zu riesigen Untenvasserdepots und durch geologische Ablaufe zu Gebirgen auftiirmen. Die besonderen okologischen Eigenschaften die diese ,,Abfall-Biotope"fur unser Weiterleben spielen, sind noch nicht vollstandig erforscht. Leider greifen wir Menschen auch hier, aus rein wirtschaftlichem Interesse, in einen vernetzten Naturraum ein, ohne die natiirlichen Zusammenhange und Ruckkopplungen zu verstehen, die durch unser Verhalten moglichenveise ahnlich den Folgen aus der exzessiven Nutzung fossiler Energietrager - zu weiteren schadlichen, globalen Auswirkungen fuhren. Pflanzen und Tiere in der Natur erzeugen jahr fur Jahr Abfallberge von Verpakkungen und Packinhalten unvorstellbaren AusmaBes, wogegen unsere erzeugte Verpackungsmenge verschwindend klein ist. Und trotzdem schafft es die Natur, ohne aufwendige Mittel diese Abfalle ruckstandsfrei ohne zusatztliche Umweltbelastung zu verarbeiten oder zu neutralisieren. Es herrscht ein ausgewogenes Gleichgewicht zwischen derjenigen Menge, die produziert wird und jener zu entsorgenden Abfallmenge, die fur die Wiedervenvertung neu aufbereitet wird. Im Gegensatz zum Problemfeld technischer Verpackungen, welches anschlieBend beleuchtet wird, existiert in der Natur, aufgrund der vielfaltigen Netzwerk-Verknupfungen und Ruck-

2.7 Verpackung und Umwelt

kopplungen, keine scharfe Trennung zwischen Herstellung und Entsorgung. Alles lauft in flieBenden Ubergangen zusammen. In Kapitel 6, zum Thema bionisches Verpackungmanagement, wird auf diesen vernetzten Vorgang noch intensiv eingegangen. Naiiirliche Verpackungen, die vielfach aus Verbundmaterialien bestehen, losen sich nach ihrer Nutzung in wiederverwertbare Bestandteile auf, oder werden durch symbiotische Lebenspartner, die Spezialisten fur das ,,Knacken" von Materialverbunden sind, untersttitzt, ohne ein Problem der Stofftrennung. Das bekannte Vorgehen, mit nur wenigen Ausgangsstoffen und durch intelligente Verarbeitung Naturverpackungen hoher Qualitat zu erzeugen, erleichtert die Wiederverwertung auBerordentlich. Am eindrucksvollsten zeigen sich die umweltvertraglichen Lebenskreislaufe von Verpackungen am Beispiel immergriiner tropischer Baume und Straucher, beim Ubergang von einer Generation zur anderen. Das Miteinanderwirken und Ineinandenvirken von Verpackungsstoffen absterbender und neu wachsender Organismen, durch effiziente Nahrstoffnutzung, hervorragendem Klimaschutz und optimal abgestimmter Energienutzung, ist nur ein kleiner Auszug aus dem Wirkungsnetz dieser Art Verpackung in der Natur, die Paturi (1974) aus der Sicht biologischer Abfallvenvertung detailiert beschreibt. Alles in allem geht die Natur mit ihren Verpackungsprodukten sehr nachhaltig um. Naturverpackungen sind, neben dem ihnen zuzustehenden hohen Grad an Leistungsfahigkeit und Qualitat, aus ihrer eigenen Netzwerk-Entwicklung heraus, auch per se umweltvertraglich. Sie verkorpern demnach in idealer Weise die Verschmelzung von Okologie und Okonomie in komplexer Umgebung. Gilt vergleichbares auch fur technische Verpackungen? 2.7.2

Technische Verpackung - Urnwelt - Verpackungsabfall

Die Antwort auf die unmittelbar vorab gestellte Frage ist ein eindeutiges NEIN! Technische Verpackung und Umwelt heiBt in erster Linie Verpackung und Umweltbelastung, heiRt schlieglich Urnweltbelastung durch Verpackungsabfall. Die okologische Kehrseite des marktwirtschaftlichen wertschopfenden Verpackungsspiegels stellt sich wie folgt dar: Umweltprobleme bei ausgewahlten, bisher exzessiv genutzten Verpackungsrohstoffen Entsorgungsprobleme von kunstlich hergestellten Verpackungsmaterialien und Materialverbunden aus Papier, Kunststoff, Metall und weiteren Stoffen sowie doppelt, dreifach und vierfach verpackten Packgutern Verpackungsstoffemit integrierten umweltbelastenden Stoffen zur Veredelung, wie synthetische Farben und Lacke, Glanzbildner, bakterielle Schutzstoffe und so weiter Uberproportionale Entsorgungskosten, zum Beispiel bei Kunststoffverpackungen 50 % des Verpackungs-Nennwertes Herstellungsbedingte Urnweltbelastung und Umweltzerstorung bei verschiedenen Verpackungsmaterialien

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Okologisch und humanokologisch belastende Transportfahrten Kritisches Verhalten von Verbrauchern, Verbraucherverbanden und Umweltschutzorganisationen gegenuber Verpackungsgutern und deren Folgen fur die Umwelt Durch Verpackungsprozessschritte verursachte externalisierte Kosten bleiben in der Verpackungswertstellung unberiicksichtigt Gesetzliche Einschrankungen zu Lasten herkommlichen linearen Verpackungsmanagements Umweltvertraglichkeitsuberpriifung von Verpackungen und deren Herstellungsprozessen Zunehmende Uberprufung der Umweltbelastung von zum Beispiel Produktionsfaktoren verpackungstechnischer Prozesse fur die Vergabe von Krediten durch Celdinstitute Vergleichbare Prozeduren wie fur die Vergabe von Bankkrediten gelten auch fur Versicherungsabschlusse Richterliche Urteile uber einklagbare Beeintrachtigungen von Menschenrechten durch betriebliche Umweltverschmutzungen infolge verpackungstechnischer und auch anderer materialverarbeitender Prozesse.

Prozesse zur Herstellung technischer Verpackungen sind imrner noch grogtenteils EinbahnstraBenprozesse fur die Stoffwege und damit lineare, monokausale Stofftransportketten, von der Rohstoffquelle Natur, uber die Verknupfung rnit kunstlichen Materialien auf dem Fertigungsweg, bis zur Abfallsenke Natur, auch wenn vereinzelt Ausnahmen von biologisch vertraglichen Verpackungen den besseren Weg zu einer Nachhaltigkeit von Verpackung und Umwelt weisen. Das funktionierende Netzwerk natiirlicher Ablaufe in der Umwelt wird bei vielen Verpackungsprozessen aufs augerste belastet und teilweise zerstort. In der offentlich und kritisch gefuhrten Diskussion uber naturvertragliche und wirtschaftliche Produkte und Herstellungsverfahren, nimrnt die Verpackung, trotz ihrer nachweisbaren technischen Leistungen, eine zentrale Stellung ein. Sie ist quasi zurn Objekt politischen Interesses geworden. Warurn ist das so?

Weil die okologischen, okonomischen und sozialen Folgen, die aus Herstellung, Nutzung und Entsorgung einschlagiger Verpackungen bzw. Verpackungsrnaterialien resultieren, volkswirtschaftlich gesehen Lucken aufreiBen, die die Verpackungswirtschaft und begleitende Wirtschaftszweige alleine und in nachhaltiger Weise nicht schlieBen konnen. Diese Lucken zeigen sich unter anderem in den uberproportional ansteigenden Reparaturkosten fur Folgeprobleme in den Bereichen Umwelt, Wirtschaft und Gesellschaft. Das wirtschaftliche und politische Interesse fokussiert sich dabei vorangig auf die Verpackungsentsorgung, als letzten Arbeitsschritt auf dem Lebensweg einer Verpackung. Wir meinen, eine grundsetzlich falsche Schwerpunktsetzung auf diese wenig nachhaltige ,,end of the pipe"-Technik. Was passiert?

Steuernde Eingriffe, durch nationale Gesetze und uberlagerte, europaweit geltende Richtlinien, beziehungsweise Verordnungen zur Verminderung - und Vermei-

2.7 Verpackung und Urnwelt

dung(?)- der vorhandenen und zu entsorgenden Verpackungsberge, legen der verpackungsherstellenden Industrie, in einem ersten Schritt, Quoten fur die Wiederverwertung von Verpackungsmaterialien vor. Eine Politik der Grenzwerte greift ein! Die einschlagigen Industriezweige kontern mit einem eigenen, von den Verbrauchern zwangslaufig mitfinanzierten System der Wiederverwertung und Entsorgung (das sogenannte Duale System). Hierdurch wird jedoch eine nicht vorhergesehene Eigendynamik in Gang gesetzt. Verpackungsabfallstoffe werden zwar getrennt gesammelt und teilweise wiederverwertet, aber eine insgesamt rohstoffeffkientere Verarbeitung, als die notwendige Voraussetzung fur eine nachhaltige Verpackungseinsparung und damit reduzierte Entsorgung, findet in diesem Zusammenhang nicht statt. Im Gegenteil! Lander- und kontinentiiberschreitende, marktwirtschaftliche Aktivitaten fuhren zu einem neuen, zusatzlichen wachstumsintensiven Entsorgungsmarkt, mit gesichert kalkulierbaren, verlockenden Umsatzen und Gewinnen. Abbildung 2.7.1 zeigt in einer Skizze den globalen linearen Lebensweg des Wirtschaftsgutes Verpackung, wie er sich heute und noch fur die nahe Zukunft darstellt. Die schwach angedeuteten Kreislaufe fur eine stoffliche Wiederverwertung und Verpackungswiederverwendung (Glas-, KunststofF Getrankeflaschen) konnen hier nur als Ansatze fur umweltvertragliche Arbeitsschritte einzelner Pioniere gewertet werden. Sie zeigen aber den generellen Trend, das biologische Kreislaufprinzip der Materialverarbeitung zum Vorbild zu nehmen. Im vernetzten Verpackungsumfeld der Natur exponiert sich die linear kausale Strategie einer technischen Verpackungsmaterialverarbeitung. Die Natur scheint sehr tolerant, wenn es im Rahmen gewisser Grenzen zu Problemanhaufungen kommt. Werden diese Grenzen aber durch den exessiven Materialverbrauch oder ,,Endlagerungen" technischer Verpackungen uberschritten, sucht die Natur nach Auswegen, ihr eigenes, fliegstabiles Gleichgewicht trotzdem noch aufrecht zu erhalten. Diese Auswege, die aus der Sicht der komplex vernetzten Naturablaufe eigentlich Problemlosungen sind (!), zeigen sich fur uns Menschen durch zunachst vereinzelt auftretende Umweltschaden, die in dem fur uns unsichtbaren Naturnetzwerk schnell in weitere Lebensraume diffundieren und dort auch gehauft in Erscheinung treten konnen. Es ist in unserer Zeit globalisierender Veranderungen nicht mehr ausgeschlossen, daB rohstoff- und energieverzehrende Arbeitsprozesse von Verpackungen auf einem Kontinent, durch biospharische oder andere Transportketten, Auswirkungen auf die Gesundheit der Menschen und anderer Organismen in weit entfernten Regionen haben. Ein Beispiel dartiber, wie Schutzstoffe fur Verpackung und Packgut schleichend zu weltweiten, lebens- und umweltbedrohliche AusmaBen fuhren, zeigt die zur Zeit hochaktuelle Diskussion uber die Verwendung von Organozinnverbindungen (Haas 2000). Bekannt ist das zu den langlebigen Umweltgiften zahlende Tributylzinn (TBT), das als Anstrichfarbe fur Schiffriimpfe zur Vermeidung von Muschel- und KrebsBewuchs genutzt wird. Primar sind hierbei - wie so oft - rein okonomische Griinde das Mag der Mittel, weil durch organischen Bewuchs die wandnahe Reibung des Schiffrumpfes in Wasser erhoht und dadurch die Geschwindigkeit des Schiffes reduziert wird. ,,Time is money".

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ROHSTOFFE

Wiederverwertungsquoten

Gesetzliche

Wirtschaftsgut Verpackung

2.7 Verpackung und Urnwelt

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Weniger bekannt ist dagegen, daf3 TBT als Pilze und Bakterien totendes Desinfektionsmittel auch fur Papier imd Holz venvendet wird, womit wir wieder den Bogen zu Verpackungen bzw. Verpackungmitteln wie zum Beispiel Holz-Transportpaletten geschlagen haben. Dariiber hinaus existiert eine weitere TBT-ahnliche Stoffverbindung, das Triphenolzinn (TPT). Es wird in der Landwirtschaft unter anderem als Pilzbekampfungsmittel gegen Knollenfaule von Kartoffeln eingesetzt. Sowohl TBT als auch TPT beeinflussen als langlebige Umweltgifte, ,,persistent organic polutents" (POPS),weltweit und direkt sowohl den Lebenslauf von Verpakkungen und Verpackungsmitteln als auch den Lebenslauf von Packgiitern. Indirekt wirken diese synthetischen Gifte auch in den Nahrungsketten von ,,niederen" Organismen wie Schnecken bis zu ,,hoheren" Lebewesen wie uns Menschen, wobei diese Gifte im Verdacht stehen, das Hormonsystem zu storen. Was ist zu tun?

Vermeiden-Vermindern-Verwerten,in dieser Reihenfolge sollen nach Vorgabe durch die Verpackungsverordnung Verpackungen bewertet werden. Vermeiden bedeutet zu fragen: Sind Verpackungen iiberhaupt notwendig? Vermindern bedeutet wiederverwenden. Verwerten heiBt den nicht mehr wertschopfenden Verpackungsstoff wieder einem MaterialverarbeitungsprozeB zuzufiihren. Erganzend konnten noch die beiden Begriffe Kompostieren und Entsorgen hinzugefugt werden, wobei sich Entsorgen noch in thermische Wiedervenvertung und Deponieren unterteilt. Kompostiert wiirden Stoffe, die biologisch abbaubar und damit biologisch vertraglich sind, ohne zusatzliche Umweltbelastung, zum Beispiel durch Kohlenstoffdioxid. Entsorgt werden alle Stoffe, die den vorab genannten 4 Kriterien nicht gerecht werden. Das betrifft in erster Linie die Vielzahl von chemischen Kunststoffen, Kunststoffverbiinden und Mischkunststoffen. Die Abbildungen 2.7.2 und 2.7.3 lassen erkennen, daB die Entsorgung von Kunststoffen verschiedener Art weniger eine Frage des Gewichts als vielmehr eine Frage des Volunmens ist! Viele Kunststoffgebinde lassen sich nach dem Gebrauch des Inhaltes durch den Verbraucher nur schwer oder gar nicht zerkleinern. Auch das optische Erscheinungsbild vieler StraBenziige in Wohnbereichen, zum Zeitpunkt der Entsorgung (immer haufiger auch ein Tummelfeld fur Nagetiere!), tragt nicht gerade zu einer positiven

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2 Netzwerk Verpackung

Einstellung der Verbraucher zum gegenwartig praktizierten Verpackungsentsorgung bei. Leider ist die Mehrzahl der Verbraucher aber auch nicht bereit, sich durch energische Willensbekundungen gegen diese Entsorgungspraktiken aufzulehnen und nehmen stattdessen Erhohungen der Mullgebuhren stillschweigend in Kauf. Der anzusetzende Hebel fur technische Verpackungen, die durch einen naturvertraglichen Lebenslauf mit unserer Umwelt nachhaltige harmonieren, liegt in den Industrielandern. Er sollte aber nicht auf die Weise benutzt werden, dag ausrangierte, umweltbelastende Verpackungen, aus Griinden allerletzter Wertschopfung, an sogenannte Entwicklungslander verkauft werden. Das Naturpotential intelligenter Verpackungen, das ausgerechnet in den wirtschaftlich schwachen Landern in grogem MaBe vorhanden ist, sollte nicht noch durch einen derartigen ,,Verpackungstourismus" aus den Industrielandern weiter zerstort werden. Hier wiirde eine kooperative Einstellung der Verpackungswirtschaft zu nachhaltigen Erfolgen fur beide Seiten fuhren. Das auch in der Verpackungswirtschaft erkannte Problem zunehmender Kostenaufwendungen durch Folgelasten umweltbelastender Verpackungsentsorgung und Abfallstoffe entlang verpackungstechnischer Prozessketten, fiihrte um 1990zu der Entwicklung sogennanter Oko-Bilanzen. Damit wurden die Stoffmengen und Stoffverlaufe, insbesondere der Abfallstoffe entlang der Wertschopfungskette einer Verpackung, erfagt, ausgewertet und Verbesserungen durchgefuhrt zur Minderung des umweltbelastenden Stoffaustrages. Diese Herangehensweise wurde begleitet durch gesetzlich abgesicherte Umweltvertraglichkeitsprufungen (UVP) (Sietz 1994). Mit der Zeit entstanden hierzu auch - neben den jahrlichen Wirtschaftsbilanzen - erste Umweltbilanzen von Unternehmen, die damit ihr Engagement gegenuber der Umwelt werbewirksam prasentierten. Es zeigte sich aber, daB die ,,Oko-Untersuchungen"in erster Linie Untersuchungen zur Starkung der eigentlichen Wertschopfung des Kernproduktes waren. Detailverbesserungen waren die Regel. Prozessorientiertes und damit systemgeleitetes Handeln, mit den Chancen zur Entwicklung echter nachhaltiger Produkte, fand nicht statt, war nicht gewollt oder war mangels systemischen Denkens nicht moglich. Einen Uberblick uber Materialien zu Okobilanzen und Lebensweganalysen gibt das Umweltbundesamt in seinen Texten 2 6 (UBA 1997).

