 Saugen ohne Boxen-Stopp
Der Neuling setzt nicht auf Kilowatt-Stärke. Mit einfachen aber wirkungsvollen technischen Neuerungen will ein an der TU Darmstadt entwickelter Staubsauger die Konkurrenz ausstechen.
Von Christian Meier
Der Startschuss zum entscheidenden Lauf fällt wenige Tage später auf dem internationalen Symposium „Umweltgerechte Produktentwicklung: Methoden und Werkzeuge“ in Darmstadt. Dort soll der Prototyp erstmals dem Fachpublikum vorgeführt werden. Bis dahin ist noch viel zu tun: Ingenieur-Studenten nehmen die Feinjustierung vor und prüfen den Prototypen auf Herz und Nieren. Der steht auf einer schlichten Werkbank inmitten eines Gewirrs aus Kabeln und Kunststoffröhren, die sein Innenleben mit Messgeräten verbinden. Er erinnert eher an eine Kaffeemaschine als an einen umweltgerechten Staubsauger (siehe Abbildung).
„Wir wollten mit diesem Design nach außen sichtbar machen, dass der Staubsauger einen innovativen technischen Kern in sich birgt“, erklärt Christof Oberender, Maschinenbauingenieur am Fachgebiet Produktentwicklung und Maschinenelemente (pmd) der Technischen Universität Darmstadt (TUD).
Die Oberfläche des grauen Kunststoff-Doppel-Zylinders zeigt Schleifspuren. Eine rote Edding-Spur zeichnet die Umrisse der Lüftungsschlitze nach, die noch gefräst werden müssen. Die Abdeckung des Gehäuses liegt neben dem Staubsauger und gibt den Blick auf sein Inneres frei. Ein flacher Zylinder von etwa fünf Zentimeter Durchmesser ist sichtbar. Daneben ein Gebilde aus Metall, das an eine übergroße Filmdose erinnert. „Das sind der Luftdrucksensor und die Kassette für das Feinstaubfilterband“, erklärt Matthias Hilpert, der eine Studienarbeit im Fach Produktentwicklung am pmd anfertigt. „Wir haben die Einzelteile in Versuchsaufbauten getestet. Jetzt werden sie zum ersten Mal in Interaktion geprüft“. Die Studenten sind gespannt, ob der Drucksensor und der Transportmechanismus für das Filterband richtig zusammenarbeiten werden.
Eine weitere entscheidende Frage ist noch offen: Wie groß ist der Wirkungsgrad, also das Verhältnis zwischen der Saugleistung an der Düse und der Leistung des Gebläsemotors? „Wir haben im Moment kein Gerät zur Messung der Luftströmungsgeschwindigkeit“, sagt Andrej Vonberg, ebenfalls Studienarbeiter am pmd, „aber wir sind am Organisieren.“
Das pmd ist ein Baustein des Sonderforschungsbereichs (SFB) 392 „Entwicklung umweltgerechter Produkte – Methoden, Arbeitsmittel, Instrumente“. Sieben Institute und Fachgebiete der TUD und das Deutsche Kunststoff-Institut sind beteiligt. Das Spektrum der Wissenschaftler reicht vom Maschinenbauingenieur über den Wirtschaftsingenieur bis zum Marktpsychologen. Ihr Ziel: Entwickler in die Lage zu versetzen, Produkte ökologisch, wirtschaftlich und technisch zu optimieren. Die Darmstädter werben für eine „ganzheitliche“ Produktentwicklung: Sie stellen Umweltwissen sowie Methoden zu dessen Erhebung für den gesamten Lebensweg von Produkten bereit. Von der Werkstoffherstellung über Produktion und Nutzung bis zur Entsorgung. Der Entwickler soll bereits während Planung und Entwurf besonders umweltbelastende Prozesse oder Werkstoffe erkennen und dieses Wissen in seiner weiteren Produktentwicklung berücksichtigen.
Wer zum Beispiel eine Handwerkerbohrmaschine möglichst umweltfreundlich herstellen möchte, wird zunächst nicht auf die Idee kommen, das Getriebegehäuse aus Aluminium zu fertigen, statt aus Stahl. Aluminium ist nur unter hohem Energieaufwand zu gewinnen. Entwirft der Entwickler jedoch ein Szenario, das auch die Nutzungsphase des Gerätes berücksichtigt, spielt die Gewichteinsparung durch das Aluminium eine wesentliche Rolle: Sie bedeutet weniger Treibstoffverbrauch beim Transport der Maschine im Werkstattwagen.
