Staunen, was die
Zukunft bringt

Beiträge der Technik zu einer nachhaltigen Entwicklung

Zukunft und Technik
Produktion
Mobilität
Bauen und Wohnen
Biotechnologie
 

Heft 3/2003 
Hrsg.: LpB

Inhaltsverzeichnis

Produktion

In der industriellen wie in der landwirtschaftlichen Produktion werden in jüngster Zeit die Anstrengungen intensiviert, um den von Harald Hiessl formulierten Leitbildern für nachhaltiges Wirtschaften gerecht zu werden (Harald Hiessl: Technologie und Nachhaltigkeit; in: Ausstellungsführer Erde 2.0, Stuttgart 2002). Viele Arbeitsweisen, Herstellungsverfahren und Erzeugnisse haben sich so grundlegend geändert.

In der industriellen Produktion übernehmen sensorisch gesteuerte Maschinen und Roboter Routineabläufe und führen Fertigungsprozesse eigenständig aus. Virtuelle Techniken ermöglichen vorausschauende Planungen und ebenso eine rechtzeitige Abschätzung möglicher Folgen. Die neuen technologischen Verfahren unterstützen das Ziel, ökonomisch mit Rohstoffen, Werkstoffen, Energie und Zeit umzugehen. Wichtige Motoren für den technischen Fortschritt und die damit einhergehende Veränderung der Arbeitswelt sind die Mikroelektronik und die Mikrosystemtechnik. Die Integration von Sensoren und Aktoren auf einem Chip ermöglicht auch im Miniaturbereich die kostengünstige Automatisierung zahlreicher Arbeitsschritte.

Von der landwirtschaftlichen Produktion wird gefordert, dass sie dazu beiträgt, unsere Lebenswelt ökologisch intakt zu halten und gleichzeitig die Welternährung jetzt und für die Zukunft zu sichern. Nachhaltig produzieren in der Landwirtschaft bedeutet: Belastungen von Boden, Wasser, Luft, Pflanzen und Tieren weitestgehend zu vermeiden, nicht erneuerbare Rohstoffe zu schonen und Produkte möglichst rückstandsfrei zu erzeugen. Um sowohl diesen ökologischen Anforderungen gerecht zu werden und gleichzeitig ökonomisch zu wirtschaften, muss sich die Agrartechnik verändern. Voraussetzung dafür ist der Einsatz moderner Maschinen-, Informations- und Automatisierungstechniken.

1. Industrieproduktion

Mit der Zeitleiste B 1 werden einführend einige der wichtigsten technologischen Entwicklungen der letzten fünf Jahrzehnte aufgegriffen und präsentiert. Die Fotos zur Automobilherstellung (B 2) lassen die gewandelten Produktions- und Arbeitsbedingungen deutlich werden. Industrieroboter werden seit Anfang der siebziger Jahre genutzt. Die Automatisierung, und speziell die Robotertechnik, tragen zu den unterschiedlichen Facetten des Leitbildes der Nachhaltigkeit bei: Sie sorgen für Umweltschutz durch Ressourcenschonung (Ökologie); sie ermöglichen kostengünstige Produkte und Sicherung der internationalen Wettbewerbsfähigkeit durch die Steigerung der Produktivität (Ökonomie) und sie tragen bei zur Humanisierung der Arbeitswelt (Soziales). Industrieroboter nehmen den Menschen gleichförmige, schwere und wenig anspruchsvolle Routinearbeit ab und bieten im Gegenzug hochwertige Arbeitsplätze für Bau, Wartung und Instandhaltung von Robotern.

Neben dem klassischen Industrieroboter gibt es eine Vielzahl von Weiterentwicklungen (B 4), die den Einsatz von Robotern in unterschiedlichsten Bereichen ermöglichen, zum Beispiel:

• Entsorgung und Entschärfung gefährlicher Stoffe oder Waffensysteme durch rollende Roboter mit Greifarmen,

• Erkundungsaufgaben im Katastrophenschutz,

• Erkundungs- und Reparaturaufgaben unter Wasser,

• Reinigungsarbeiten an Gebäuden oder der Außenhaut von Flugzeugen,

• Reinigungsarbeiten in Unternehmen und öffentlichen Einrichtungen.