2.7 Verpackung und Umwelt

Der Uneinheitlichkeit verschiedener Herangehensweisen zur okologischen Produktbewertung versucht die gegenwartige Standardisierung von Okobilanzen ( I S 0 14040- I S 0 14043)entgegenzuwirken. Sie ist aus methodischer Sicht ein wichtiger Schritt zu umweltvertraglichen Produkten und damit auch Verpackungen. Aus systemischer Sicht reicht dieser Schritt aber noch lange nicht aus, Verpakkung und Umwelt vetraglich und vor allem nachhaltig miteinander zu verbinden. In Kapitel G wird hierzu die Perspektive der bionischen systemanalogen Vorgehensweise aufgezeigt. Ein weiterer Schritt in Richtung von technischen umweltvertraglichen Verpakkungen fiihrt iiber biologisch abbaubare Kunststoffe bzw. nachwachsende Rohstoffe. Insbesondere Verpackungen aus nachwachsenden Rohstoffen (Bananenblatter, NuBschalen, Bambusflechtwerk, Holzkisten, Strohfullungen, Baumwolle etc.) werden in vielen Landern Afrikas, Asiens und Sudamerikas, die iiber keine ausgereifte Verpackungstechnik und -1ogistik verfiigen, von den Eingeborenen fur ihre kleinraumige lokale Marktwirtschaft genutzt. Die klimatischen Bedingungen lassen es zu, daB das Verpackungsmaterial schnell und problemfrei verrottet. Sicher ist dies nur eine umweltvertragliche Art der Verpackung in lokalen Nischen. Innerhalb unserer hochtechnisierten Zivilisation mit ihrer ausgefeilten Verpackungstechnik ware diese Handhabe wohl kaum moglich - oder? Verschiedene Gutachten (Westermann 1992) dokumentierten Anfang der goer Jahre die Umweltvertraglichkeitvon Naturstoffen, wie Stroh als Fullgut und Polystyrolsubstitut (PS-Ersatz)fur Transportverpackungen sowie Baumwolle als Verpackungsersatz fur Polyethylenfolien (PE-Folien) . Unter dem Markennamen Biopol kam 1990 weltweit erstmals ein biologisch abbaubarer Kunststoff fur eine Verpackung auf den Markt. Der Grundstoff fur Biopol (Polyhydroxybutter-bzw. Polyhydroxyvaleriansaure)ist seit Jahrzehnten bekannt und wird zum Beispiel in der Humanchirurgie als selbstauflosender Faden benutzt. Obwohl bei Verbrauchern mit hohem UmweltbewuBtsein die zusammengestellten Worter biologisch und Kunststoff Naseriimpfen verursachte, konnte sich, in einem direkten Verkaufsvergleich mit identischem Verpackungsinhalt (Haarshampoo),dieses biologisch abbaubare Verpackungsmaterial gegenuber der reinen Kunststoffverpackung aus PET (Polyethylenterephthalat)klar durchsetzen. Die Ergebnisse von Untersuchungen uber das Abbauverhalten von Biopol unter definierten und praxisrelevanten Bedingungen (Versuche in Wasser, Verhalten in der Deponie, Verhalten in der Kompostierung, Wege der Entsorgung) waren vielversprechend (Westermann 1992).Es gab jedoch einen ,,gesetzlichen" Haken auf dem Lebensweg der biologisch abbaubaren Verpackung. Gefordert war eine ausreichende flachendeckende Entsorgung durch ein Kompostiersystem, welches nicht vorhanden war! Das aufkommende Entsorgungsnetz Duales System Deutschland - DSD -war und ist zu sehr fixiert auf technisches Kunststoffe. Es sei hier am Rande bemerkt, daB die von uns Verbrauchern eifrig gesammelten Kunststoffe in den gelben Sacken, nur ca. 3 % des gesamten gegenwartigen Hausmullaufkommens ausmachen. Der damit verbundene logistische A u h a n d ist nach Ansicht der Autoren nicht nur vollig uberhoht, bringt okologisch nur marginale Vortei-

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I le und ist insbesondere vollig uberteuert, wie es bereits arbeitende, alternative me2 Netzwerk Verpackung

chanisch-biologische Anlagen beweisen (Vorholz zooo). Aber kommen wir zuruck zur biologisch abbaubaren Biopol-Verpackung und den Entsorungsproblemen Anfang der Neunziger Jahre. Da&trotz allem der sogenannte Grune Punkt fur die stoffliche Wiedervenvertung der Biopolflasche erteilt wurde, mit der Auflage, eine zusatzliche Markierung des ,,Biokunststoffes" vorzunehmen, geschah aus der entsorgungsbedingten Zwangslage. Die aus sachlichen Erwagungen heraus unsinnige Mischung von biologisch abbaubarem und nicht abbaubarem Kunststoff innerhalb des DSD konnte folgerichtig nicht lange durchgehalten werden. Biopol verschwand nach und nach vom Markt. Damit war aber ein erfolgversprechendes Verpackungs-Modell, das auf dem richtigen Weg zu einer umweltvertraglicheren Materialwirtschaft angestoBen wurde, durch formale Randbedingungen im Keim erstickt. Ahnliches geschah mit dem biologisch abbaubaren Verpackungsmaterial Polymilchsaure - Polylactidacid, PLA - fur Joghurtbecher (mit Aluminiumdeckelfolie!), das 1998 von der Firma Danone auf dem Markt plaziert wurde. PLA wird aus nachwachsenden Rohstoffen wie Kartoffeln, Reis, Getreide, Mais oder Zuckerrohr gewonnen (Weber 1998). Fehlende Vertrage in Zusammenhang mit der Nichtgewahrleistung des Materialtransportes von der Biotonne zur Deponie durch die kommunalen Entsorger und weitere Hindernisse beschieden dem umweltvertraglichen PLA-Material der Joghurtverpackung das Ende. Die Abbildungen 2.7.4 und 2.7.5 zeigen die biologisch abbaubare Biopolflasche, die sich vielleicht heute - unter geanderten Rahmenbedingungen der Verpackungsordnung - eher im Markt durchsetzen wurde. Abb. 2.7.4 Biopol - biologisch abbaubarer Kunststoff in Form einer Verpackung fur Haarschampoo (Wella AC)

Abb. 2.7.5 Demonstration des naturl~chen Zersetzungsprozesses an d r e ~B~opolFlaschen (Wella AC).

2.7 Verpackung und Urnwelt

Es folgten viele weitere Ansatze von Verpackungsmaterialien zur Schonung der Umwelt, zum Beispiel durch die Verpackungsentwicklung eines Kaffeebohnenbeutels mit fettabweisendem Zellulosepapier als Ersatz fur Aluminium (Bakemeier 199g), kompostierbares Geschirr aus Starke, Verpackungsfullstoffe aus Mais und Kartoffelstarke (Wurdinger 1g9g),Transportverpackungen bzw. Verpackungsfullstoffe aus Holz und Stroh, Verpackungsfolien aus Chitosan, mit Chitin als naturlich vorkommendes Polymer (Kittur 1998) und so weiter. Viele dieser verschiedenen Verpakkungen, Verpackungsmittel und Verpackunghilfsmittel sind aus Grunden technischer und okonomischer Randbedingungen nicht mehr auf dem Markt. Einige, wie die Transportpalette aus Holz, ,,Biokunststoffe" auf Starkebasis (Lorcks 1998,1999) oder neue thermoplastische Werkstoffe - ,,flussiges Holz" - aus den Naturstoffen Lignin und Sisal- bzw. Flachsfasern (Schulte 2000, Ewe zooo),haben sich neben dem riesigen Kunststoffmarkt im Verpackungsbereich behaupten oder sogar ihre Marktposition ausbauen konnen beziehungsweise sind neu in den Markt eingetreten. Die japanische Kao Corporation, Muttergesellschaft der Darmstadter Goldwell GmbH, verbluffte im Oktober 2000 die Konkurrenz mit einer ,,Papierflasche". Es sind die seit April 2000 in Kraft getretenen, strengeren Umweltauflagen in japan, die Kao dazu veranlasst haben, Berge von zuruckgenommenen Papierprodukten einem neuen Wertschopfungsprozeg zuzufuhren. Das Ergebnis ist die Papierflasche, wie sie in Abbildung 2.7.6 zu sehen ist. Eine neue Entwicklungstechnik erlaubt die Herstellung von Papierflaschen in verschiedenen Formen und die Fahigkeit des Versiegelns von Papierflaschen bzw. Papierverpackungen, was vorher nicht moglich war (Kao 2000, Sauermann 2000). Befurworter und Gegner eines naturstoffnahen und naturstofflichen Einsatzes fur Verpackungen streiten auch noch heute uber drei Themenbereiche innerhalb der Beziehung zwischen Verpackung und Umwelt: erstens Einweg-Mehrweg-Verpackungen und zweitens die Verpackungsentsorgung durch Verbrennung, das heigt thermische Wiederverwertung. Dieser Streit wird oft mit pauschalen Feststellungen Abb. 2.7.6

Papierflasche mit Detailaufnahmen (Kao Corporation/

Coldwell CrnbH).

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I aus kausalen Argumentationsketten gefuhrt und ist daher in den seltensten Falle 2 Netzwerk Verpackung

systemrelevant, entsprechend einer naturvertraglichen, ganzheitlich vernetzten Lebenswegbetrachtung (siehe auch Westermann 1992). Das dritte Streitobjekt ist durch die gegenwartig gultige Verpackungsverordnung (Bundesgesetzblatt 1998) wohl ausgeraumt. Diese erlaubt seit 1998 die Kompostierung von biologisch abbaubaren Kunststoffen - acht Jahre nach Biopol! Die aktuelle Verpackungsverordnung enthalt eine Sonderregelung fur kompostierbare biologisch abbaubarer Werkstoffe auf der Basis nachwachsender Rohstoffe. Begleitend hierzu regeln Vorschriften der Bioabfallverordnung (DIN 54900)die haushaltsnahe Entsorgung biologischer Abfalle bzw. biologisch kompostierbarer Verpackungsabfalle. Damit sind die gesetzlichen Rahmenbedingungen zu Gunsten nachwachsender Rohstoffverarbeitung im Sinne umweltvertraglicher Prozesse geandert worden. Nun mussen sich noch Hersteller biologisch abbaubarer Verpackungen und Kommunen als die Trager ortlicher Entsorgungssysteme uber einen reibungsfreien Materialtransport von den Biotonnen der Haushalte bis zur Kompostierungsanlage fur diese Verpackungsstoffe einigen. Ein erster wichtiger Schritt in Richtung eines nachhaltigen Stoffmanagements, einer ,,sustainable development" und einer generellen Vertraglichkeit zwischen Verpackung und Umwelt ist getan.

2.8 Mensch und Verpackung

Wenn wir den Verpackungsbegriff erst einmal auf das Gros der Verpackungen auslegen - auch Hauser und Baustoffe sind Verpackungen bzw. Verpackungsmittel! und auf den Menschen als Konsumenten, als Verbraucher beziehen, dann ist die Verkaufsverpackung in ihrer ganzen Variationsbreite diejenige Verpackung, die der Mensch bei seinen taglichen Einkaufen zur Erfullung seiner Bedurfnisse am meisten nutzt. Aus Kapitel 2.4.2 wissen wir, daB zirka go % aller Verbraucherverpackungen fur Lebensmittel und sonstige haushaltliche Waren wie Waschmittel und Kosmetik hergestellt werden. Diese riesige Menge unterschiedlichster Verpackungsmaterialien und -formen muB die Verbraucher passieren, um letztlich der Entsorgung oder Wiederverwertung zugefuhrt zu werden. Der g&& bezahlte Aufwand, den der einzelne Verbraucher betreiben mug, u m den technisch vorgeschriebenen Lebenslaufzyklus der Verpackung nicht zu unterbrechen, ist auch ohne die vernetzten Einflusse durch StraBenverkehrslarm, schlechte Atemluft, Parkplatzsuche, fehlende Dienstleistung und so weiter schon beachtlich, wie uns die verkettete Aufzahlung vorfuhrt: leere Transportfahrt zum Kaufangebot - Kauf meist mehrerer Verpackungen - volle Transportfahrt nach Hause - Trennen der Verpackungen von den Inhalten - Verpackungszwischenlager in der Kuche - Verpackungsvorsortierung in braunen, roten, gelben, grunen oder vielleicht bald gestreiften Eimern - Verpackungsnachsortierung in ebenfalls verschiedenfarbigen Mulltonnen und Mullsacken - Extra-Hin- und Her-Transportfahrten bei grogen Verpackungen. DaB dieser Aufwand nicht immer aus freiem Willen erfolgt sondern oft erzwungen ist als Folge manipulierter Kaufreize - gerade durch die Verpackungen -, kann

2.8 Mensch und Verpackung

jeder Verbraucher an sich selbst erfahren. Auf der anderen Seite ertappen sich viele Verbraucher immer noch bei ihrem zwiespaltigen Denken und Handeln gegenuber einer nachhaltigen umweltvertraglichen Verpackungsvermeidungund -entsorgung. Das UmweltbewuBtsein jedes einzelnen Verbrauchers mu%noch erheblich gestarkt werden, auch wenn manche politische und wirtschaftliche Offenbarungen die Verbraucher desillusionieren um nicht zu sagen fur dumm verkaufen. Die Mullentsorgungspraxis der Deutschen Bahn ist sicher nur eines von vielen Beispielen fur Verbraucher-Verdummung,die trotz gegenteiliger Beteuerung seit nun zwei Jahren anhalt, wie sorfaltige Nachforschungen gezeigt haben (Hoflich 1998, 2000). Jahrlich gibt die Deutsche Bahn Hundert Millionen Deutsche Mark fur die Mullentsorgung - man kann auch sarkastisch sagen, fur das Streuen von Sand in die Augen der Fahrgaste - aus. Die Praxis sieht dann wie folgt aus: Aufden Bahnsteigen getrenntes Mullsammeln von Verpackung, Glas und Restmull, in hochglanzpolierten Edelstahlbehaltern. Hinter den Bahnsteigen: alles wieder in einen Abfallcontainer! Gelegentlich gibt es andere Weg, seine Bedurfnisse zu erfullen und den Verpackungsballast zu vermeiden. Wer zur Zeit der Ernten naturverpackte Friichte und Gemuse essen will und die Chance hat, diese direkt an Baum und Strauch zu pflukken bzw. auf dem Feld zu ernten, tut dies. Selbst fur kurze Transporte oder kurzzeitige Lagerungen benotigt man keine aufwendigen Verpackungen. Schwierigerwird es, wenn Verbraucher nicht in der Nahe von Anbaugebieten fur Lebensmittel wohnen. Um diese moglichst frisch vom Feld zu konsumieren, mussen die Menschen lange Fahrzeiten auf sich nehmen, was auch zu bestimmten Jahreszeiten in unseren Breitengraden geschieht, wie die im Juni stattfindende Erntezeit der Erdbeeren alljahrlich belegt. Das erzeugernahe und verpackungsarme Einkaufen entwickelt sich zu einer beliebten Freizeitbeschaftigung fur Stadter, die ansonsten in den nahegelegenen Konsumhausern groBer Konzerne ihre Essbedurfnisse und andere Bediirfnisse befriedigen. Daruber hinaus existieren schon eine Reihe von Einzelhandelsgeschaften, die mit zum Teil verpackungsfreien, biologisch vertraglichen Produkten Kunden umwerben. Sicher immer noch ein kleiner Nischenmarkt innerhalb der Vielzahl verpackter Guter. Die 5-10 % aller Verpackungen, die Investitionsguter betreffen, fallen kaum ins Gewicht. Und doch ist die Baubranche von allen der Wirtschaftszweig mit dem grogten Abfallvolumen, wozu auch Verpackungenmit beitragen. Baustoffe wie die gesundheitlich nicht unkritischen Glasfasermatten (Abbildung2.8.1)oder KunststofKolien zur Isolierung und Abdichtung der AuBenhaut des verpackten Wohnraumes, sind selbst eine Art Verpackung des Hauses und der stoflichen Wiedervenvertung kaum zuganglich. Hier bieten sich auch - als naturvertragliche Stoffalternativen- biologische Materialien an (z. B. als Bionikprodukt nach dem Vorbild der Baumrinde der Sequoia),die durch ihre technischen Leistungen durchaus mit den gangigen technischen Materialien Schritt halten konnten. In Kapitel4 wird auf die Vorzuge dieses erfolgreichen, uber Jahrmillionen bewahrten natiirlichen Baustoffes der SequoiaRinde naher eingegangen. Dariiber hinaus fallen unter der Verpackungskatagoriefiir Produkte aus dem ,,NonFood"-Bereichauch sogenannte recyclingfeindliche Blisterverpackungen,eine Kom-

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bination aus Karton und Polyvinylchlorid (PVC), mit dazwischen liegenden Werkzeugen oder anderen Kleinteilen (Abbildungen 2.8.2-2.8.4). Der Hintergrund dieser Verpackungsart ist auch klar: Arbeitsplatze werden wegrationalisiert, weil weniger Sortier- und Lagerarbeiten im Handel anfallen, als bei aufwendigerer Plazierung von einzelnen kleinen Verkaufsteilen. Der kleine Nebeneffekt ist, daB kaum Verkaufspersonal in den gro$en Warenhausern und Baumarkten anzutreffen ist, das uns Verbraucher - wie fruher einmal selbstverstandlich - bei Bedarf ausgiebig und daruber hinaus noch freundlich berat. Abb. 2.8.2 Blister-Verpackung Werkzeuge

fU I. mehrere

Schraubendrf:her-

2.8 Mensch und Verpackung

Man sollte es nicht glauben: auch heute noch finden sich Verkaufsprodukte auf dem Markt, die 2-fach und 3-fach, gelegentlich 4-fach(!)verpackt sind, obwohl eine Verpackung vollig ausreichend ware. Wer als umweltbewuBter Verbraucher zu Joghurtbechern in den Regalen der Lebensmittelmarkte greift, hat sich sicher schon gewundert, weshalb der Aluminium-Deckelfolie oft noch eine vollig iiberfliissige Kunststoffkappe iibergestiilpt wurde (Abbildung 2.8.5). Zu einem dieser mehrfach verpackten Produkte (Wegwerfpatroneftir Tintenstrahldrucker, Abbildung 2.8.6)wurde bereits 1992 eine Studie angefertigt (Kiippers 1gg2),die einen Einblick in die Strategie der geschickten Verpackungsvermehrung gibt und die okologische Belastung der Mehrfachverpackungen aufzeigt. Demgegenuber verdeutlicht die Mehrwegalternative in derselben Studie deutliche Vorteile durch ein auf 1/7 reduziertes Verpackungsvolumen, und auf 1/6 reduzierte Nutzkosten fur den Verbraucher. Es fallt insbesondere bei Verpackungen von elektronischen Datentragern wie Compact

Abb. 2.8.6

Mogel-Verpackung einer Druckerpatrone.

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2 Netzwerk Verpackung At)b. I ~ 8 . 7 Ubeirdini e n r;ion ierte UrnverpakkuIng€,n VOIIelek:troiI I S C Ii e n Dattwtragern.