Die Methoden des SFB erlauben, verschiedenste Nutzungsprozesse zu berücksichtigen. Diese umfassen auch umweltschädliche Anwendungsfehler: Der unwissende Single, zum Beispiel, wählt oft nicht das angemessene Waschprogramm. Der Eilige wirft die Kühlschranktür zu, so dass diese nicht einrastet und stundenlang offen steht. Durch technische Neuerungen sollen Geräte so gestaltet werden, dass sie weitgehend unabhängig vom Verhalten des Nutzers arbeiten oder ihm sein Fehlverhalten rückmelden. Die Kühlschranktür, die summt, wenn sie längere Zeit offen steht, gibt es schon. In den vielfältigen Nutzungsprozessen moderner Geräte lauern jedoch Tücken, die weniger offensichtlich sind. Die Methoden aus Darmstadt sollen sie systematisch aufspüren.
Dem Erfindergeist der Techniker, Produkte umweltgerecht zu gestalten sind kaum Grenzen gesetzt. Die schwierigste Hürde für jedes Öko-Erzeugnis ist vielmehr die Ladentheke. „Die Kunden sind zwar bereit, für umweltgerechte Produkte 12 bis 15 % mehr auszugeben“, betont Kerstin Haury, Marktpsychologin der am SFB beteiligten „Arbeitsgruppe Arbeits-, Betriebs- und Organisationspsychologie (ABO)“ an der TUD. „Aber sie müssen erkennen können, worin der Öko-Nutzen des Produktes besteht. Die Bezeichnung ‚Öko’ allein, etwa für einen energieeffizient hergestellten Staubsauger, reicht nicht“. Und: „Dem Käufer leuchten vor allem solche Umweltaspekte ein, die ihm einen persönlichen Nutzen bringen.“
Haury hält daher die Zusammenarbeit von Technikern und Marktforschern für entscheidend: „Bereits während der Produktentwicklung sollte man klären, wie mögliche technische Neuerungen beim Kunden ankommen. Das erleichtert hinterher die Vermarktung.“
Was selbstverständlich klingt, wird von Firmen nur selten beherzigt: „Weniger als ein Prozent der mittelständischen Unternehmen betreiben Marktforschung, wenn sie die ökologische Qualität ihrer Produkte verbessern und das in Werbung herausstellen wollen“, weiß Stephan Götze, Chef der Heidelberger Agentur für ökologische Marktforschung.
Dabei biete schon eine kleine Umfrage unter Kollegen mehr Orientierungshilfe und Information darüber, was Kunden wollten, als die subjektiven Annahmen der technischen Experten, erklärt Haury. „Schon bei 20 bis 30 Befragten werden - verglichen mit einer breiter fundierten Umfrage - 70-80% der Eigenschaften genannt, die von einem neuen Produkt erwartet werden. Das ist für Unternehmen ein gangbarer Weg.“
In einer Umfrage fanden die ABO-Psychologen, dass noch vor dem Preis die Saugleistung der entscheidendste Faktor beim Kauf eines Staubsaugers ist. Eine Untersuchung umweltschädlicher Anwendungsfehler am pmd ergab zudem, dass die Staubbeutel zu selten gewechselt werden. Das hat merkliche Folgen: Die Saugleistung an der Düse nimmt bei halb gefüllten Beutel nach Messungen des pmd um 50% ab. Den Nutzern ist dieser Zusammenhang meist nicht bewusst, also erhöhen sie die Leistungsstufe des Gerätes und verbrauchen mehr Energie. Dieser Mangel an Aufklärung lässt die Wattzahlen in den Staubsaugerabteilungen der Elektromärkte klettern. Viel, denkt der Kunde, hilft viel.