Die künstliche Hand (B 3) ist ein Beispiel für neuartige, pneumatische Mikro-Aktoren, die auf dem Funktionsprinzip der Fluid-Aktorik basieren. Die Antriebselemente werden mit Druckluft oder einer Flüssigkeit befüllt und können präzise gesteuert werden. Anders als bei mechanischen Antrieben ist bei großer Kraftentfaltung eine vollständig ruckfreie Bewegung möglich, die Hindernissen zerstörungsfrei ausweicht. Die Antriebselemente der künstlichen Hand finden Anwendung, wenn es darauf ankommt, eine Kraft "sanft" auszuüben. Der Robotereinsatz wird sicherer und aufgrund fehlender elektrischer Antriebselemente auch in explosionsgefährdeten Bereichen möglich. Das geringe Baugewicht der Adoktoren reduziert das Gesamtgewicht der Roboter, spart damit Energie und trägt auf diese Weise zur Nachhaltigkeit bei. Die neue Technologie ist Voraussetzung für neuartige Inspektions- und Serviceroboter für bislang nicht automatisierbare Aufgaben.

Allerdings hat die erreichte Mechanisierung der Produktion insgesamt den Bedarf an Arbeitskräften abnehmen lassen - ein Problem, auf das Politik, Industrie und Gewerkschaften noch immer keine Antwort gefunden haben und das im Unterrichtsverlauf vertiefend erörtert werden kann. Dazu kann die Karikatur B 5 herangezogen werden.

Das Foto B 6 zeigt, wie innovative Techniken Gesundheitsschädigungen durch Einatmung giftiger Ruß- und Staubpartikel minimieren. Die Schüler und Schülerinnen können darin eine Entwicklung erkennen, bei der nachhaltiges Produzieren durch politisches Handeln (zum Beispiel EU-Richtlinien) befördert werden kann.

Eine zukunftsweisende und nachhaltige Technologie der Kreislaufwirtschaft stellt das PET-Kreislaufsystem dar (B 7). In einem mehrstufigen Verwertungsprozess entsteht aus gebrauchten, klaren PET-Flaschen ein hochreines Mahlgut, das sich zur Herstellung neuer PET-Getränkeflaschen eignet. Mit diesem Verfahren können erstmals bis zu 80 Prozent Recyclingmaterial für die Produktion von PET-Getränkeflaschen eingesetzt werden. Das Verfahren vermeidet das so genannte Down-Cycling, also die Verschlechterung der Rohstoffqualität durch das Recycling. Das Verfahren ist ein bemerkenswertes Beispiel für die Steigerung der Wiederverwertung von Produkten und trägt damit wirksam zur Umweltentlastung bei.

"Bionik" ist ein moderner Begriff für eine alte Wissenschaft. Er beschreibt das Abschauen von Ideen aus der belebten Natur, um die daraus folgenden Erkenntnisse für technologische Entwicklungen nutzbar zu machen. Bionik ist eine Wortkombination aus Biologie und Technik. B 9 stellt eines von vielen Beispielen vor: einen Roboter, der ebenerdig laufen, Hindernisse überwinden und selbst spiegelglatte Wände hochgehen kann. Vorbild dieses Kletterroboters ist der in warmen Gebieten der Erde lebende Gecko. Der von seinen Entwicklern "Robug II" genannte Roboter ist kräftig genug, neben seinem Eigengewicht von zirka zwölf Kilogramm noch eine ebenso schwere Nutzlast eine senkrechte Wand hochzuschleppen. Beim Klettern prüft er zunächst, ob die Haftung des vorgezogenen Beines auch ausreichend ist. Erst dann zieht er das nächste Bein nach. "Robug II" wurde entwickelt, um in schwer zugänglichen Kesselanlagen oder im kontaminierten Bereich von Kernkraftanlagen Inspektionsarbeiten vorzunehmen.

Die Bionik gilt als Wachstumsbranche mit einem großen wirtschaftlichen Potenzial. Für die Schüler und Schülerinnen könnte es eine reizvolle Aufgabe sein, weitere Beispiele von Bionik-Projekten aus der Vergangenheit und Gegenwart zu sammeln (Literatur, Internet) und zu erörtern.

Als eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts gilt die Nanotechnik (B 8). Die Miniaturisierung technischer Systeme und die Möglichkeiten ihrer Ausstattung mit "Künstlicher Intelligenz" (KI) schreiten mit großer Geschwindigkeit voran. So rückt die Schaffung völlig neuer, für das bloße Auge unsichtbarer Welten in greifbare Nähe. Die industrielle Anwendung und die Synergien zwischen Informations-, Bio- und Nanotechnik versprechen nicht nur gewaltige technologische Fortschritte für das Leben der Menschheit. Die Nanotechnologie kann aufgrund ihrer Möglichkeiten bei unkontrollierter Erforschung und Nutzung auch ein Gefährdungspotenzial für die Menschheit darstellen.