Discs (CDs) auf, daR deren auBere MaBe im Vergleich zu den MaBen der innenliegenden CDs und dem Begleitheft, erheblich iiberdimensioniert sind (Abbildung 2.8.7). Nicht nur daB dadurch wertvolle Regalflache eingenommen und verschwendet wird, auch der uberflussige Transport von viel Lufi in den Verpackungen ist nicht gerade okonomisch bzw. transporteffizient. Auch die Umwelt spurt die Auswirkungen dieser wenig platzoptimierten Verpackungen, denn mehr Volumen pro Verpakkung bedeutet weniger Transportkapazitat pro Fahrt und somit insgesamt mehr Tranportfahrten mit mehr Schadstoffemissionen. Sowohl vierfach(!) verpackte Waren, wie beispielsweise Pfefferminz-Verpackungen, konnen von uns Verbrauchern auch heute noch in den Warenregalen entdeckt werden, als auch weiter Varianten von Verpackungsverschwendung und Verbrauchertauschung durch die sogenannte Mogelverpackung. Sie tauscht vom sichtbar verpackten Volumen mehr nutzbaren Inhalt vor, als tatsachlich in ihr enthalten ist. Abbildung 2.8.7 zeigt ausgerechnet wieder dieselbe Patronenart fur Tintenstrahldrucker, die von einem der Autoren vor kurzem im Regal eines Supermarktes wiederentdeckt wurde und die er bereits vor 8 Jahren - siehe oben - als ein Objekt der Verpackungsverschwendung beschrieb. Das Erstaunen bei der Verpackungsoffnung war grog. Einerseits hatte die Patrone diesma1 eine Umverpackung weniger, dafur aber mehr uberflussigen Leerraum, den man beim Kauf nicht sieht! In diesem Verpackungssektor fur Buroartikel hat sich aber in den letzten lahren auch viel zu Gunsten einer Verpackungsmengenreduzierung und einer Produktwiederverwendung durch Mehrfachnutzung getan. Trotzdem. Die Gesamtmenge der Verpackungen steigt und steigt. Wer mit dem Einzug der elektronischen Medien in den Burobereich der Werbung glaubte, jetzt bricht das Zeitalter des papierlosen Buros an und damit auch eine Minderung des Verpackungsabfalls, der sieht sich heute seiner Illusionen vollstandig beraubt. 2.8.1

Suggestive Kaufreize durch manipulierte Verpackungen

Verpackungen manipulieren! Warum? Weil sie fur den Kaufer das Produkt verkorpern. Der Schutz des Verpackungsinhaltes vor Verderb und Zerstorung lassen oft nicht zu, daB der Verbraucher durch die Verpackung sehen kann, was - zum Zeitpunkt des Kaufes - tatsachlich in der Verpackung ist. Die Psychologie des Kaufens hat lange Tradition. Sie fuhrt von bunten Bildern an den Wanden der Verkaufsrau-

2.8 Mensch und Verpackung

me, uber ,,Funktionale Hintergrundmusik" (FuMu) zum Zweck des Vortauschens einer entspannten Kaufatmosphare bis zur direkten Manipulation an der Verkaufsverpackung, beispielsweise durch integrierte Musikelektronik oder olfaktorische das heist geruchsspezifische Einfliisse (Suskind 1997). die blitzschnell und fast unbemerkt das UnterbewuBtsein der Kaufer im Vorbeigehen an der Ware anspricht und ,,flustert": kauf mich! Das unterbewugte Ansprechen des Verbrauchers, insbesondere durch bestimmte geruchverbreitende Stoffe in bzw. auf Verpackungen, hat fur die Kaufstrategie der Werbeexperten deswegen einen besonderen Stellenwert, weil das Zentrum fur die Wahrnehmung von Geriichen in unserem Gehirn direkt neben dem lymbischen System liegt, welches fur unser Verhalten zustandig ist. Die enviinschte oder erwartete Wirkungskette des Verbrauchers ist: Riechen-Wohlgefallen-Kaufen. Der Verpackungsaufdruck in Form eines Fotos von ganzen Friichten suggeriert ,,Frische"und &aft" des Inhaltes (Abbildung 2.8.8).Heraus kommen schlieglich zu ungleichformigen, kleinsten Stiicken zerschnittenes Obst. ilhnliches gilt fur Fruchtsafherpackungen,wo Bilder ganzer, frisch gepfluckte Orangen auf dem Verpackungsetikett den Verbraucher d a m verleiten, Orangensaftkonzentrat rnit 10% Fruchtsaftgehalt, vermischt mit aromatischen Stoffen, zu kaufen. Auf Tutenverpackungen ist das relativ groBe Bild eines gut zubereiteten Mittagsgerichtes zu erkennen, wahrend in der Verpackung zusammengepregtes Trockenpulver liegt (Abbildung 2.8.9).Auf dem Verpackungsfoto entdecken die Verbraucher ,,frische" Mohrenbunde und bekommen zerstiickelte Mohrenteile aus der Dose. Noch viele dieser Beispielen konnten genannt werden als eine Art der suggestiven Kaufbeeinflussung, auch wenn neben Abb. 2.8.8 Dosen-Verpackung rnit zerkleinerten Fruchtstucken als Packgut.

Abb. 2.8.9 Tutenverpackung rnit geschrnacksverfeinerndern Pulver als Packgut.

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I Verpackungs-Bildaufdrucken kleine Texte auf den wahren Verpackungsinhalt hinwei2 Netzwerk Verpackung

sen. Diese Art der psychologischen Produktwerbung auf Verpackungen kann so gedeutet werden, daR gelegentlich weniger der tatsachliche Inhalt als vielmehr virtuelle Produkte in den Vordergrund aufverpackungen gestellt und mit diesen Kaufreize geschaffen werden. Den potentiellen Kaufern sol1 quasi ,,dasWasser im Munde zusammenlaufen", sie sollen schon den Geschmack des zukiinftigen Mittagsgerichts - das mit dem tatsachlichen Verpackungsinhalt eines geschmacksverfeinernden Pulvers erst einmal nichts zu tun hat - ,,auf der Zunge haben", was selbstverstandlich den Kaufreiz erhoht und schlieglich zum Kauf verfiihrt. Vielleicht denken Sie, als Leser und Verbraucher beziehungsweise Konsument, bei Ihrem nachsten Einkauf an die vorab beschriebenen Verpackungsbeispiele, die sie auch im Warenangebot ihres Marktes finden konnen. Im Verhaltnis zu der Summe von ca. 60000 verpackten Artikeln in einem mittelgrogen Supermarkt stellen die beschriebenen Verpackungsmerkmale zwar nicht die Mehrheit dar, aber sie sind dennoch in nicht unbetrachtlicher Zahl vorhanden. Wir erkennen, daB die Verbraucher in den Industrielandern, heute, zu jeder Jahreszeit, alle moglichen Lebensmittel kaufen konnen. Das ist die direkte Folge der wirtschaftlichen Globalisierung rund um den Erdball. Dies fuhrt aber auch dam, daR der wahre Wert einer siidamerikanischen Papaja mehr und mehr sinkt. In fruheren Jahren waren diese und andere exotische Friichte in unseren Breitengraden eine Seltenheit. Sie hatten gegenuber in Europa beheimateten Friichten einen enorm hohen Wert. Heute sind diese zum Beispiel im 10000km entfernten Siidamerika beheimateten Nahrungsmittel bei uns taglich im Warenangebot. Selbst die exotischsten Lebensmittel werden so nach und nach zu einem alltaglich verzehrbaren Produkt ohne besonderen Wert. Die Qualitatsunterschiede zwischen den einzelnen Waren sinken dadurch - nicht zuletzt auch durch die Vielzahl der Anbieter - zunehmend. Es bleibt hier wieder der Verpackung beziehungsweise den Werbestrategen fur Verpackungen iiberlassen, die Einzigartigkeit beziehungsweise Zufriedenheit des Kaufers des jeweiligen Verpackungsinhaltes herauszustellen und den Verbraucher dadurch zum Kauf zu manipulieren. Nicht zuletzt die Verrohung der Sprache, die insbesondere bei der Werbung aufverpackungen - und nicht nur dort - sichtbar wird (Was bedeutet eigentlich: eine Verpackung sei okofreundlich oder ein Lebensmittel sei lustig?),tragt zu einer zweifelhaften Vermehrung des okonomischen Verkaufswertes bei. 2.8.2

Einzelhaushalte und die Summe kleiner Verpackungen

Die demographisch festgestellte Veranderung zeigt: In den Industrienationen wachst die Zahl der Einzelhaushalte rapide. Neue Arbeitsplatze und hedingungen, schneller und haufiger Arbeitsplatzwechsel und damit verbunden, viele Angebote von kleinen Wohnungen, die mehr zweckorientiert als gemutlich wohnlich ausgestattet sind. Infolge der wirtschaftlichen Globalisierung und des dadurch beschleunigten Arbeitsvorgangen ausgesetzten Personals (... ich habe keine Zeit ...), passen sich letztlich auch die Wohnbereiche, als hausliche Verpackungen fur den Menschen, dieser Veranderung irgendwie an.

2.8 Mensch und Verpackung ~ b b2.8.10 . Verbraucherverpackungen klein und fein, aber in der Surnrne der zu entsorgenden Verpackungsrnenge sehr grog.

Verbraucher, die in diesem wirtschaftlichen Getriebe einen Einzelhaushalt fuhren, wollen sich nicht unbedingt mit Verpackungs- und Umweltfragen zu Hause beschaftigen. Die wenige Freizeit, die vielen bleibt, mug effizient genutzt werden. Da ist jede Unterstiitzung willkommen, die den Eigenauhand reduziert. Zum Beispiel beim Einkaufen. Konsum- bzw. Verbrauchsartikel, egal wie aufwendig verpackt, werden auf diese Einzelhaushalte dirket zugeschnitten. Portionen und Portionchen von roo g, 50 g, 2 0 g, 10g und weniger Zucker, Milch, Wurst, Marmelade, Pulver, Parfiim und vieles mehr (Abbildung 2.8.10), mit doppelter, dreifacher, gelegentlich auch vierfacher Verpackung, uberschwemmen als Wergwerfartikel den Markt. Sie finden sich nicht nur in Hotels und Restaurants wieder, sondern auch in privaten Einzel- und Mehrpersonenhaushalten. Aus energiefressenden Tiefkiihltruhen unterstutzen schnelle Fertiggerichte, oft verpackt aus wenig umweltvertraglichen, verschweiJ3ten Mehrstofffolien,die vom Verbraucher gewollte zeitsparende Zubereitung. Aber fur die weitere Materialverarbeitung sind diese Art Verpackungen aufwendig und umweltbelastend. Fur diesen (Verpackungs-)Fall mug man leider feststellen:

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Die Summe der Teile ist &r

als das Canze!

2.8.3 Zau benwort >>Convenience<<

Sauber und platzsparend, leicht zu offnen und zu verschliegen, bequemer Transport, gute Dosiermoglichkeit, leichtes Greifen und so weiter. Diese und weitere bequeme Eigenschaften von Verpackungen verbergen sich hinter dem Begriff Convenience, der entsprechend mit Bequemlichkeit, Annehmlichkeit bzw. leichte Handhabbarkeit iibersetzt werden kann. Der Verbraucher mochte nicht irnmer IO2 0 kg schwere Flaschenkasten nach Hause schleppen mussen. Inzwischen gibt es seit langerem ,,halbierte" Flaschenkasten mit bequemen Tragegriffen auf dem Markt (Abbildung 2.8.11),die zwar auch ein Nischendasein fiihren, aber dem Verbraucher den Transport erheblich erleichtern. Gewichtseinsparung im Getrankebereich durch gewichtssparende PET-Kunststofmaschen statt Glasflaschen sind eine andere Losung fur leichtere Transporte. ,,four-pack", ,,six-pack"und ,,ten-pack", kunststoflleschichtete Karton-Umverpackungen fur Bier und Milchprodukte, sind Marktrenner.

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60 2 Netzwerk Verpackung Abb. 2.8.11 Flaschentransport-Verpackung mit bequemem Tragegriff.

Abb. 2.8.12 Pinolenkasten fiir Cetranke ,,six-packsu und Einzelflaschen.

Eine weltbekannte Brauerei venvirklichte die ldee des sogenannten Pinolenkastens, der sowohl 24 Einzelflaschen als auch vier Sechsertrager aufnimmt (Abbildung 2.8.12). Damit konnen vom logistischen Standpunkt aus gesehen, zwei verschiedene Einzelverpackungsgebinde (Einzelflaschen und Sechserpack mit Umkarton) in ein und derselben Versandverpackung (Pinolenkasten) transportiert und gelagert werden (Tyroler 1999). Verpackungen werden dank der Packinhalte mit konzentrierter Wirkung, zum Beispiel Waschmittel, kleiner, leichter und auch flexibel. Ein groger Bereich der Verpackungshilfsmittel wird von Verschliissen eingenommen. Kindersicherungen durch einen Druck-Schraub-Offnungs-Vorgang, Nockendrehverschliisse, sogenannte metallene ,,Twist Open-Caps", Klappverschliisse, ReiB-Verschliisse,Druck-Verschliisse oder auch Verschliisse mit sogenannte ,,flip button" als Haltbarkeits-Friihwarnsystem von vakuumverpackten Inhalten (Tyroler 1998),sind nur wenige Beispiel, die dem Handel und den Verbraucher den Umgang mit Verpackung und Verpackungsinhalt erleichtern. Diese und viele weitere Beispiele zur besseren Handhabbarkeit von Verpackungen ordnen sich einem erkennbaren Trend im technischen Verpackungsbereich unter: Der Verpackungshersteller wandelt sich, nicht zuletzt durch die globalisierende Wirtschaft und die weiter zunehemenden komplexen Losungen, von einem Verpackungszulieferer mehr und mehr in einen Anbieter ,,ganzheitlicher" Losungen. Im Kern dieser angestrebten ,,ganzheitlichen", verpackungstechnischen Losung steht aber immer noch der linear verkettete Wertschopfungsweg einer Verpackung und nicht wie in diesem Buch gefordert - eine systemisch vernetzte, auch modularisierte

2.9 Netzwerk Verpockung - wo ist der Anfong und wo ist dos Ende?

Verpackungsstrategie. Diese letztere ist eine Vorgehensweise, die mit riickgekoppelauch im Kern den Verpackungslebensweg beinhalten Verpackungs-Wirkungsnetzen tet, aber in der okologisch-okonomischen Nachhaltigkeitsbetrachtung systemische, bioanaloge WertmaBstabe anlegt. Zuruck zur Technik und zur leichten Handhabbarkeit technischer Verpackungen. Die zukunftsweisenden Stichworte heiRen ,,EfficientConsumer Response" ECR und ,,Supply Chain Management" SCM (Siebenlist 1999).Sie geben die Vision einer neuen Sicht fur Verpackungen wieder, die - wie vorab erwahnt - den kompletten verketteten Warenweg beriicksichtigt. Die Umsetzung der daraus resultierenden Verpackungslosungen, ob mit mehr oder weniger ,,Convienience", wird sich in letzter Konsequenz an einem iibergeordneten Ziel messen lassen miissen: der Nachhaltigkeit. Und in bezug darauf ist und bleibt die Natur der eigentliche ,,Stichwortgeber" fur technisch ganzheitliche Verpackungen und die Verpackungsbionik ihr Mittel zur technischen Umsetzung.

2.9

Netzwerk Verpackung - wo ist der Anfang und wo ist das Ende?

Obwohl wir unser Netzwerk Verpackung in verschiedene Unterkapitel eingeteilt haben, um die unuberschaubare Vielfalt von Verpackungen in Natur und Technik auch nur in einem ersten Ansatz ihnen als Leser naher zu bringen, stellen wir fest: egal wo wir uns in Details des komplexen dynamischen Verpackungsnetzes in Natur und Technik verlieren, die Gedanken und SchluBfolgerungen leiten uns unsichtbar verknupft weiter zu den vielen anderen Bereichen des Verpackungsumfeldes. Das ist aus der realistischen Betrachtung riickgekoppelter Zusammenhange jedoch vollig natiirlich. Es existiert im herkommlichen Sinn kein Anfang und kein Ende! Nur wer sich in die Abhangigkeiten lokaler kausaler Handlungsketten innerhalb komplexer Wirkungsfelder begibt, ob sie im Verpackungsbereich vorliegen oder anderswo, erkennt und uberschaut relativ leicht seine spezialisierten Handlungsschritte von Anfang bis Ende. Umso schwieriger wird es aber, aus diesem isolierten Tatigkeitsraum heraus, die langfristigen Folgen seiner lokalen Handlungen innerhalb komplexer Zusammenhange zu erkennen, zu bewerten oder sogar problemvorbeugend zu vermeiden. Unser immenses Entsorgungsproblem Verpackungsabfall ist dafur ein warnendes Beispiel und sollte zugleich eine Aufforderung sein, echte neue adaquate Wege fur nachhaltige Verpackungen zu suchen und zu begehen. Aber - wo setzen wir unseren Entwicklungshebel in dem unuberschaubaren Netzwerk verpackungstechnischer Handlungen an? An welcher Stelle im Wirkungsnetz vielzahliger EinfluBgroBen ist die Chance am grogten, nachhaltige Erfolge zu erzielen? Die Natur hat ihre Anworten auf diese Fragen langst gefunden beziehungsweise sie haben sich erst gar nicht gestellt. Sie venvirklicht ihre nachhaltigen Handlungen in der groRen Zahl verknupfter Verpackungsnetze seit Jahrmillionen durch Kreislaufwirtschafi, Dezentralisierung, kollektive Intelligenz von Supraorganismen und Selbst-

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I organisation, worauf in Kapitel 5 noch naher eingegangen wird. Vor allern aber hat 2 Netzwerk Verpackung

die Natur, wenn sie experimentiert, Zeit, die Konsequenzen abzuwarten und zu reagieren. Wir Menschen produzieren so schnell neue Dinge, daB wir oft nicht die Gelegenheit haben, damit Erfahrung zu sammeln, um daraus moglichen Gefahren vorbeugend zu begegnen. Die Technik ubt und testet die Wirkung ihre Antworten auf die vorab gestellten Fragen durch Okobilanzen, Grenzwerte, produktintegrierten Umweltschutz und statistische umweltokonomische Gesamtrechnungen (Beck 1997).Als methodische Losungswege orientiert sie sich aber noch allzu oft an vorhandene, uber Jahrzehnte gewachsene, linear verkettete Verpackungsproduktionsablaufe. Ihre induzierten Handlungen mit zum Teil erfolgreichen Ergebnissen sind wichtig fur die Beseitungen und Vermeidung lokaler Folgeschaden. Solange aber die Aktivitaten, die den Lebensweges einer Verpackung umfassen, von der stofflichen und energetischen Naturquelle bis zur stofflichen und energetischen Natursenke, nicht nach den Grundregeln ganzheitlicher GesetzmaBigkeiten entwickelt werden und ablaufen, solange bleiben menschliche Handlungen unvollkommen wie bisher, mit wenig Aussicht auf nachaltige Verbesserungen. Den Weg dorthin gibt die Natur vor. Fur Problemlosungen im technischen komplexen Verpackungsnetz ist es prinzipiell gleichgultig, wo begonnen wird. DaR man dort die Probleme lost, wo sie auftreten, ist trivial. DaG man aber auch dadurch mehr oder weniger ruckgekoppelte Auswirkungen an anderen Stellen im Verpackungsnetz induziert, wird selten erkannt und daher auch nicht verfolgt und analysiert. Vernetztes Denken, Denken in komplexen Zusammenhangen, Denken in bionischen Kategorien ist hier der Schlussel zum Erfolg. Die folgenden Kapitel 3 und 4 fiihren Sie daher in das Denken biologischer Verpackungsvorbilder fur technische Verpackungen und prasentieren eine Fulle vorbildlicher Beispiele.

