Das Helmholtz-Zentrum Hereon und Partner aus drei Universitäten haben eine Variante von Polystyrol entwickelt, die zum Teil auf nachwachsenden Rohstoffen basiert, weniger Energie in der Herstellung benötigt und sich am Ende der Nutzung abbauen lässt. Bisher stammt der weltweit in großen Mengen eingesetzte Kunststoff überwiegend aus fossilen Quellen und wird nur selten wiederverwertet.
Dafür kombinierte das Team einen durch Fermentation gewonnenen Rohstoff, Mikrowellen als Wärmequelle und Sollbruchstellen im Polymernetzwerk. In ersten Versuchen ließ sich das Material bereits im Spritzguss verarbeiten.
Zucker als Rohstoffquelle und Mikrowellen als Wärmequelle
Für ein nachhaltigeres Polystyrol hat das Team sowohl die Rohstoffbasis als auch die Wärmezufuhr bei der Synthese verändert. Die Arbeiten leitete das Helmholtz-Zentrum Hereon, beteiligt waren die Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg (BTU), die Freie Universität Berlin und die Helmut-Schmidt-Universität Hamburg.
Der Kunststoff steckt in Schutzverpackungen für Fernseher und Elektrogeräte, in Zier- und Sockelleisten für den Innenausbau und in Petrischalen, jährlich werden weltweit knapp 20 Millionen Tonnen davon produziert. Die Herstellung basiert überwiegend auf Rohöl und benötigt viel Energie. Recycelt wird das Material kaum, fabrikneue Ware ist preiswerter. Gebrauchte Produkte werden meist verbrannt oder deponiert, in der Natur baut sich der Werkstoff wie andere Kunststoffe kaum ab.
Handelsübliches Polystyrol entsteht, indem Styrol-Moleküle in einem aufgeheizten Behälter miteinander zu einer stabilen Kette reagieren. Diese Moleküle ergänzte das Team um Itaconsäureanhydrid, eine Verbindung, die sich durch Fermentation aus pflanzlichen Kohlenhydraten wie Zucker herstellen lässt. Im fertigen Material macht dieser biobasierte Rohstoff rund 50 Prozent aus.
Für die Wärmezufuhr nutzten die Forscher statt beheizter Reaktionsgefäße Mikrowellenstrahlung, wodurch der Herstellungsprozess energieeffizienter wird. Phannaro Nhem, Doktorand am Helmholtz-Zentrum Hereon, vergleicht das Prinzip mit dem Alltag: „Das ist wie in der heimischen Küche. Essen auf dem Herd warm zu machen, dauert lange und verbraucht viel Energie. Die Mikrowellen sind schneller.“
Prof. Francesca Toma, Leiterin des Hereon-Instituts für Funktionale Materialien für Nachhaltigkeit, bei der Nhem promoviert, ordnet die Methode ein: „Bislang hat sich die Mikrowellentechnologie in der Polymersynthese noch nicht breit durchgesetzt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass sie sich als energieeffizientere Alternative für gesteuerte Polymerisationsprozesse etablieren könnte.“
Sollbruchstellen machen den Kunststoff chemisch zerlegbar
Die Abbaubarkeit beruht auf einem weiteren Monomer, der Verbindung dibenzo[c,e]oxepane-5-thione (DOT), über die Thioestergruppen in das Material eingebaut werden. Im Polymernetzwerk wirken diese Gruppen als gezielt gesetzte Sollbruchstellen, an denen sich der Kunststoff später chemisch in kleinere Fragmente zerlegen lässt.
„Anders als herkömmliches Polystyrol zerfällt unsere Variante dadurch in kleine Bruchstücke“, sagt Nhem. Nhem zufolge können auch Bakterien diese Fragmente verarbeiten, ein klassisches, fest geknüpftes Material dagegen nicht.
Toma verweist auf das zugrunde liegende Entwicklungsprinzip: „Das neue Polymer ist nach dem Prinzip des Design-for-Degradation entwickelt worden, dem kontrollierten Abbau am Ende seiner Lebenszeit. Damit eröffnet es dem Werkstoff Polystyrol einen Weg hin zu geschlossenen Materialkreisläufen und in die Kreislaufwirtschaft.“
Erste Mini-Petrischalen aus dem neuen Polystyrol
Für die Verarbeitungsversuche nutzte das Team eine Laboranlage für den Spritzguss, auf der zunächst Mini-Petrischalen in der Größe einer 1-Euro-Münze entstanden. Die Schalen weisen die benötigte Qualität auf, perspektivisch sind darüber hinaus viele weitere Anwendungen denkbar.
Erste Untersuchungen mit menschlichen Stammzellen deuten zudem auf eine gute biologische Verträglichkeit des Materials hin. Für Zellkulturen könnte es sich damit ebenso eignen wie kommerziell verfügbares Polystyrol.
Originalpublikation: Nhem, P., Balk, M., Zhou, Y., Alkhamis, H., Wang, W., Schroeter, M., Emmler, T., Khani, N., Ritschel, A., Schwanz, S., Lettau, O., Ma, N., Polak-Kraśna, K., Gossen, M., Neffe, A., Toma, F.M. (2026). Microwave-assisted polymerization of degradable polystyrene copolymers toward circular single-use plastic. Chem Circularity 1, 100163. https://doi.org/10.1016/j.checir.2026.100163