2. Landwirtschaftliche Produktion

Die Fotos B 10 stellen einen ersten Bezug zu der Thematik dieses Abschnittes her. Sie machen den Wandel der Agrartechniken innerhalb von wenigen Jahrzehnten deutlich und führen zu der Frage nach aktuellen und nach möglichen zukünftigen Entwicklungen.

Aus der Wochenzeitung "Die Zeit"

Die Weltbevölkerung wird nach aktuellen Schätzungen von heute knapp sechs Milliarden bis zum Jahre 2020 auf über acht Milliarden Menschen anwachsen. Der jährliche Zuwachs entspricht in etwa der Bevölkerung Deutschlands. In dem Maße, wie die Weltbevölkerung zunimmt und parallel dazu die Ernährungsansprüche steigen, muss auch die Nahrungsmittelproduktion erhöht werden. Diese Herausforderung kann anhand der Grafik B 16 erörtert werden. Dabei soll deutlich werden, dass die Landwirtschaft überall dort weiterentwickelt werden muss, wo dies ökonomisch und ökologisch sinnvoll ist. Bewährte traditionelle Methoden müssen sich mit modernen Verfahren zu angepassten Lösungen verbinden, wobei die Anwendung umweltschonender und nachhaltiger Produktionstechniken oberste Priorität hat. Die Schaubilder B 11 und B 12 belegen, dass immer weniger in der Landwirtschaft Tätige auf einer immer größeren Ackerfläche, die sie zu bewirtschaften haben, die Nahrungsmittel für immer mehr Menschen produzieren. Deshalb müssen auch immer mehr moderne technologische Hilfen eingesetzt werden. Dazu gehört auch der Einsatz von Computer-Programmen, die den Landwirt bei der Datenerfassung, Analyse und Auswertung unterstützen (B 13). Neue Entwicklungen im Bereich der Mess- und Sensortechnik ermöglichen heute die direkte Messung von weiteren, für eine Präzisionslandwirtschaft wichtigen Parametern vor Ort auf dem Acker. Damit können sowohl Saatgut wie auch Pflanzenschutz- und Düngemittel zielgerichtet und bedarfsgerecht ausgebracht werden, was maßgeblich zur Schonung der Umwelt (zum Beispiel der Nitrat-Belastung des Grundwassers) beitragen kann. Die Agro-Management-Systeme stellen dem Landwirt diese umfassenden Informationen nicht nur zeitnah, sondern bei Bedarf auch online auf dem Acker zur Verfügung. Sie eröffnen die Möglichkeit, die ökonomische wie auch die ökologische Effizienz, also die Öko-Effizienz, in der Landwirtschaft deutlich zu steigern und tragen somit zu einer nachhaltigen Landwirtschaft bei.

Moderne Landwirte setzen Pflanzenschutzmittel und mineralische Dünger nach den Regeln des "Integrierten Pflanzenbaus" gezielt ein (B 15). Integrierter Pflanzenbau bedeutet: den Pflanzen ideale Bedingungen schaffen, die Wahl der zu Boden und Klima passenden Sorten, gute Bodenpflege und sorgfältig dosierte Düngung. Naturgegebene Möglichkeiten werden zur Unkraut- und Schädlingsbekämpfung eingesetzt. Der Einsatz chemischer Mittel kommt erst dann in Frage, wenn andere Mittel und Maßnahmen versagen. Der politische Wille zum nachhaltigen Wirtschaften und neue, moderne Technologien haben in der unmittelbaren Vergangenheit und Gegenwart zu einer zunehmenden Nutzung "nachwachsender" Rohstoffe geführt (B 14). Diese die Umwelt schonenden Produkte sind in einen natürlichen Energiekreislauf eingebunden. Sie sind klimafreundlich und werden rasch und vollständig biologisch abgebaut. Die Beispiele B 17 und B 18 erläutern zwei verschiedene Nutzungen nachwachsender Rohstoffe.

Texte und Materialien
BAUSTEIN B Produktion

B 1 bis B 9 Industrieproduktion
B 10 bis B 18 Landwirtschaftliche Produktion