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3 Crenzflache Verpackung: Schlijsselelement fur Lebensprozesse

Grenzflachen sind ein besonderes Charakteristikum des Lebens. Schon in kleinsten Dimensionen ist das Leben auf Grenzflachen angewiesen. Im Inneren von PflanZen- und Tierzellen trifft man bereits auf die allesbeherrschende Dominanz von Grenzflachen. Seien es, um Beispiele zu nennen, die chlorophylltragenden Strukturen der photosynthetischen Membranen der lichtsammelnden Blatter, seien es die Kraftwerke der Tierzellen, die Mitochondrien, alles besteht aus sorgfaltig geschichteten und sorgfaltig verpackten hochentwickelten und hochspezialisierte Membranen. Heute gibt es schon ganze Wissensgebiete, die sich mit der Funktion solcher submikroskopischen Hullen und Membranen auseinandersetzen, weil ihr Verstandnis entweder fur die Medizin oder fur unsere Technologieentwicklung wichtig ist. Uber diese submikroskopische Welt der Verpackungen und Membranen stiilpt sich die Verpackung der einzelnen Zellen. Auch diese einhiillenden Oberflachen sind hochentwickelt, denn Zellen mussen sich nicht nur nach auBen schutzen und fur ihre Funktionen Energie und Nahrung aufnehmen, sie kommunizieren auch mit anderen Zellen und organisieren sich zu grogeren Verbanden. Solche Verbande sind zum Beispiel die Organe der Lebewesen. Auch sie, die Niere, die Leber, die Lunge, sind verpackt und jeder Arzt weiss wie anspruchsvoll und wichtig diese Verpackung ist. Meist ist dem Menschen nur die augerste Verpackung bewuBt, seine eigene Haut oder die einer Pflanze, zum Beispiel die wettergegerbte Rinde eines Baumes. Am Beispiel der eigenen Haut begreif? man, was eine optimierte Verpackung alles kann. Sie schutzt uns, mit komplizierten Abwehrmechanismen, vor Krankheitserregern ebenso wie vor der Sonne. Durch Kontrolle der Porengroge und des Feuchtigkeitshaushaltes regelt sie den Umgang mit Warme und Kalte. Auch repariert sie selbst ihre Wunden und steuert mit ihren inneren und augeren Strukturen den ganzen Stoffaustausch mit der Urnwelt (siehe hierzu Kapitel4.3.7 und Abbildung 4.3.13). Solche intelligent organisierten Verpackungen wie unsere Haut machen begreifiar, welche Anspruche das Leben an Hullen und Oberflachen stellt. Gleichzeitig stellen sie klar wie wichtig Verpackungen fur das Leben sind. Das Leben muB namlich versuchen, in einem stetigen Strom von Energie und Materialien, und in einem standigen Kampf gegen das Chaos, seine innere Ordnung aufrechtzuerhalten. Es mug Unordnung, Entropie, nach auBen abgeben und seine innere Ordnung gegen den Zugriff des augeren Warmetodes sichern. Es mug sich durch eine komplizierte Hierarchie von riickgekoppelten Mechanismen laufend seine Ordnung

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64 3 Crenzfache Verpackung: Schlusselelement fur Lebensprozesse

erkampfen. Nur solange es genugend Energie und genugend Nahr- und Aufbaustoffe aus der Umgebung aufnehmen kann, hates eine Chance, seine komplizierten Strukturen aufrechtzuerhalten. Jetzt wird langsam klar, warum das Leben auf allen Ebenen Hullen und Verpackungen braucht. Sie grenzen die Welt der Selbstorganisation von der anorganischen Welt der zunehmenden Unordnung ab. Sie erlauben es auch, Stoffe zu trennen, Energie zu bundeln, Strukturen aufrechtzuerhalten oder einfach Nahrstoffe zu transportieren. Leben ist ohne Hullen und Verpackungen schlicht nicht moglich. Schon die altesten Urzellen, die Zyanobakterien, lebten ein verpacktes Leben. Seitdem hat die Evolution die Kunst der Verpackung sehr weit getrieben. Auf allen Ebenen des Lebens begegnet uns ihr Raffinesse, ihre Eleganz und oft ihre zweckmagige Schonheit. Die Menschheit konnte enorm vie1 von dieser fortgeschrittenen Technologie lernen, ist aber gleichzeitig in einem wesentlichen Punkt behindert. Die Natur stellt die meisten ihrer Verpackungen durch Selbstorganisationsprozesse her, eine Technologie, die der Mensch bisher nicht beherrscht. Die Materialien konnen bei niedrigen Temperaturen hergestellt werden und ihre Strukturen werden in der Regel auch kontinuierlich verandert, repariert und instandgehalten. Wenn sie nicht mehr gebraucht werden, verfallen sie wieder zu umweltvertraglichen Rohstoffen und werden Teil eines neuen Materialkreislaufes. Ein Beispiel ist die Bananenschale, welche zunachst die Bananenfrucht gegen unenvunschte Fresser wie zum Beispiel Insekten schutzt, nach ihrer Entfernung von der Frucht aber problemlos verfallt. Die menschliche Technologie beansprucht im Gegensatz dazu haufig Hochtemperaturprozesse, um haltbare Materialien wie Kunststoff, Glas, oder Aluminiumfolie herzustellen, die nach der Bearbeitung sich selbst uberlassen bleiben und zusatzliche Anstrengungen fur die Rezyklierung beanspruchen. Wenn man von der Natur technologische Erfahrung ubernehmen will, mussen noch weitere wichtige Gesichtspunkte in die Erinnerung zuriick gerufen werden. Die Natur lost, wie wir schon gesehen haben, ihre technischen Probleme vielfach in synergetischer Weise. Sie schaffte es durch lange Evolution in der Regel, mehrere Problemstellungen gleichzeitig zu optimieren. Nicht immer kennen oder verstehen wir alle Umstande, die zu einer speziellen Losung gefuhrt haben. Deswegen kann es passieren, da& wir ein natiirliches Produkt falsch interpretieren. Wir finden zum Beispiel eine Erklarung, die in der Natur nur eine untergeordnete Rolle gespielt hat. Wichtig ist daher, daB man das biologische System gut kennt, daB man die angewandten Prinzipien gut verstehen lernt und dann erst beginnt, die envorbene Erfahrung auf ein technisches Produkt zu ubertragen. Dafur mussen die geeigneten technischen Materialien gefunden werden, urn dann einen ersten Prototyp fur Testzwecke anzufertigen. Die Bionik, das Lernen von der Natur, auf dem Gebiet der Verpackungen, steckt noch in den Kinderschuhen. Dies ist reizvoll, weil noch viele Entdeckungen gemacht werden konnen.

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Verpacktes Leben - Verpackungsbeispiele aus der Natur 4.1

Verpackungsstrategien und Verpackungsmaterialien 4.1.1

Strategien fur Verpackungshullen

Im Gegensatz zu technischen Verpackungshiillen leben biologische Verpackungen. Sie entstehen mit den Geweben und Organismen, die sie verpacken sollen, wachsen mit ihnen und passen sich wechselnden Anforderungen an. Vielfach verandern sie sich dann noch, um das verpackte Produkt freizugeben. SchlieBlich zerfallen die Verpackungen wieder und ihre Materialien werden rezykliert. Als Beispiel konnte man eine Bliite diskutieren, etwa die der in Abbildung 4.1.1gezeigten Konigsprotea aus der siidafrikanischen Kapprovinz. Sie ist eine uralte Pflanze, ein Relikt aus der Kreidezeit. Die Art, wie sie ihre Bliitenstande schiitzt, hat sich in nahezu unveranderter Form iiber 120 Millionen Jahre erhalten und wurde spater von vielen jiingeren Pflanzenarten parallel entwickelt. Sehr stabile, groge, bunte Blatter bilden die Blutenhiille, die sich iiber die Bliitenstande schliegen um sie zu schutzen oder sie

Abb. 4.1.1 Konigsprotea (Proteaceae) aus der Kapprovinz. Sie verpackt und schutzt ihren Blutenstand nach einern Prinzip, das sich seit 120 Millionen Jahren nahezu unveran. dert erhalten hat.

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4 Verpacktes Leben - Verpackungsbeispieleaus der Natut

Abb. 4.1.2 Eine der schwergewichtigsten Verpackungen fur Sarnen i n einer Frucht findet man beim indischen Brotfruchtbaum (Artocarpus integra), dessen Frucht 12 kg erreichen kann. Ein anderes, uber die ganze Welt verbreitetes Beispiel sind Kurbisse.

als bunte Rosette umrahmen, wenn sie sie freigeben. Wenn die Blute stirbt, verfallen ihre Bestandteile und werden uber den Boden rezykliert. Wenn man im Vergleich dazu den Anwendungszweck und den Weg einer technischen Verpackung skizziert, fallt auf, daK er nur zum Teil parallel verlauft. Vor allem die venvendeten Materialien sind in der Regel sehr unterschiedlich. Sie sind keine lebenden Gewebe und konnen nicht wachsen oder sich selbstandig anpassen. Wir konnen uns nur bemuhen, die wesentlichen Verpackungsprinzipien in der Natur zu verstehen und zu versuchen, sie in vereinfachter Form technisch nachzuvollziehen. Fangen wir mit Beispielen an, um die Verpackungstechnik in der Natur kennenzu1ernen . Die Verpackung ist in der Natur nicht in dieselbe Richtung optimiert worden wie in der Technik. Die Natur berucksichtigt andere Rahmenbedingungen als wir. So macht die Bananenschale rund 30 % des Fruchtgewichts aus. Das ware fur technische Verpackungen zu hoch, wo ein Gewichtsanteil von 2-3 % fur Verpackungen angestrebt wird. Das hat aber auch die Natur in vielen Systemen erreicht. Ein rnarkantes Beispiel sind die Bienenwaben, in denen die Bienen ihren Honig lagern. Bei

4. I Verpackungsstrategien und Verpackungsmaterialien 167

Abb. 4.1.4

Die Verpackungshullen der Dattelfrucht durchlaIUfen verschiedene Phasen. Zuerst schijtzen sie den unreifen Samen (unten), dann locken sie m i t der Su%e der Dattelfruicht Lebewesen an, u m die Samen zu verbreiten (rechts).

Abb. 4.1.5 Siidamerikanischer Reiher i m

Flug. Wenn die Natur ihre Lebewesen verpackt, optimiert sie die Verpackung dabei gleichzeitig in verschiedener Hinsicht, zum Beispiel als Schutz vor der Urnwelt, als Technik der Fortbewegung, als sozialer Faktor fiir den Kontakt innerhalb der Spezies.

~ b b 4..1.6 Stamme alter Olivenbaume, auf

Mallorca. Die Verpackung eines lebenden Organismus, auch wenn es wie i m Falle der Rinde zum Teil abgestorbene Materie ist, wachst mit und pa& sich auch bizarren Altersformen an.

einer 2 kg schweren Honigwabe macht der Wachsanteil nur etwa 40 g aus. Das sind gerade 2 %. Die Honiglagerung beinhaltet eben eine sehr spezialisierte Verpackungstechnik, bei der Materialsparsamkeit ein Vorteil war. Bei einer Bananenschale kam es andererseits darauf an, daB sie mit dem Verpackungsgut mitwuchs und dabei ihre Beschaffenheit und Farbe anderte. Auch wurde sie nach dem Schalen der Frucht ohnehin wieder aufgefressen und rezykliert.

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4 Verpacktes Leben - Verpackungsbeispiele aus der Natur

4.1.2

Die Materialien tierischer und pflanzlicher Verpackungshullen

Die Natur verwendet in der Regel keine hochspezialisierten Materialien, sondern Materialkonzepte, die geeignet sind, mehrere technische Herausforderungen gleichzeitig zu losen. Sie setzt im wesentlichen Universalbaustoffe wie Zellulose, Chitin oder Keratin ein, in Kombination mit relativ wenigen anderen Materialien. Daneben werden auch anorganische Materialien wie Kalk und Silikate eingesetzt, deren Strukturen uber organisch gesteuerte Mechanismen aufgebaut werden. Diese Grundstoffe sind fur die Natur leicht herzustellen und die Rohstoffe bequem aus der Umwelt zu beschaffen. Sie sind ungiftig und voll rezyklierbar. Was die Natur aber zusatzlich durch ihre Selbstorganisationsfahigkeiten zuwegebringt, ist die Strukturierung dieser Grundbaustoffe. Es gelingt ihr, daraus durchlocherte Netzwerke, faserige Strukturen, haarige Filze oder federartige Leichtbaukonstruktionen anzufertigen. Damit werden die Materialien hochgradig effektiver, weil sie entweder Krafte besser ausgleichen, Grundstoffe sparen oder isolierende Luftraume einschlieBen. Oft erfullen Verpackungsmaterialien noch eine mechanisch tragende oder scbiitzende Funktion. Intelligente Regelleistungen wie Gas-, Energie- oder Flussigkeitsaustausch sind nicht selten in die Verpackung integriert und tragen dazu bei, daB sparsam mit Materialien umgegangen werden kann. Ein typisches Verpackungskonzept ist zum Beispiel die Zellulosehulle von Samen. Mit ihren kugeligen oder ellipsenformigen Konstruktionen gewahren sie Schutz gegen mechanische Belastung und bieten gleichzeitig mit ihrer Feinstrukturierung die Voraussetzungen fur den Gas- und Flussigkeitsaustausch sowie das Durchdringen der Verpackung durch den herauswachsenden Trieb. Eine andere Strategie im Pflanzenreich arbeitet mit schaumstoffahnlichen Materialien mit vielen eingeschlossenen Luftraumen. Ein Beispiel ist das aus Zellulose und Suberin aufgebaute Korkgewebe der Korkeiche. Vor allem bei schnellwachsenden Pflanzen bewahren sich Schaumstoffe oder watteartige Materialien, so zum Beispiel beim Stamm der Bananenstaude. Er erreicht in einem Jahr eine Dicke von 20-30 cm was durch Zellulose-Watte gefullte, eingerollte Blattwickel erzielt wird. Auf diese Weise kann materialsparend und gleichzeitig stabil und voluminos gebaut werden. Haare als Bestandteile von Verpackungen sind sehr verbreitet. Sie bieten namlich die Moglichkeit, Luftraume einzuschlieBen und festzuhalten. Luft leitet Warme schlecht, was den haarigen Strukturen je nach Dichte, Beschaffenheit und Lange der Haare sehr variable Eigenschaften gibt. Bei Saugetieren sind Haare aus Keratin aufgebaut, einem EiweiB mit einem hohen Molekulargewicht. Die Haare auf Insektenkorpern erfullen einen ahnlichen Zweck. Vor allem fliegende Insekten brauchen fur ihre hochentwickelte Flugmuskulatur hohe Temperaturen. Deswegen findet sich auf dem Vorderkorper von Motten ein regelrechter Pelz. Er besteht aus Chitin, einem Polysaccharid (Abbildung 4.1.7).Auch Pflanzenoberflachen entwickeln gelegentlich einen Haarschutz. Er ist aus Zellulosematerial aufgebaut. Die Aufgabe dieser Haarschicht besteht darin, ein Mikroklima zu schaffen. Einerseits verringert es die Verdunstung, da die eingefangenen Luftraume sich mit Wasserdampf anreichern. Andererseits wirken sie, wenn die Haarschichten durchscheinend sind, auch

4. I Verpackungsstrategien und Verpackungsmaterialien

Ze11u1ose bis 2500 GlukoseMolekiile H

OH

H

OH

kristalline Bereiche Se

Chitin

NHCOCH3

NHCOCH3

Abb. 4.1.7 Die Zeichnung zeigt die molekulare Beschaffenheit der wichtigsten Materialien, welche die Natur fur Verpackungen einsetzt: Zellulose, Keratin (und als Spezialprodukt Seide) sowie Chitin.

wie eine transparente Warmeisolierung. Das Licht erreicht die Pflanzenoberflache, die entstehende Warme wird aber uber die eingefangenen Luftraume schlecht abgeleitet. Zahlreiche lnsekten, die Seidenraupe ebenso wie Spinnen, haben es gelernt, als Verpackung Gespinste herzustellen. Spinnenfaden ebenso wie die Faden der Seidenraupe sind aus Proteinketten des Materials Keratin aufgebaut, die sich durch

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4 Verpacktes Leben - Verpackungsbeispieleaus der Natur

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Schneckengehause

K~erpanzer

aus Kalk Chitin und Sklerotin (aukrste Schicht)

Kalziumcarbonat

Seidenkokon

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/ Zellulose

Zellulosehaare

Prot&faden

Ueine' Poren Kakteen

Keratin - Radii Abb. 4.1.8 Beispiele fur den Einsatz der wichtigsten naturlichen Verpackungsmaterialien bei verschiedenen Lebewesen.

hohe Elastizitat und ReiBfestigkeit auszeichnen. Bei Insekten wie der Seidenraupe dienen zu Hullen gefertigte Gespinste als Kokons. Sie sind hochelastisch, erzielen durch die engen Poren der gesponnenen Strukturen aber noch zusatzlich vorteilhafte Effekte: fliissiges Wasser durchdringt die Hulle nicht, wohl aber Wasserdampf und Sauerstoff. Daraus ergeben sich optimaler Schutz und ein sehr giinstiges Mikroklima. Urtiimliche Spinnen haben wahrscheinlich Keratin verwendet, urn damit ihre Eier zu schutzen. Dann haben sie, wie die Seidenraupe, Spinndrusen entwikkelt, um Faden aus diesem Protein zu ziehen. Bei diesem ProzeB ziehen sie das Keratin zu einem hochviskosen Zustand aus, der einem Flussigkristall ahnelt, in

4. I Verpackungsstrategien und Verpackungsrnaterialien

dem die Proteinmolekule in eine parallelen Ordnung zueinander gebracht sind. Durch die starken Zugkrafte beim Spinnen erhalten viele der Proteinketten stabile tertiare Strukturen, die sie in akkordeonartige, kristallahnliche Strukturen iiberfuhren. Diese Proteinkristalle werden nun wiederum in eine gummiartige Matrix aus nichtkritallinen Proteinketten eingebettet (Abbildung 4.1.7).Dies hat zur Folge, daB der Seidenfaden zu einem regelrechten Verbundmaterial wird. 10-20 nm ( I Nanometer entspricht 10-0 m) groBe Proteinkristalle sind in mehr oder minder regelmaBigen Abstanden eingebettet in ungeordnete Proteinketten. Gerade diese Verbundmaterial-Eigenschaft gibt den Seidenfaden ihre hohe Elastizitat. Werden die Faden gedehnt, werden die ungeordneten Proteinstrukturen zu geordneteren Strukturen auseinandergezogen. LaISt die Spannung nach, klappen sie wieder in die ungeordnete Struktur zuruck. Chitin und Keratin haben eine interessante Entwicklungsgeschichte hinter sich. In einer fruhen Evolutionsphase schutzten sich Lebewesen rnit Schleim, ahnlich wie Schnecken. Dieser Schleim enthalt ein Mucoprotein, eine Kombination von Protein und Zucker. Bei den Vorfahren der Insekten entwickelte sich das Kohlehydrat, oder der Zucker, des Schleims zu einem festen faserigen Polymer. Wir kennen es als Chitin, welches das Grundgerust des Insektenpanzers bildet. Aber fur die auBerste Hulle war es nicht hinreichend widerstandsfahig. Durch Zumischen von weiterem Protein und Vergerben mit Chinonen, wobei die Proteinketten uber Benzolringe verkniipft werden, entsteht ein mechanisch und chemisch sehr widerstandsfahiger StoE Sklerotin. Das Beimischen von Sklerotin zu Chitin starkt und versteift die Insektenpanzer in ahnlicher Weise wie die Zugabe von Starke ein Baumwollhemd beim Waschen. Das Zellulosematerial der Baume wird ganz analog durch Zumischung von Lignin, eines harzartigen Stoffes, versteift. Das Material Keratin, das sowohl die Schuppen von Fischen und Reptilien wie auch die Federn der Vogel, die Haare der Saugetiere oder ihre Horner und Hufe bildet, besteht ganz ahnlich aus Proteinen, die uber Schwefel-Doppelbriicken verknupft sind. Keratin ist also sehr reich an Schwefel. Viele Insekten erzeugen Verpackungen nach Papier- oder Kartonart, indem sie kleine Holz- oder Rindenteilchen abnagen und diese mit Speichel weiterverarbeiten. Dieser enthalt Enzyme und Klebestoffe, die dem Pappmaterial erstaunlich gunstige Eigenschaften geben, zum Beispiel Wasser-und eine gewisse Feuerbestandigkeit. Als kleine Pakete von Hirsekorn- oder ErbsengroBe wird das Baumaterial schlieglich mit den Kiefern und Vorderbeinen transportiert. Bei der Bautatigkeit wird die pappmacheartige Masse durch die Mundwerkzeuge bewegt und zu einem dunnen, papierformigen Streifen ausgezogen, der dem Nestbau angefugt wird. Wenn Wespen ihr Holzmaterial von verwittertem Holz holen, wie die Deutsche, Sachsische oder aber auch die Gallische Wespe, dann wird das Papiernest aschgrau. Die gemeine Wespe oder auch die Hornisse verwenden dagegen vermorschtes, modriges Holz und schaffen damit holzfarbene, hellgelbe oder rotbraunliche Nester. Dunkelbraune Nester baut die Gemeine Wespe, indem sie Torfmull als Zellulosematerial einsetzt. Die Federn der Vogel bestehen aus demselben Material wie die Haare der Saugetiere, namlich aus Keratin. Auch diese Strukturen schlieRen viele Luftraume ein und bieten deswegen hohe Warmeisolation. AuBerdem sind Federn sehr biegsam und

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4 Verpacktes Leben - Verpackungsbeispiele aus der N a t u r

Abb. 4.1.9 Der geoffnete Wespenbau der Sachsischen Wespe (Dolichovespula saxonrca) mit setnen mehrfachen Wanden und eingeschlossenen Luftschichten belegt die Verpackungskunst m i t Papier als Bau s to ff

Abb. 4.1.10 Auch die Natur kennt die M eh rfac hverpacku ng Die eigentl iche Nui3schale 1st aber erst hart, wenn die Walnuf3 reif 1st und die grune Schale aufspringt

verankern sich gegenseitig, was die elastischen Eigenschaften von Vogelschwingen gewahrleistet. Die Verpackung der Kafer, ihr Panzer, ist aus Chitin gefertigt. Oberflachlich ist das Chitin zu Sklerotin veredelt. Dieses Material ist wasserbestandig, hitzeresistent und stabil gegen viele chemische Angriffe. Der metallische Glanz kommt in der Regel durch eine spezielle Chitin-Sklerotin-Mikrostrukturzustande, ist also lichtecht und kann nicht ausbleichen. Als Beispiel einer typischen biologischen Verpackung wollen wir uns noch die Schale der Pecan-NUB ansehen, die in den siidlichen USA beheimatet ist und dort auch kultiviert wird. Sie ist ca. 3-5 cm lang und 1,5-z cm im Durchmesser, hat eine glatte Oberflache und ist an beiden Enden zugespitzt (Abbildung 4.1.11). Ihr Material setzt sich aus 38 % Lignin und 15 % Zellulose zusammen. Der Rest besteht aus Hemizellulose (18%), Pentosan (38 %), 1,3 % Asche und 1,6 % Protein sowie 0,s % pektischen Substanzen. Die gesamte Pecanschale enthalt im Schnitt nur I % Gerbsaure, Tannin, das a d e r e Schutzmaterial allerdings bis zu 26,4 % von diesem insektenabweisenden Stoff. Wegen des Tannins sind die Schalen, die ca. 60 % des Gesamtgewichts und 80 % des Volumens der Niisse ausmachen, nicht als Tierfutter geeignet, aber es haben sich zahlreiche Anwendungen ergeben, welche spezielle Eigenschaften der Schalen nutzen. Zum Beispiel hat sie die Amerikanische Luftwaffe mit Erfolg als Abrasionsmittel zum ,,Sandstrahl"-Reinigen von olverschmutzten Flugzeugteilen eingesetzt. Dieses Beispiel hat inzwischen auch beim Reinigen von Gebaudeoberflachen Schule gemacht. Nu8schalen eignen sich auch hervorragend zum Mulchen, zum Anlegen von Wegen, als Fullmaterial fur Warmedammungen oder als Heizmaterial sowie als Zusatz zu verschiedensten chemischen Produkten.

4.1 Verpackungsstrategien und Verpackungsmaterialien

Abb. 4.1.11 Die Hiille der Pecan-Nui3 (Carya illinoensis) ist ein Beispiel einer i n Materialzusarnrnensetzung und Chernie hochentwik. kelten Verpackung, die zahlreiche Sekundaranwendungen erschlossen hat.

Im Hinblick auf die weiter steigende Rohstoffvielfalt technischer Verpackungen, insbesondere durch synthetische Stoffe beziehungsweise Stoffgemische, sei der wiederholte Hinweis erlaubt, daB die Evolution als natiirliche Verpackungsmaterialien nur einige wenige giinstig zu produzierende und zu rezyklierende Grundstoffe wie Chitin, Keratin und Zellulose und davon abgeleitete Materialien einsetzt, aber diese durch intelligente Mikrostrukturierung und geschickte chemische Modifizierung zu manchmal kaum zu iibertreffenden Eigenschaften veredelt werden. 4.1.3

Farbige Verpackungen ohne Farbstoffe

Technische Verpackungen werden mit einer Unzahl von Farbstoffen bedruckt, von denen viele bedenkliche Eigenschaften haben oder die Umwelt direkt schadigen. Die Natur zeigt uns, daB man darauf weitgehend verzichten konnte. Sie kommt namlich mit wenigen umweltfreundlichen organischen Farbstoffen (Pigmenten)aus und erzielt eine Vielfalt von Schattierungen sowie auch die grellsten Farben uber eine rein physikalische Strukturierung des Verpackungsmaterials oder eine Kombination von Strukturierung und Pigmentierung. Die Pigmente von Lebewesen sind in der Regel in Form winziger Tropfchen oder Kornchen in die Haut, die Federn oder in die Fellhaare eingebaut. Das verbreitetste Pigment ist Melanin. Es ist verantwortlich fur schwarze, braune, aber auch fur viele rotliche und gelbe Farben. Beispiele sind die roten Haare von Menschen oder der gelbe Federflaum kleiner Huhnerkucken. Prachtiges Rot, Orange oder Gelb wird von Karotinoid-Farbstoffen erzeugt. Sie haben ihren Namen von der Karotte, in der sie ebenfalls vorkommen. Auch die rosaroten Flamingos schmucken sich mit ihnen. Sie nehmen es von Algen auf, die Teil ihrer Nahrung sind. Auch Pterine werden in der Natur als Farbstoffe venvendet. Karotinoide, die an Proteine gebunden sind, erzeugen viele blaue und griine Farben. Auch das dunkle Blau lebender Hummer entsteht auf diese Weise. Kocht man sie, spaltet sich das Karotinoid ab und bestimmt selbst die Farbe. Das Grun vieler Raupen und Heuschrecken entsteht durch ein Gemisch von blauen und gelben Pigmenten. hat also nichts mit dem Pflanzenfarbstoff Chlorophyll zu tun. Manchmal werden Mischfarben durch punktformige Verteilung und Vermengung zweier verschiedener Pigmentfarben erzielt.

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4 Verpacktes Leben - Verpackungsbeispiele aus der Natur

Viele Farben auf natiirlichen Verpackungen werden aber nicht durch Pigmente, sondern durch rein physikalische Effekte in der mikrostrukturierten Verpackungshiille erzeugt. Kleine Teilchen streuen kurzwelliges, blaues Licht starker als langwelliges, rotes. Deswegen ist der Himmel blau und die untergehende Sonne oft rot. Die blaue Augenfarbe bei Tier und Mensch entsteht so durch Lichtstreuung an kleinen Proteinteilchen gegen einen dunklen Melanin-Hintergrund. Das Phanomen nennt man Tyndall-Streuung. Es ist verantwortlich fur die stechend blauen Gefieder vieler Vogel einschliefilich des Eisvogels und der Papageien. Das brilliante Griin vieler Vogel, Schlangen, Eidechsen und Frosche wird durch Tyndall-Streulicht erzeugt, welches durch ein Gelbfilter verandert wird. Man braucht dafiir also 5 Schichten. Ganz hinten eine dunkle Melaninschicht, davor die Tyndall-Streuschicht und ganz vorne das gelbe Filter. Wenn alles funktioniert, ist die Farbe ein leuchtendes Griin. Fehlt das gelbe Filter, das manchmal im Licht wegbleicht, ist die Farbe Blau. Wenn der Melanin-Hintergrund fehlt, ist die Farbe wiederum Gelb. Fehlen die Melaninschicht und die Gelbfilterschicht ist die Farbe WeiR. Bei manchen Vogeln gibt es all diese Farbvariationen. In Malaysia und Indonesien lebt eine Elster, die mit ihrer grunen Farbe dem Wald perfekt angepaBt ist. Verlagert sie ihr Revier aber in die Savanne, wird ihr Gefieder blau. Die Sonne bleicht namlich ihr Gelbfilter. Die weiBe Farbe in der Natur entsteht durch Lichtstreuung, wenn die streuenden Teilchen zu groB sind, um blaues Licht zu produzieren. WeiRe Haare nutzen als Streuzentren Hohlraume und weiBe Schmetterlinge die hochstrukturierte Oberflache der lichtreflektierenden Fliigel. Grautone erzeugt die Natur oft durch Einmischen von Melanin. Graue Vogelfedern haben oft weiRe und schwarze Barbule, Federharchen, gemischt. Schillerfarben in der Natur entstehen durch Interferenz von Sonnenlicht verschiedener Wellenlange an hochstrukturierten optischen Schichten. Ein einfaches Beispiel sind die Farben eines Benzinfilms auf Wasser oder die Farben von Seifenblasen. Je nach Dicke des Films und Lange der Lichtwellenlange kommt es zu Interferenzen oder auch nicht. Winzige Plattchen aus organischen Kristallen wie Kalziumoxalat oder aus Keratin, Chitin in der auBeren Haut, in Haaren, in den Federn erzeugen dasselbe Phanomen. Die prachtigen Schillerfarben von Kolibris, Fasanen, Sonnenvogeln, Schmetterlingen und Kafern entstehen auf diese Weise. Andere Schillerfarben, zum Beispiel die der Perlenmuscheln, entstehen durch Beugungsphanomene, ahnlich wie der Regenbogen. Diese kurze Ubersicht zeigt, wie die Natur mit einer kleinen Palette von rezyklierbaren Pigmenten ohne Schwermetalle, aber einern breiten Spektrum von optischen Kunstgriffen, die keine Chemie erfordern, ihren Reichtum von Verpackungsfarben produzieren kann. 4.1.4

Faltbare Strukturen

Viele mechanisch belastete Membranen in der Natur sind gefaltet. Dieses verstarkende Prinzip, das auch der Mensch seit langem als Wellpappe oder Wellblech nutzt,

4.1 Verpackungsstrategien und Verpackungsmaterialien 175

Abb. 4.1.12 Bei Entfalten ihrer jungen Blatter zeigt die Facherpalme die Vorziige der Faltstrukturen: dichte. elegante Packungsrnoglichkeit und hohe rnechanische Stabilitat der ausgebreiteten Flachen.

Abb. 4.1.13 Der Pfau zeigt rnit Eleganz, wie ein irnponierendes t e b i l d e geschickt weggepackt werden kann.

hat die Natur zu bemerkenswerter Perfektion gefuhrt. Ein Beispiel ist das Blatt der Facherpalme. Seine Faltbarkeit wird bereits genutzt, u m das eng gepackte junge Blatt aus dem SproB zu entfalten. Die Faltung verhilft also nicht nur zu dichtester Packung der jungen Blattstmktur, sondern ermoglicht auch deren mechanische Stabilisierung, wenn die Folien ausgebreitet sind. Viele Blatter in der Natur durchlaufen dieselben Schritte von der Knospe bis zum ausgebreiteten Blatt. Dieses nutzt vielfach noch die sagezahnartige oder ficherformige Stmktur, damit die mechanische Stabilitat gewahrleistet ist. Dasselbe Verpackungs- und Faltprinzip nutzen auch verschiedene Kafer, wenn sie ihre Deckflugel abheben, um ihre eigentlichen gefaltenen Flugel auszubreiten. Wesentlich sind dabei Klappgelenke an der Vorderkante der Flugel.

Abb. 4.1.14 Der Herkuleskafer (Dynastes hercules), mit uber 10 cm eines der groi3ten Insekten, zeigt deutlich wie unter den weggespreizten Schutzklappen die vie1 grogeren gefalteten Flugel ausgefahren werden konnen

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4 Verpacktes Leben - Verpackungsbeispiele aus der Natur

Abb. 4.1.15 Dieser indische Urwaldriese (we5 t l l C k Ghats) entwickelte zur Erkiohung der Stabilitat eine stark efaltete Oberflache.

Abb. 4.1.17 Die nordarnerikanische ButternuR uuglans cinera) hat sehr t i d e Langsrillen. die ihr eeeen Druck und Schlaae hohe

Auch Heuschrecken falten ihre Flugel, urn sie dann fur den Schwirrflug mechanisch stabil auszufahren. 4.1.5

Verpackungen als Form- und Farbanpassungen

Die Natur hat es in grandioser Weise zustandegebracht, ihre Lebewesen gegen Sicht zu tarnen. Die Schollen auf dem Sandboden nehmen die Musterung des Unter-

4. I Verpackungsstrategien und Verpackungsmaterialien

grundes an, unzahlige Insekten haben die Farben von Friichten oder Blattern adaptiert und Eidechsen die Muster des Bodens, auf dem sie sich sonnen. Auch die Formen von Lebewesen, also ihre Hiillen, tragen oft entscheidend zur Tarnung bei. So gibt es Insekten, die zum Verwechseln Blattern oder Zweigen ahneln. Andererseits soilen natiirliche Verpackungen auch anlocken. Bliiten, Friichte prasentieren sich werbewirksam, indem sie grelle Farben, komplementare Farbmuster, wiedererkennbare Formen und Symbole, graphische Linien und markante Muster zur Schau stellen. Die Komplementarfarben Blau und Gelb bei der Irisbliite mogen als Beispiel dienen. Andererseits ist vorgeschlagen worden, daB gewisse Muster, wie zum Beispiel die charakteristische Schwarz-WeiB-Streifung der Zebras krankheitsiibertragende Insekten abhalten. Das Empfinden fur die Schonheit dieser natiirlichen Farben und Muster haben auch wir Menschen von der Evolution mitbekommen. Abb. 4.1.18 Das Bild zeigt 3 groBe lbisse an der sudafrikanischen Kuste und erklart den Crund fur ihre fleckenhafte schwarz-weif3e Farbu ng.

Abb. 4.1.19 Die Wissenschaft versteht inzwischen, wie bestirnrnte charakteristische Muster auf naturlichen Verpackungen wie den Cehausen dieser Kegelschnecken (Conoide) entstehen. Sie werden durch Ruckkopplungsprozesse gebildet, wie sie auch rnathernatisch als ,,Chaosbilder" auf dem Bildschirrn geschaffen werden konnen.

Abb. 4.1.20 Diese Eidechse aus Kenia hat dieselbe geiblich-rotbraune Farbe angenorn. men wie der mit Eisenoxid fleckenweise verfarbte Quarzstein.

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4 Verpacktes Leben

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Verpackungsbeispiele aus der Natur

Verpackungen in der Natur erfullen, wie in der Technik, eben mehr als nur den Zweck der Verpackung. Diese mussen vielmehr zusatzliche intelligente Aufgaben erfullen. Sie sollen nicht nur gegen Wasserverlust, Strahlung, Warme oder Kalte schutzen, sondern auch gegen lebende Feinde, die es auf den Verpackungsinhalt abgesehen haben. 4.1.6

Multifunktionelle Verpackungen

Viele Verpackungen in der Natur, zum Beispiel solche von Samen und Friichten, erfullen auch zeitlich hintereinander verschiedene Zwecke. Solange die Samen nicht reif sind, werden sie von der Verpackung geschutzt. Sie sind schlecht geniegbar und haben eine Farbe die nicht auffallt, zum Beispiel dieselbe grune Farbe wie die der Blatter. Wenn die Samen aber reif sind, sind die Fruchte geniegbar, die Farbe der Frucht wird auffallig. Die Versorgung und Verbreitung der Samen wird ebenfalls von eleganter Verpackungstechnologie bewerkstelligt. Die Samen sind nach zweckmagigen Prinzipien geschichtet und geordnet und werden durch mechanisch bewegbare oder verformbare Hullen vielfach auch gegen Wetter oder unenvunschte Fresser geschutzt. Ein interessantes Beispiel sind die Zapfen von Nadelbaumen. Sie lassen die Samen in gut plazierten Taschen wachsen, die geoffnet werden konnen. Sie vermogen es aber auch, die wachsenden Samen durch ihre speziellen Verstarkungsstrukturen mechanisch wirksam zu schiitzen. Wenn sie reif sind, lassen sie dann die Samen zu Boden fallen. Diese funktionelle Art der Samenverpackung in Zapfen hat sich nicht nur bei unseren modernen Nadelbaumen bewahrt. Bemerkenswert sind die Zapfen, welche die weibliche Pflanze von Welwitschia mirabilis hervorbringt (Abbildungen 4.1.22 und 4.1.23). Diese Pflanze aus der heisen sudwestlichen Namibwuste ist eigentlich ein sehr kurzstammiger Baum, obwohl sie nur 2 Blatter hervorbringt, die fortlaufend weitenvachsen, um an ihren Spitzen wieder abzusterben. Sie bildet wegen ihrer urtumlichen Struktur eine eigene Klasse (Welwitschiaceae) unter den ,,nacktsamigen" Pflanzen, zu denen auch unsere Nadelbaume gehoren. Es wird ihr nachgesagt, daA sie 1500 Jahre lang leben kann. Nicht umsonst heif3t sie in der Burensprache ,,Zweiblattkannnichtsterben".Es ist nicht zu ubersehen, daA die Zap-

4.1 Verpackungsstrategien und Verpackungsmoterialien Abb. 4.1.22

Welwitschia mirabilis.

Die Zapfen der urtumlichen 4.1.23 Wustenpflanze Welwitschia mirabilis erinnern i n Struktur und Funktion i n erstaunlicher Weise an die Zapfen von Nadelbaumen (Narnibwuste).

Abb.

Die Samenstande des KrimBarenklaus (Heracleum stevenii) bieten die Samen so geschickt angeordnet an, daR sie optimale Chance haben, verbreitet zu werden

Abb. 4.1.24

4.1.25 Auch der Sarnenstand dieses Doldengewachses (Apiaceae) zeigt geometrische Eleganz und Perfektion.

Abb.

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4 Verpacktes Leben

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Verpackungsbeispiele aus der Natur

Abb. 4.1.26

Blutenstand einer sudafrikanischen Amaryllis: Maximale fur die Bestaubung angebotene Blutenoberflache bei minimalem Materialaufwand und optimaler Stabilitat.

fen die gleiche Struktur und Funktion aufweisen wie die der verbreiteten Nadelbaume in den gemasigten Klimazonen. Im geschlossenen Zustand sind sie hart und bruchfest, widerstandsfahig gegen die Zahne der Zebras. Geoffnet geben sie aus ihren regelmagig angeordneten Taschen die Samen frei. Dieses wirksame Verpackungsprinzip hat wohl deswegen schon rund 2 0 0 Millionen Jahre iiberlebt. Der multifunktionelle Charakter einer biologischen Verpackung wird besonders deutlich bei einer Bliite. Die Hulle der Knospe kann als ,,Umverpackung" charakterisiert werden, die augere Verpackung schliegt also noch zusatzliche, innere Verpackungen ein. Die farbigen Bliitenhullblatter stellen die Prasentationsverpackung dar. Die farbigen Staubblatter sind die Verkaufsverpackung, wahrend die einzelnen Samenkorner Transportverpackungen sind. Jede Funktion geht dabei mehr oder weniger in die nachste iiber. Auch die Natur nutzt die Vorteile von Verbundverpackungen. Bei der Tulpenknospe werden die raumsparend gefalteten und gewickelten Bliitenblatter spater unter Trennung von Haftverbindungen hydrostatisch zu ihrer festgelegten Form ausgebreitet. Dies gelingt durch Materialverbund im Aufbau von Verpackungshullen unter Einsatz von dunnen Schichten und der Nutzung von Trenntechniken. 4.1.7

Verpackungen die fur den Verbraucher leicht zu handhaben sind

Wenn wir eine Banane in die Hand nehmen, merken wir, wie stabil die Frucht ist. Man spurt, daB ihr Querschnitt nicht rund ist. Sie hat abgerundete Kanten, die ihr ein biegeverstarktes Profil geben. Wie den Griff eines Messers kann man sie mit der Hand fest und sicher umklammern. Man verletzt die Banane auch nicht, wenn sie mit magiger Kraft gegen eine Oberflache geschlagen wird. Auch gelingt es nicht ohne weiteres, ihre elastische, faserverstarkte Schale mit den Fingernageln aufzureigen. Aber erst wenn wir die Banane schalen, was mit zwei Handgriffen gelingt, wenn man sie kennt, begreift ein technisch interessierter Beobachter, was die Natur

4. I Verpackungsstrategien und Verpackungsmateriolien

Abb. 4.1.27 Reifende Bananen. Die jungen Fruchte sind urn ihre Versorgungsverbindung platzoptirniert angebracht.

Abb. 4.1.28 Die Banane ist der Prototyp einer leicht zu handhabbaren Verpackung.

mit dieser einfachen Frucht geleistet hat. Ihre Schalen haben Sollbruchstellen. Sie reiBen entlang von vorgeplanten Bruchlinien. h n l i c h e Sollbruchstellen hat die Natur bei vielen ihrer verpackten Produkte entwickelt. Viele Friichte oder Nusse brechen, wenn sie reif sind, ihre Verbindung zum Baum oder Strauch, und zwar an genau fur diesen Zweck entwickelten Sollbruchstellen. Aber auch Insekten, die aus den Eiern schlupfen, konnen mit gut bedienbaren Offnungsmechanismen fur Eikokons oder Puppengehause rechnen. Unsere Industrie hat den Vorteil von Sollbruchlinien schon lange entdeckt. Heute blickt man schon automatisch auf ReiBmarkierungen auf verschweigten Plastikverpackungen oder auf Bruchnahte auf Aluminiumdosen. Sowohl der Verpackungsinhalt wie auch die Bananenschale selbst sind weich und unstabil, aber die Verbindung von beiden ist kompakt und fest. Auch wenn die Natur ca. 30 % des Gesamtgewichtes der Banane fur ihre Verpackung nutzt, ist dieser natiirliche - aus unserem technischen Verpackungsumfeld heraus gesehen - scheinbar hohe Verpackungsmaterialaufwand,keineswegs iibertrieben. Die Schale dient als optimierte Verpackungsform im Fruchtstand, als mechanischer und chemischer Schutz gegen das Eindringen fruchtfressender Parasiten, sie tarnt sich als unreife Frucht mit ihrer griinen Farbe perfekt im Blattwerk der Vegetation und dient in ihrer gelben Farbe zur Anziehung samenverbreitender Fmchtfresser. Die Schale selbst ist, nachdem sie abgeworfen ist, noch Futter fur Insekten und perfekt rezyklierbar. Was die Bananenschale fur uns besonders interessant macht, ist vor aflem die Leichtigkeit, mit der sie sich offnen la&, aber auch der Umstand, daB, wenn weggeworfen. sie schnell von der Umwelt verarbeitet und neutralisiert wird.

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4 Verpacktes Leben - Verpackungsbeispiele aus der Natur

Abb. 4.1.29

Dieser Tenebrionid-Kafer aus der Namibwijste hat einen runden Panzer, u m die Oberflache und somit auch die Umwelteinfliisse, insbesondere die W'arme zufuhr zu minimieren.

Abb.4.1.30

Dungkafer in der Narnibwiiste m i t seiner opt~miertenLast.

4.1.8

Minirnierte Verpackungen

Die Chitinverpackung der Kafer mit ihrer sklerotinverstarkten AuBenschicht verdient alleine schon eine Wurdigung als Verpackungslosung. Das venvendete Verpackungsmaterial ist stabil, biologisch beliebig formbar und erzeugt durch Interferenzen und Streueffekte sogar Farben. Manchmal ist die alte Hulle noch so nahrstoffreich, daB sie gleich wieder verspeist wird. Kaferpanzer sind oft massiv gebaut und umschlieBen bei minimaler Oberflache einen maximalen Inhalt. Deswegen sind Kafer oft relativ rund. Ihre Panzer gewahren aber nicht nur mechanischen Schutz, sondern bewahren sich in heisen Gegenden auch als thermische Schutzschilde ahnlich wie Keramikkacheln beim Spaceshuttle. Wenn die Hitze zu grog wird, sondern manche Tenebrionid-Kafer Wachsstrukturen auf ihrem Panzer ab, welche wirksam Sonnenstrahlen reflektieren. 4.1.9

Wehrhafte Verpackungen

Sehr haufig schutzen biologische Verpackungen die ihnen anvertraute Fracht mit wehrhaften Waffen. Es gibt zahllose Fruchte und Samenbehalter, die sich mit Stacheln schutzen. Sie sollen gewahrleisten, daB die Samen nicht im unreifen Zustand gefressen werden. Erst wenn sie reif sind, sorgen in der Regel automatisch ausgeloste Mechanismen und Sollbruchstellen dafur, daB der Inhalt freigesetzt wird.

4. I Verpackungsstrategien und Verpackungsmaterialien

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Abb. 4.1.31 Die Verpackung der Edelkastanie (Castanea sativa) garantiert nicht nur dichteste Packung, kleinste Oberflache und vorgegebene Sollbruchstellen, sondern auch eine wirksame Verteidigung bis zur Reife der Frucht.

Abb. 4.1.32 Die Rindenhulle des paragu ayani :hen Flaschenbaurns ist ubersaht rnit starken Dornen.

4.1.10

C)ffnungs- und Schliefltechniken

Verpackungen sind auch dafiir geschaffen, ihren Inhalt gezielt und programmgema13 freizugeben. Wir kennen ein solches Produkt als Salzstreuer. Sein Vorbild ist die Mohnkapsel gewesen (Abbildungen 4.1.34und 4.1.41). Unter der kronenartigen Struktur auf der Kapsel sitzen Schlitze, durch die bei Schiittelbewegungen oder bei Wind die feinen Samen fallen. Auch Farne und Pilze streuen ihre Pollen oder Sporen und wenden dabei vielseitigste Techniken an.

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4 Verpacktes Leben - Verpackungsbeispieleaus der Natur

Erstaunlich ist die Offnungstechnik bei der Entfaltung von Blattern. Wahrend sie sich von der Knospenhulle befreien, wachsen sie und offnen sich nach einem ausgefeilten Programm. Oft reiBen Hullen nach genau vorgegebenen ReiBlinien auf, zum Beispiel beim Erdsternpilz, der seine Hiille zu einem achteckigen Stern auffaltet. Die Offnungs- oder SchlieBprinzipien in der Natur sind technisch oft recht trickreich, mit Biosensoren gekoppelt, die den richtigen Zeitpunkt feststellen. Bei Kiefernzapfen ist die Aufspreiztechnik feuchtigkeitsgesteuert, bei Erreichen einer gewissen Reife. Abb.4.1.34 Die Mohnkapsel rnit ihren geschickt ve,rteilten dffnungen zum Ausstreuen der Samen war Vorbild fur einen 1920 patentierten Salzstreuer nach R. H.France.

Abb. 4.1.35 Sich entfaltende Blatter zeigen rnit groger Deutlichkeit die bei der Verpakkung zugrundeliegenden Faltungstechniken

Abb. 4.1.36 Das Pfaffenhutchen (Euonymus) liefert ein Beispiel fur eine Frucht, die ihre Samen zur gegebenen Zeit mittels eines eleganten mechanischen Mechanismus freisetzt

4.1 Verpackungsstrategien und Verpackungsmaterialien

4.1.1 1

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Rezyklierte Materialien fur Verpackungen

Die Larven von Kocherfliegen (Phryganea) leben im SiiBwasser, in reiBenden kleinen Bachen, aber auch in verschilften ruhigen Tiimpeln, wo sie ihrem beschaulichen vegetarischen Leben nachgehen. Sie haben das Problem, daB sie sich vor ihren Feinden schiitzen miissen, ebenso wie vor den Tiicken des Mediums, in dem sie leben, dem Wasser mit seinen Wirbeln, Druckwellen und sprudelnden Luftblasen. Sie brauchen eine schutzende Verpackungsfolie, in die sie ihren empfindlichen Korper einrollen konnen. Dazu haben sie nur die Materialien zur Verfiigung, die sich im Gewasser finden. Die Evolution hat ihnen die Fahigkeit vermittelt, mittels einer Speicheldriise Seide zu spinnen, die sie um ihren Korper zu einem rohrenformigen Gebilde venveben. In dieses weben sie nun systematisch ausgewahlte n a ~ r l i c h e Materialien aus ihrer Umgebung ein. Kocherfliegenlarven in stark stromendem Wasser (Sericostorna personaturn) bauen Schutzrohren aus vielen kleinen Steinchen, die wie Elemente einer Art Kettenhemd wirken. Zum Beschweren gegen das reiBende Wasser werden noch grogere Steinchen an das Ende der Rohrchen angesponnen. Wenn Kocherfliegen wachsen, adaptieren sie ihre Verpackungshiille systematisch. Eine ahnliche Technik des Schutzrahrenbaus durch Verkleben kleiner Steinchen mit ihrem schleimigen Klebstoff verfolgen Meeresringelwiirmer (Polychaeta). Bei anderen Kocherfliegenlarven sind langs oder quer geschichtete, eingewobene Holzstabchen in Verwendung (Grumrnotaulius sp. beziehungsweise Lirnnophilus pacicornis) oder sogar in einer fortlaufenden Spirale angeordnete (Triaenodes).Auch gibt es Kocherfliegenarten, die sich mit gesammelten kleinen leeren Wasserschneckengehausen panzern oder kleine Steinchen in Form eines richtigen spiralformig aussehenden Schneckengehauses anordnen (Helicopsyche spherata). Die bemerkenswerte Kombination von versponnener Seide mit harten oder elastischen festen Elementen fiihrt zu interessanten Eigenschaften von Verpackungshiillen.Die einen verhalten sich wie Panzer aus vielen harten Elementen, die anderen wie stogdampfende Schilfmatten. Die GroBe, Form und Verkniipfung der Elemente erlaubt dabei eine beachtlich flexible Gestaltung der Eigenschaft der Hiille. DaB die seidenverflochtenen Teilchenmatten sinnvolle Schutzstrukturen sind, zeigen auch die Kleinschmetterlinge (Mikrolepidoptera)und insbesondere die Familie der Sackspinner. Unter ihren Raupen gibt es zahlreiche, die ganz ahnliche Abb. 4.1.37 Kocherfliegenlarven in seich. tern, fliegendem Wasser. Sie haben Steinchen und einzelne Fichtennadeln in ihren Kocher eingebaut.

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4 Verpacktes Leben - Verpackungsbeispieleaus der Natur Abb. 4.1.38 Das zwischen die dunnen RLiten einer sudafrikanischen Euphorbie aufgehangte Spinnennest erzielt Stabilitat und Sicherheit durch geschickt gefuhrte SeidcInBden, in die Pflanzenreste eingebunden sind.

Schutzhullen bauen wie die Kocherfliegenlarven. Sie venvenden Holzstabchen oder Lehmteilchen, aber nie Steinchen. Vermutlich sind diese uber Wasser zu schwer, also fur den Lebensbereich der Kleinschmetterlinge nicht sinnvoll einzusetzen. Die Mortelbiene (Chalicodoma muraria) verarbeitet Sandkornchen mit Hilfe des Speichels zu einer kittartigen Masse und schafft dadurch richtige Steinbottiche, die, 5-8 an der Zahl, an sonnenbeschienene Felsen geklebt werden. Es sind Behalter, die mit einem Futterbrei aus Nektar und Pollen gefullt werden und ein Ei hinzukommt, bevor die Behalter ubermauert werden.

Abb. 4.1.39 M i t Seidenfaden versponnene Holzstabchen van Verpuppungsstrukturen van Kleinschmetterlingen, Chaco von Paraguay.

Abb. 4.1.40 Vom Kalifornischen Specht in die Rinde eines Baumes gebohrte Locher zur Aufbewahrung und zum Schutz eines Vorrats an Eicheln.

4.7 Verpackungsstrategien und Verpackungsmaterialien

Naturvolker sammelten grogflachige Blatter, zum Beispiel von der Bananenstaude, u m Nahrungsrnittel oder Gegenstande darin einzuwickeln. Auch im alpinen Raum nutzte man auf den Alrnen noch vor einer Generation Blatter, um die Butter einzuwickeln. Blattschneiderbienen verpacken ebenfalls mit Blattern. Sie schneiden sie ab, rollen sie und fuhren sie in Holzgange ein, die sie regelrecht damit tapezieren, bevor sie die Eier hineinlegen. Der Mensch hat sich daran gewohnt, alte Pappkartons fur neues Verpackungsgut wiederzuverwenden. Auch in der Natur werden Verpackungen wiedergenutzt, die vorher als Verpackung fur ein anderes Gut eingesetzt waren. Die Verkleidung und Verpackung mit Abfallprodukten ist im Tierreich gar nicht so selten. Wachsschildlause zum Beispiel verkleiden sich mit abgestoBenen Wachsplattchen, der tropische Blattlauslowe hangt sich die ausgesaugten Leichen der Beutetiere an den Korper. Andere Tiere rnachen fremde Verpackungen zu ihren eigenen. So zum Beispiel der kalifornische Specht, der in Baumrinden Loch neben Loch meiBelt, urn seine gesammelten Eicheln maggenau einzupassen - als Vorrat fur schlechtere Zeiten. 4.1.12

Selbstregelnde Verpackungen

Verpackungen in der Natur beinhalten oft Vorrichtungen, die gewisse Ablaufe vorprogrammieren. Die Schoten der Wicken zum Beispiel losen beim Trocknen einen

'

bb 8 'ab

Mohnkapsel als Ausslreuvomchtung

Abb. 4.1.41 Sarnenverpackungen mit Flug- oder Verteilungsrnechanisrnen.

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4 Verpacktes Leben

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Verpackungsbeispiele aus der Natur 4.1.42 Diese jungen Farne zeigen, wie sehr Verpackung und Wachstum integriert sind. Wahrend die Wedel wachsen, rollen sich die Triebe aus, urn den jungen Blattern Freiraum zu geben. Das Rollen wird dadurch erreicht, dai3. die Zellen an der lnnenseite der Spiralform schneller wachsen als die an der Augenseite.

Abb. 4.1.43

Die Sarnenbehalter dieser Pflanze aus Namibia sind so konstruiert, daB sie sich bei entsprechender Austrocknung verkrurnmen und in zwei Halften spalten, urn die Sarnen freizugeben.

Entspannungsmechanismus aus, der die beiden Schotenhalften gegeneinander verdrillt und dabei betrachtliche mechanische Krafte freisetzt. Sie reichen aus, um die Samen mehrere Meter weit zu schleudern. Ein anderes Beispiel ist das Echte Springkraut oder Ruhrmichnichtan (Impatiens noli-tangere). Der Fruchtkorper reiBt nach vorherbestimmten Sollbruchstellen, so daB die einzelnen Elemente sich mit beachtlicher mechanischer Energie zusammenrollen und dabei die Samen ausstoBen. Aus den gelben fullhornahnlichen Bluten gehen funfilapprige Kapseln hervor, die beim Beruhren aufspringen und den Sameninhalt weit fortschleudern. Wohl wegen dieser Reaktion erhielten sie ihren volkstiimlichen Namen. 4.1 -13

Anhafiende Verpackungen

Insekten verwenden einen meist farblosen, schnell hartenden Zement, um ihre Eier sicher auf der vorgesehenen Unterlage zu verankern. Er ist extrem haltbar und festklebend. Lause, zum Beispiel Phthims pubis, befestigen ihre Eier an der Basis von Haaren. Lange nachdem die jungen Lause geschlupft sind, hangen diese Eier nach wie vor an den Haaren und bringen sie an den betroffenen Stellen zum Knicken.

4. I Verpackungsstrategien und Verpackungsmaterialien

Die Florfliege schutzt ihre Larven gegen FreBfeinde dadurch, daB sie die Larven an gesponnenen, schnell aushartenden Faden festklebt. Diese Faden stehen wie parallele Nadeln senkrecht vom Ast weg und halten die Eier an der Spitze des erharteten Klebefadens fest. Wenn Spinnen ihre Beute am Net2 festkleben lassen, bewerkstelligen sie dies mit einem Spezialkleber. Die Spinne hat eigene Leimdriisen, aus denen sie Klebstoff ausscheidet, der sich auf den Seidenfaden zu Perlen zusammenzieht. An diesen bleibt die Beute hangen, wahrend die Spinne es geschickt versteht, mit ihren hochspezialisierten FuBspitzen die klebenden Tropfchen zu verrneiden. Auch Samen von PflanZen, die in reiBenden Gewassern, oft in Wasserfallen existieren, nutzen, Klebemechanismen. In der Trockenzeit plazieren sie sich an Felsoberflachen durch mechanisches Haften. Sobald Feuchtigkeit verfugbar ist, quillt der Samen und mobilisiert dadurch eine chemisch sehr fest klebende Substanz, die selbst hohen hydromechanischen Belastungen standhalt. Im trockenen Zustand konnen die Samen dieser subtropischen Pflanzen ihre Klebefahigkeit noch jahrzehntelang beibehalten. Von ganz besonderem technisch-wirtschaftlichemInteresse sind die biologischen Organismen, die in wassriger Umgebung ihre Klebfahigkeit eindrucksvoll demonstrieren. Hierzu zahlen neben den in Kapitel 2.3.3.2 beschriebenen Seepocken auch die Miesmuscheln und weitere Meereslebewesen. Die Gentechnik versucht mit zunehmendem Erfolg, die Strukturen der Klebstoffproteine aufzuklaren. Bei der Miesmuschel ist dies bereits gelungen. Eine biotechnische Herstellung riickt damit in greifiare Nahe. GroBe Erwartungen, Klebstoffe nach biologischem Vorbild technisch zu nutzen, liegen in der human- und zahnmedizinischen Anwendung, zum Beispiel fur Wundverklebung, Zusammenfugen von gebrochenen Knochen (als mechanischer Ersatz fur metallische Nagel, Schrauben, Klammern, Platten usw.) und fur die Fixierung sowie Bearbeitung von Zahnen. Dariiber hinaus liefert uns die Natur viele pflanzliche und tierische Produkte, denken wir nur an bekannte Lebensrnittel wie Weizen, Raps, Soja und Milch, Klebstoffproteine, die im Hinblick auf den Einsatz nachwachsender Rohstoffe fur Verpackungen und andere Technikprodukte zunehmend starker in das Blickfeld der Forschung geraten. Den Verpackungsingenieuren offnet sich auch hier ein breites Feld fur innovative nachhaltige Verpakkungen, Verpackungsmittel und Verpackungshilfsmittel. Ganz auf Chemie verzichtet bei der Strategie des Anhaftens die Klette aus der Gattung der Korbblutler. Ihre kugeligen Blutenkorbchen sind mit widerhakenAbb. 4.1.44 Miesmuscheln auf Felsen in der Brandung, Chilenische Kuste. Die Starke der chemischen Verklebung in feuchter Umgebung hat die Technik zu bionischer Forschung motiviert.

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4 Verpacktes Leben - Verpackungsbeispieleaus der Natur

Abb. 4.1.45 Seepocken haben eine Muschelschale besiedelt. Sowohl die Stabilitat wie auch die Verankerung der Cehause auf der Unterlage ist Lernvorbild fijr hochstabile Verpackungslosungen (vergleiche auch Kapitel 2.3.3.)Auch das Baurnaterial Kalk erfullt alle Voraussetzungen fur umweltkornpatibles Wirtschaften.

Abb. 4.1.46 Die seitlich aufgerissene Flanke der Seepocken zeigt, dag die Kalkverpackung rnit ihren Karnrnern in Richtung Materialsparsarnkeit und hohe Stabilitat optimiert ist.

Abb. 4.1.47 Die Klette, Arctiurn, hat ihren althochdeutschen Narnen von ,,kleben" und bewerkstelligt dies rnit ihren vielen kleinen Widerhaken.

bewahrten Spitzen versehen. Wenn sie in das Fell von Lebewesen oder in Kleidungsstoffe dringen, bleiben sie daran hangen. Wird die Klette spater abgestreift, ist ihre verpackte Ladung weitertransportiert worden, der Zweck des Anhaftens erfiillt. Die Pflanzen, die diese anhanglichen Pflanzensamen verteilen, schiitzten im alten Volksglauben vor Donner, Zauber und Damonen. Man brauchte sich also nicht zu argern, wenn Kleider oder Haare mit Kletten behangen waren.

4.7 Verpackungsstrategian und Verpackungsmaterialien

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Abb. 4.1.48 EBbare Fruchte und Cemuse (hier Paprika) sind i m wesentlichen Verpakkungen, die Lebewesen zum Transport der Samen anlocken sollten.

4.1.14

Ceniegbare Verpackungen

Wenn der Samen der sogenannten Bedecktsamigen (Angiospermae) reift, entwikkelt sich aus dem ihn umgebenden Fruchtblatt die Fmcht. Die Friichte konnen siifi, neutral, sauer oder bitter sein. In jedem Falle dienen sie der Ausbreitung des Samens. Sie sollen gefressen werden, damit die Sarnen den Darmtrakt passieren und an entfernter Stelle deponiert werden. In gewisser Hinsicht ist die Frucht also eine Art Lockpackung, um Transportmoglichkeiten zu aktivieren. Oft sind auch Ameisen an der Verbreitung des Samens beteiligt. Die Buschmanner der sudlichen Namibwiiste zum Beispiel schatzten die geniegbaren kleinen Samen der Buschmannkerze (Sarcocaulon patersonii), einer Geranienart. Aber sie uberliefien es in der Regel den Arneisen, sie zu sammeln. D a m gruben sie die Nester der Ameisen aus und ernteten die Samen in grofieren Mengen. In einer holzernen Schale trennten sie dann mit geschickten Bewegungen den Sand vom Samen um letztere zu einem Brei zu ruhren. In der Regel nutzen die Ameisen nur einen Teil des Samens, zum Beispiel ein Oltropfchen, der als Lockmittel dient. Auf diese Weise konnen die Samen nach der Nutzung durch die Ameisen nach wie vor keimen. Zahlreiche Lebewesen geben ihren Nachkommen geniefibare und rezyklierbare Eierhullen mit. Die Beispiele reichen von den Eihullen gewisser Kaulquappen bis zu den Eierschalen der Huhner, die wegen ihres Kalkgehaltes wiedervenvertet werden konnen. Besonders rafiniert ist die Strategie der Gallwespen (Cynipoidae). Sie zwingen Pflanzen dazu, artgerechte Verpackung und Nahrung fur ihre Larven bereitAbb. 4.1.49 Callapfel der ~ichengallwespe Diplolepis quercusfolii bieten wegen des sehr hohen Tanningehaltes der Hiille einen sicheren Schutz gegen Insektenangriffe und augerdem reichlich Nahrung fur die Larve.

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4 Verpacktes Leben

- Verpackungsbeispiele aus

der Natur

Abb. 4.1.50

Die Eibe (Taxaceae) galt schon i n der Antike als Todesbaurn, weil alle Pflanzenteile rnit einern todlichen Gift versetzt sind - m i t Ausnahrne des fleischigen roten Samenrnantels, der den Sarnen urngibt.

Abb. 4.1.51 Die Hulle der Beere des Kaffeestrauches war durch die Evolution fur den Verzehr durch Vogel programmiert, damit die ungeniegbaren Samen verbreitet werden. Dann hat der Mensch am Feuer das Aroma des gerosteten Samens entdeckt.

zustellen. Wenn sie die Eier mit ihrem Legestachel in das Pflanzengewebe an der Unterseite von Eichenblattern legen, stimulieren sie die Pflanze dadurch zu charakteristischen Wucherungen, den Gallen oder Gallapfeln. Abbildung 4.1.49zeigt die Gallapfel der Eichengallwespe (Diplolepis quercusfolii). Die Gallen anderer Gallwespen sehen wiederum ganz anders und iibrigens arttypisch aus. Die Rosengallwespe (Rhodites rosae) zum Beispiel produziert bei der Wildrose ein moosartiges, faserig behaartes Gebilde, den sogenannten Schlafapfel. Genaugenomrnen ist die Strategie der Gallwespe eine hochentwickelte Biotechnologie. Durch das Legen der Eier und die damit eingebrachten chemischen Verbindungen stimulieren sie bei der Wirtspflanze ganz gezielte Wachstumsreaktionen, die sie fur die Aufzucht der Lame ausnutzen. Auch Lause, Milben und Fadenwiirmer sind als gallenbildende Tiere bekannt. Verpackungshullen genieBbar zu machen, ist also eine wichtige Strategie, die zudem geschickt hilft, den Verpackungsabfall zu rezyklieren. Inzwischen wird es auch in unserer Verpackungsindustrie immer moderner, egbare oder verfutterbare Verpackungsmaterialien einzusetzen. Sie reichen von Verpackungen aus Mais oder Kartoffelstarke bis zu Formpackungen aus Waffelteig. Statt Polystyrol wird speziell prapariertes Poppkorn eingesetzt oder sonstiges degradierbares Material aus dem Pflanzenreich. Erbsen und Bohnen liefern Rohmaterial fur Wegwerf-Teller, Becher und Besteck.

4.2 Mechanisch und strukturell optimierte Verpackungen

4.2

Mechanisch und strukturell optimierte Verpackungen 4.2.1

PlatzoptimierteVerpackungen

Auch die Natur spart Platz, wenn sie verpackt. So verbraucht sie weniger Material und kann das Verpackungsgut besser schutzen. Wenn die Samen dichter gelagert sind, kann die Verpackungshulle kleiner sein, die nach auBen zu kontrollierende Oberlache ist damit kleiner. Ein interessantes Naturobjekt, anhand dessen man sich Gedanken uber dichte Packungen machen kann, sind auch Paranusse, die als Samen des riesigen brasilianischen NuBbaumes (Bertholletia excelsa) in 30-50 m Hohe in der obersten Etage der Urwaldvegetation gedeihen. Sie haben eine langliche Form mit dreikantigem Querschnitt, ahnlich wie eine Spalte einer geschalten Orange, und wachsen zu 12-24 Stuck in 1-2 kg schweren runden NuBbehaltern. Sie sind dort ahnlich dicht gepackt wie die Spalten einer Orange. Die harte Hulle der Paranug ist innen mit einer faserigen Dammschicht ausgekleidet, wohl als Schutz gegen den harten Aufschlag der Frucht auf dem Boden und vielleicht als Schwimmhilfe in den Sumpfen des Amazonas.

Abb. 4.2.1

Die dichte, geornetrisch optirnierte Anordnung der Kerne der Sonnenblurne ist ein schones Eeispiel dafur, wie gut verpackt und (den Vogeln) angeboten die Natur ihre Produkte in Urnlauf bringt.

Abb. 4.2.2 Die in den Hochanden Nordchiles beheimatete Polsterpflanze Laretia cornpacta fugt ihre Zweige zu einer dichten Packung zusammen, urn die dazwischenliegenden Luftraume, die das Mikroklima bestimmen. klein zuhalten.

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4 Verpacktes Leben

- Verpackungsbeispiele aus

der Natur

Abb. 4.2.3 Pilze, Rhododendronwald. Nepal. Die Natur vermag es, auch bei individuellen Lebewe. sen elegant und dicht zu packen.

Abb. 4.2.4 Der Sarnenstand des Lowenzahns zeigt, wie man hochempfindliche Flugsarnen in dichter Packung aufden Flug vorbereiten kann.

Abb. 4.2.5

Horn~ssennest.Die sechseckigen Waben sind ein technisch v~elkop~ertes geometrisches Element fur dichteste Packungen.

Abb. 4.2.6

Sich entfaltende Blumen, Hawaii. Die jungen Blatter sind zunachst wie ein Plastik-Regenschutz dicht zusammengeknullt, bevor sie sich zu ihrer richtigen Form und Position entfalten.

4.2 Mechanisch und strukturell optimierte Verpackungen

Abb. 4.2.7

Der sich aufrollende FarnsproB m i t seinen Ansatzen fur die Seitenblatter zeigt, wie dicht und fur den Rollvorgang angepagt das junge lebende Cewebe verpackt war (Hawaii).

Abb. 4.2.9 Diese Sarnenkapsel eines Steppenbaurnes aus Paraguay zeigt die sorgfaltig geschichteten, zur Ausschuttung vorbereiteten Flugsamen.

Abb. 4.2.10 Der kugelsyrnrnetrische Blutenu n d Sarnenstand einer Distel (rnit Hurnrnel) zeigt den Grad der Optirnierung dieser Verpackung.

Abb. 4.2.8

I m ausgewachsenen Farnblatt fullen die Zweige und die Seitenblattchen dann die ganze Flache gleichma&ig, urn i m dammrigen Wald moglichst wirksam Licht einzufangen.

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4 Verpacktes Leben - Verpackungsbeispiele aus der Natur

4.2.2

Faserverstgrkte Hullen und dichte Packungen

Aus Griinden der Materialersparnis sollen Verpackungshiillen diinn sein und dichteste Packungen umschlieBen. Damit sie auch reiBfest sind, baut man verstarkende Fasern ein. Dieses Prinzip ist bei unzahligen biologischen Strukturen beriicksichtigt. ReiBt man Graser ab oder untersucht Gemiisepflanzen, sei es Spargel oder Rhabarber, findet man Fasern. Naturfaserpflanzen wie Sisal oder Hanf liefern eindrucksvolle Beispiele solcher technischen Losungen, welche verstarkende Fasern einsetzen. Die Waben der Wespennester werden nach erprobter Papierverarbeitungstechnik aus kleinen Holzteilchen gefertigt, die mit dem Wespenspeichel zusammengeleimt werden. Papier ist in dieser Form nicht besonders reisfest. Man kann es aber reiBfest machen, indem man ausgerichtete Fasern einbaut. Dies erreicht man zum Beispiel bei bestimmten Sorten von Papyrus oder Reisfaserpapier. Wespen beherrschen diese Technologie und nutzen sie, wo es darauf ankommt, namlich in den diinnen Stielen, auf denen haufig Wespennester an der Unterlage aufgehangt sind. In diesen Stielen liegen die Fasern parallel und geben der Papierstruktur hohe Stabilitat. Ein besonders anschauliches Beispiel fur eine gelungene biologische Verpackung, bei der auch faserverstarkte Hullen eingesetzt werden, ist der Mais. Diese schnellwachsende Kulturpflanze entwickelt als Fruchtstande Kolben, iiber deren Oberflache die Maiskorner in dichtester Packung so befestigt und verteilt sind, daB sie auf ihr wachsen und sich nach der Reife bequem ablosen lassen. Alles umhiillt eine sich Abb.

4.2.11

Die Maiskorner sind in dichte-

ster Packung geschichtet. lassen sich leicht abraspeln und werden effektiv von einer widerstandsfahigen, leicht abstreifbaren H u l k geschutzt.

Abb. 4.2.12 Der Samenstand dieser sudafri kanischen Pflanze zeigt die faserverstarkte, reigsichere Hulle urn die dicht geordnete Packung der Flugsarnen.

4.2 Mechanisch und strukturell optimierte Verpackungen

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anschmiegende Rosette von faserverstarkten Blatthullen. Sie lassen sich, wenn der Mais reif ist, leicht abstreifen. Diese Schutzblatter sind durch Langsfasern gegen Querbelastungen reiBfest und generell wiederstandsfahig gegen Wettereinfliisse oder gegen den Versuch, ins Innere des Kolbens vorzudringen. Erst wenn man sie an ihrem spitzen Ende auseinanderzutrennen beginnt, kann man sie muhelos entlang der Fasern auseinanderreigen. Aber sie sind so verteilt, dag sie die Maiskorner mit einer mehrfachen Schutzschicht abdecken. 4.2.3

Klarsichthtillen

Die Natur kennt viele durchscheinende oder durchsichtige Hullen. Man findet sie sowohl bei den Insekteneiern als auch bei den Froscheiern. Viele Pflanzen nutzen Hullen, die durchsichtig sind. Die Blute des Lauchs zum Beispiel befreit sich von einer transparenten Verpackung, u m sich zu entfalten. Sie ist aus Zellulosematerial aufgebaut und mug, wie bei einem Blumenstraug aus der Blumenhandlung, abgestreift werden, um die Blute freizugeben. Der Zweck ist wohl der Schutz gegen Wasser. Auch viele Chitin-Kokons von Insektenlarven sind durchsichtig oder zumindest durchscheinend. Vielleicht sollen sich die Larven darunter an den Rhythmus der Tageszeiten gewohnen. Abb. 4.2.13 Auch die Natur arbeitet mit durchscheinenden Hullen. Hier ist es die Epidermis, die Bugere Haut der Qualle (FranzosischeAtlantikkuste).

4.2.4

Stoggesicherte Verpackungen

Wenn der junge Trieb einer KokosnuB aufeinem abgelegenen tropischen Strand die verfranste, abgewetzte auBere Faserhulle durchbricht, hat die KokosnuB das junge Leben vielleicht schon Tausende von Kilometer weit transportiert und vor vielen todbringenden Gefahren geschiitzt. Da war zunachst der Fall von der hohen Palme, vielleicht in einem Sturm. Es folgte das lange Warten, bis eine hohe Flut die NUB ins Meer spulte. Dann kamen die endlose Wanderung uber das Meer, die stetigen Angriffe durch emsige kleine Meerestiere und gelegentlich auch von grogen. Es folgte dann vielleicht ein tagelanges Bornbardement in der Brandung, zum Beispiel gegen eine Lavakuste mit messerscharfem Gestein, bis eine hohe Welle das wertvolle Pa-

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4 Verpacktes Leben - Verpackungsbeispiele aus der Natur

Abb.4.2.14 Die Kokosnug beginnt ihre Reise rnit einern Fall von einer hohen Kokospalrne.

ket schlieBlich auf einem Sandstrand absetzte. Die technische Leistung der Kokosnu&-verpackungist unvergleichlich. Die KokosnuR darf durch StoB nicht aufspalten, der Lebenssaft, die Kokosmilch, nicht auslaufen oder sich mit dem Meereswasser vermischen. Was die KokosnuB auszeichnet, sind vor allem zwei wichtige mechanische Entwicklungen. Die eine ist die stogsichernde Kokosfaserschichtaus Zellulose, die Schutz gegen das Aufbrechen bringt. Die andere ist eine hochelastische, komplexe Zwischenschicht unter der Kokosschale, die Verletzungen ausgleicht und damit den Verlust von Flussigkeit verhindert. Die Schale der eigentlichen KokosnuR ist druckfest. Aber die KokosnuB besitzt auch luftgefullte Hohlraume in der Fruchtwand, die ihr einen hohen Auftrieb im Wasser verleihen. Sie ist eine regelrechte Dauerkonserve, die mit vielfaltigen Strategien ihre Fracht schutzt. Die KokosnuB-Strategie hat bereits Parallelen in der Technologie, zum Beispiel bei Glasflaschen mit einer Kunststoffummantelung. Bricht das Glas, lauft die Flussigkeit deswegen dennoch nicht aus. Ob eine solche technische Kopie schon mit dem biologischen Urmodell konkurrieren konnte? Mit Sicherheit nicht. Wer an die Hitze im Sand tropischer Strande wenige Meter entfernt von den Wellen denkt, erkennt sofort ein Problem. Die KokosnuR lost es dadurch, daB sie die Kokosfaser4.2.15 Die durchgeschlagene Kokos nul;: zeigt deutlich die dicke. vielseitig schutzende Schicht von Kokosfasern.

4.2 Mechanisch und strukturell optirnierte Verpackungen

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hulle Feuchtigkeit aufnehmen laBt, die in der Tageshitze nur langsam verdunstet und dabei Verdunstungskalte erzeugt. Um diesen Effekt zu erzielen, muBte eine bionische Kopie vie1 komplizierter werden als nur eine kunststoffgeschiitzte Verpakkung. 4.2.5

Geforrnte Verpackungen

Wenn Salanganen (Collocalia), die zur Familie der Segler gehoren, beginnen, ihr Nest zu bauen, fliegen sie periodisch gegen die ausgewahlte Steinwand und belekken sie mit ihrem zahfliissigen, fadenziehenden Speichel. Dieser hartet an der Luft schnell aus. So beginnen die emsigen Vogel, in einem Halbbogen den GrundriB ihres Nestes an den Fels zu entwerfen, an dem sie Schicht fur Schicht weiterbauen, bis ein weiBlich durchscheinender Napf entsteht. Er ist gegen den Felsen hin durch eine diinne, am Gestein hochgezogene Speichelschicht zusatzlich verankert.

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auf Fels geklebccr SpelChel

Abb. 4.2.17 An Felsen geklebte Salanganennester aus geformtern Speichelmaterial.

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4 Verpacktes Leben - Verpackungsbeispiele aus

der Natur

Was die Salanganen mit ihrer zur Brutzeit enorm angeschwollenen Speicheldrusen wie Bildhauer produzieren, ist ein reines Speichelnest, in dessen Vertiefung sie ihre Eier auch ohne zusatzliches Nistmaterial hineinlegen. Die Speichelnester von Salanganenarten, die wenig Pflanzenteile oder Federn in ihre Konstruktionen einbauen, sind seit altersher in Sudostasien als Delikatesse fur die Suppenzubereitung venvendet worden. Diese ,,Schwalbennester" haben praktisch keinen Nahrwert, aber sind wegen ihres Geschmacks beruhmt. Die Klebe- und Formtechnik der Salanganen, zielstrebig angewandt, um Eier zu verpacken und zu schutzen, hat Parallelen in unserer Verpackungstechnologie. Wir brauchen nur an die Verformung von Kunststoff zu Kunststoffverpackungen zu denken. Die Natur hat keine Hochtemperaturtechniken entwickelt, urn Materialien zu verformen. Aber sie hat gelernt, mit Chemie umzugehen, um Verpackungsstrukturen zu produzieren. Eindrucksvolle Formpackungen sind Bohnenschoten. Sie verpacken Bohnen in den genau angepaBten Zellulosehullen so, daB Material und Raum optimal genutzt werden. In der Natur gelingt dies, weil Bohnen und Hiille gleichzeitig und gemeinSam wachsen. Das Prinzip hat sich bewahrt und ist mit den Schrumpffolien, in denen Bauteile, Werkzeuge oder Batterien verpackt werden, auch von unserer Industrie entdeckt worden. Die Natur fabriziert aber auch richtige Behalter, so wie wir Menschen sie zum Essen oder Kochen nutzen. Ein Beispiel ist die ParadiesnuB (Lecythis usitata). Sie hat die Form einer Urne von 2 0 cm Hohe und 10cm Durchmesser und wird volkstum-

Abb. Abb.4.2.18 4.2.18 Erdnusse Erdnussebieten bieten uberzeugende uberzeugende Beispiele fur Formpackungen. lnteressanter weise lassen sie sich aufgrund ihrer Form auch sehr platzsparend packen

Abb. 4.2.19

Samenhulsen einer Akazie. Die Samen sind in schrurnpffolienartigen Formpackungen verstaut.

4.2 Mechanisch und strukturell optimierte Verpackungen

lich als ,,monkey pot", als AffengefaB,bezeichnet. Das GefaB beherbergt 30-40 runzelige Nusse und besitzt auch einen Deckel, der zur Reife abgeworfen wird. 4.2.6

Druck-, stol3- und biegefeste Verpackungen

Die runde, schmackhafte Litschi-NUB (Litchisinensis) schutzt eine ganz dunne Schale, die in ihrer Beschaffenheit und in ihrem Aussehen an die Schale eines Krebses erinnert. Aber sie ist aus Zellulose aufgebaut. Obwohl sie sehr diinn ist, ist sie erstaunlich bruchfest und stabil. Dies ist notwendig, denn sie schiitzt einen sehr feuchten, empfindlichen Inhalt. Der Grund fur die Bruchfestigkeit der dunnen Schale ist die Unebenheit ihrer Oberflache. Die Falten und Beulen schutzen sie gegen Bruch und Risse, ahnlich wie eine wellblechartige Struktur diinnes Blech verstarkt. Ahnliche Verstarkungsprinzipien wenden unzahlige biologische Verpackungsstrukturen an, zum Beispiel Pflanzensamen. Die Samen der WeiBen Lichtnelke sehen wie Miniatur-Litschifriichte aus, nur daB sie nicht so rund sind. Die Stabilisierung von Verpackungsschalen durch Faltung und Strukturierung erfolgt in der Natur sehr haufig. Bemerkenswert ist das Beispiel der ButternuB aus dem nordlichen Nordamerika (Abbildung 4.1.17).Ihre bis zu 5 cm groBen Nusse haben langsgerichtete, seitlich verzweigte Rinnen, die der Schale eine sehr groBe Stabilitat geben. Es bedarf eines Schlages mit einem schweren Hammer, um diese Hiille zu brechen. Auch Haselniisse beanspruchen zum Brechen eine Punktbelastung

Abb. 42.20 Die regelmagigen Beulen auf den Kieferzapfen (Markische Kiefer) verleihen ihnen hohe Druckstabilitat.

Abb. 4.2.21 Der Panzer der Calapagosschildkrote hat als rnassiver Verpackungsschutz gegen aggressive Gegner der Spezies schon jahrrnillionenlang erfolgreich gedient.

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4 Verpacktes Leben

- Verpackungsbeispiele aus

der Natur

Abb. 4.2.22 Ein aufgeschnittenes Blatt der in der Brandung lebenden Braunalge Durvillaea antarctica aus Siidchile. Es ist m i t zwei Hauten, die eine bienenwabenartige Stiitzstruktur abdecken, wle eln Sandwich konstruiert.

Abb. 4.2.23 Wie der Querschnitt zeigt, hat die Alge Duwillaea antarctica ihre Zellen so angeordnet, dag eine Sandwichstruktur entsteht, wie die Technik sie bereits vielfach anwendet.

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4.2.24 Abb. A.Z.ZA

dijnne Schale der LitschI LitschlDie dunne N u g ist m i t kleinen Beulen uberzogen, urn sie druckfester zu machen.

von bis zu 70 kg. Andererseits durchbricht ein zarter Keimling die harte Schale ohne Schwierigkeit. Er macht dies mit Wasser und mobilisiert damit hydraulische Krafte, die ihm den Weg bahnen. Beispiele von stabilen Strukturen sind in unserer Umgebung haufig zu identifizieren. Man braucht nur einen unreifen Kieferzapfen anzusehen. Seine Oberflache ist von gezielt und systematisch verteilten beulenartigen Strukturen uberzogen, die sich letztlich bei Reife der Zapfen als Schuppen offnen, um die Samen freizugeben. Die unreifen Kieferzapfen mit ihren regelmagig verteilten Beulen sind augerordentlich stabil gegen Schlage und Druckbelastung. Das Prinzip, das sie venvirklichen, ist das einer dreidimensionalen Wellblechstruktur. Die Chitinpanzer von Krabben und Langusten zeigen, wie Beweglichkeit und massiver Verpackungsschutz geschickt kombiniert werden konnen. Sie sind in der Regel aus drei Schichten konstruiert. Die innerste ist aus Chitin aufgebaut, einem

4.2 Mechanisch und strukturell optimierte Verpackungen

Abb. 4.2.25 Die facherartigen, gewellten Schalen der Jakobsmuschel (Pectenjacobaeus) garantieren hohe Stabilitat und Bruchsicherheit in jeder noch so starken Brandung

Abb. 4.2.26 Die Strandkrabbe von den Galapagos-lnseln 1st ein Beispiel fur viele Meeresbewohner mit aulleren Skeletten. die ihre Bewohner gegen massive Stolle schutzen und dennoch voll beweglich halten

Polysaccharid, und aus Protein. Die mittlere Schicht besteht aus Chitin, das aber zur Starkung Mineralverbindungen enthalt, vor allem Kalziumcarbonat. Die dritte, &IBerste Schicht, ist aus Protein und Lipid (Fettmaterial) aufgebaut. Sie gibt dem Hummerskelett sein wachsartiges auBeres Aussehen. Die sandwichartige Struktur des AuBenskeletts hat Vorteile fur die mechanischen Eigenschaften des Panzers. Wie bei anderen Tieren mit Exoskeletten mussen diese wahrend des Wachstums gewechselt werden. Dies ist mit einem erheblichen Materialauhand verbunden. Er veranlaBt manche Insekten und Sugwasser-Krustentiere, die abgeworfenen Skelette wieder aufzufressen. Dies fuhrt zu einer perfekten Rezyklierung von Verpackungsrohstoffen. Der fur die Natur so wichtige Naturstoff Chitin ist bisher als in Millionen Tonnen anfallender Abfall von Meerestieren nutzlos weggeworfen worden. Vor nicht zu langer Zeit hat man endlich begonnen, ihn als biologischen Kunststoff Chitosan zu rezyklieren und zu vermarkten. Die Anwendungen reichen vom Wundverband bis zu Materialien fur Implantate und Kunststoff-Folien (siehe unten). 4.2.7

Dynamisch mitwachsende Kalkverpackungen

Der Tintenfisch (Nautilus)ist eine Relikt aus der Urzeit und besonders bekannt wegen der Eleganz seines feinen Kalkgehauses. Es gleicht einer perfekten Spirale, die dem Tintenfisch nach auBen immer grogere Wohnraume anbietet. Es ist eine mitwachsende Verpackung, die bei sparsamstem Materialverbrauch bedarfsgerecht und flexibel reagiert. Besonders auffallig ist dabei, daB die VergroBerung der Form unter

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4 Verpacktes Leben - Verpackungsbeispiele aus der Natur

Beibehaltung der geometrischen Grundstruktur erfolgt. Die mathematische Losung dieses Problems war eben die elegante Spiralstruktur. Die Kalkschichten sind besonders langlebig und verschleigfest. Wir erfreuen uns an ihnen noch als uralte Fossilien. Die Strukturen entstehen durch genetisch kontrollierte molekulare Prozesse. In der Natur kennt man rund Go verschiedene anorganische Mineralien, die biologisch aufgebaut werden. Es zahlen dazu nicht nur Verpackungen, sondern zum Beispiel auch magnetisches Eisenoxid, mit dem sich gewisse Bakterien und andere Lebewesen im Magnetfeld der Erde orientieren. Die Gehause von Muscheln, Schnecken und Tintenfischen wachsen durch kontinuierliche formerhaltende Kalkabscheidungen mit. Aber auch andere Lebewesen, die nicht auf Kalk bauen, setzen auf mitwachsende Verpackungen. Insekten, wie Termitenkoniginnen, welche in ihrem Hinterleib viele Eier transportieren, konnen die Augenmembran ihres Hinterkorpers um mehr als das Zehnfache dehnen. PflanZen enveitern ihre Hullen und Gewebe, indem sie zum Beispiel in diese Wasser einlagern. NuBschalen zeigen durch Zellteilung dagegen echtes GroBenwachstum.

4.3

Wetter- und umweltoptirnierte Verpackungen 4.3.1

Rinden: wetterfeste Verpackungen

Rinden haben die rund Go ooo existierenden Holzgewachse durch eine lange, erfolgreiche Evolution als Verpackungshulle begleitet. AuBerlich bieten Rinden einen ungemein variablen Eindmck, der von der papierartig abblatternden Oberflache der Birke uber die glatte Haut der Tanne zur zerfurchten Struktur der Eiche reicht Viele der Rindenoberflachen zeigen Muster, die uns asthetisch an(Vaucher, 1990). genehm erscheinen. Vielleicht ist die langjahrige Gewohnung des Menschen an die Muster der Natur dafur verantwortlich. Rinden sind fur die Baume die wetterfeste Hulle. Sie schutzen sie aber nicht nur gegen physikalische Einflusse, sondern auch gegen biologische Angriffe. Nicht umsonst sind Rinden von Eichen, Erlen und Buchen traditionell die Ausgangsstoffe fur die Produktion von Tanninen gewesen, die als Gerbstoffe das Leder faulnisbestandig und wetterfest machten. Rinden sind komplizierte Gebilde, deren Entwicklung zusatzlich noch durch Wittemngsschaden, TierfraB, Pilzbefall und lnfektionen vielfaltig beeinfluat wird. Zwei Arten von Geweben, das Kambium und das Phellogen steuern das Wachstum der Rinde. Sie ist aber nur teilweise ein lebendes Gebilde, denn ihre augeren Schichten enthalten meist abgestorbene oder durch eingelagertes Harz umfunktionierte Zellen. AuBerdem werden in der Rinde viele vom Baum ausgelagerte, nicht mehr nutzliche Materialien eingelagert. Rinden sind also in gewisser Hinsicht Deponien. Dabei kann es aber durchaus sein, daB die abgelagerten Stoffe die Wiederstandsfahigkeit der Rinde erhohen. Bei den eingelagerten Materialien kann es sich urn organische Kristalle, Schleime oder Harze handeln oder auch um Gerbstoffe. In den lebenden Geweben der Rinden werden, abhangig von der Jahreszeit, auch Nahrstoffe trans-

4.3 Wetter- und urnweltoptirnierte Verpackungen

Hitze Strahlung

Mikroben

2uuBere Rinde

Xylem (Splintholz)

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Bast

Abb. 4.3.1 Aufgeschnittener Baum zur Erklarung seiner Struktur. Von der Karnbiurnschicht wachsen die Pflanzenzellen nach innen u n d Rindenzellen werden nach augen abgestogen, urn rnit verschiedenen abgelagerten Stoffen die wetterbestandige Borke zu bilden.

portiert und zwischengelagert. Rinden entstehen primar dadurch, daB das Kambium, das nach innen Holz bildet, nach auBen Bast (sekundares Phloem) entwickelt. Es bildet sich teilungsfahiges Gewebe, das nach auBen Kork (Phellem), nach innen Phelloderm ausbildet. Alle drei Gewebe zusammen werden Initialperiderm genannt, das zum Teil abstirbt und zum Teil als Folgeperiderm weiterlebt. Es kann sich, inmitten der abgestorbenen Zellen, schuppenformig oder ringformig um den ganzen Stamm ausbilden und gibt den Rinden dadurch ihre charakteristische Struktur. Eine Ringborke bildet zum Beispiel die Sicheltanne (Cryptomeriajaponica),eine Schuppenborke die Eiche (Quercus robur) oder die l r c h e (Lark decidua). Den AuBenbereich der Rinde nennt man die Borke eines Baumes. Sie ist ein AbschluBgewebe, das abgestorbene Zellen anreichert. Bevor sie absterben, wird in ihnen noch Suberin abgelagert, was sie weitgehend wasserundurchlassig macht. Auf diese Weise wird die Borke dicker und dicker, bis nattirliche Abloseprozesse die Dicke limitieren. Den Gasaustausch durch die Rinde hindurch ermoglichen die sogenannten Lentizellen. Sie entstehen aus dem Korkkambium, das locker liegende Fiillzellen erzeugt, welche zu gasdurchlassigen porosen Kanalen fiihren.

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4 Verpacktes Leben - Verpackungsbeispiele aus der Natur

Urn Verpackungseigenschaften von Rinden zu erkennen, braucht man nur an den Kork der Korkeiche zu denken, der sich bei dieser Pflanze recht leicht vorn Bast ablosen laBt. Kork hat ein sehr geringes spezifisches Gewicht von nur ca o,z g/cm3, hohe Elastizitat, gute Druck- und Biegefestigkeit und wegen der eingeschlossenen Luftraume ein sehr geringes Warm