Untersuchungen am pmd zeigten, dass der Energieverbrauch von Staubsaugern für mehr als 70% der Umweltbelastungen über ihren gesamten Lebensweg verantwortlich ist. Am Widerspruch zwischen dem Kundenbedürfnis „konstant hohe Saugleistung“ und dem ökologisch erwünschten niedrigen Energieverbrauch, setzten die Ingenieure an. Es galt, ein wartungsfreies Gerät mit möglichst konstanter Saugleistung zu konzipieren. Wartungsfrei heißt in diesem Zusammenhang, dass kein Wechsel von Filtermaterial während der Lebensdauer des Saugers nötig ist, das Gerät also unabhängig vom Nutzerverhalten arbeitet. Es würde mit etwa 900 - 1100 Watt auskommen, um die erforderlichen 220 Watt Saugleistung an der Düse bereitzustellen.
Eine Idee, die der britische Erfinder James Dyson 1978 teilweise umsetzte. Er entwickelte den so genannten Zyklon-Staubsauger, der längst in deutschen Elektromärkten angeboten wird: Die verschmutzte Luft wird durch einen Kunststoffzylinder geleitet, in dessen Innern ein kleiner Wirbelsturm (Zyklon) herrscht, der Fliehkräfte bis zum 200.000-fachen der Erdanziehungskraft erzeugt. Staub wird an die Behälterwände gedrückt und durch Reibungskräfte vom Luftstrom getrennt. Der Nutzer spart sich teure Staubbeutel. Doch ohne Feinstaubfilter, wie er in jedem Staubsauger zu finden ist, kommt auch der „Dyson“ nicht aus.
Zwar ist dieser Filter waschbar und muss nicht nachgekauft werden. Doch wie viele Nutzer waschen ihn wirklich regelmäßig? Befragungen der Arbeitsgruppe ABO zur Nutzung unterschiedlicher Produkte ergaben jedenfalls, dass vier Fünftel der Befragten ihre Geräte passiv warten, d.h. erst wenn sichtbare Störungen im Betrieb auftreten: Zum Beispiel wird die Bürste eines Staubsaugers oft erst dann von Haaren befreit, wenn diese deutlich sichtbar unter der Bürste hervorstehen. Salz und Klarspüler einer Spülmaschine werden häufig erst nachgefüllt, wenn auf dem Geschirr sichtbare Rückstände bleiben.
Die Verschmutzung des Feinstaubfilters behindert den Luftstrom, was die Saugleistung vermindert. pmd-Messungen an einem Zyklon-Staubsauger zufolge nach sechs Monaten um 15%. Die Ingenieure entschlossen sich, das Dyson-Prinzip um eine völlig neue Komponente zu erweitern. Die Idee: Dem Zyklon-Filter ein Feinfilterband nachzuschalten, das abhängig vom Verschmutzungsgrad nach etwa 1000 m2 gesaugter Fläche - wie ein Fotofilm nach Drücken des Auslösers - automatisch weitertransportiert wird. Das Filterband soll dabei von einer vorgespannten Spiralfeder angetrieben werden. Seine Länge soll auf die Lebensdauer des Gerätes ausgelegt und für Ausnahmefälle auswechselbar sein.
Ein mechanischer Sensor ermittelt die - mit der Verschmutzung durch Feinstaub steigende - Luftdruckdifferenz vor und hinter dem Band und gibt bei einem bestimmten Wert das Signal zum Weitertransport. Hier lauerte eine Herausforderung für die Ingenieure: Das Signal erfolgt während des Saugens. Im Betrieb kann, so stellte sich in ersten Versuchen heraus, das Band jedoch nicht weitergespult werden, da es der Unterdruck an die Wand der Band-Kassette drückt. Die Darmstädter entwarfen einen mechanischen Merkmechanismus, der das Signal bis zum Ausschalten speichert und das Band dann zum Weitertransport freigibt. „Darauf sind wir stolz“, gesteht Oberender.
In der Werkstatt des pmd sind Hilpert und Vonberg zufrieden. Sie haben den Prototypen rechtzeitig vor dem Symposium zum Laufen gebracht. Der Weitertransport des Filterbandes funktioniert. Sie konnten die Luftströmungsgeschwindigkeit messen und somit den Wirkungsgrad bestimmen: Bei einer Leistung des Gebläsemotors von 998 Watt ergibt sich eine Saugleistung von 223 Watt. Das ergibt einen Wirkungsgrad, der leicht über dem Durchschnitt moderner Sauger bei leerem Staubbeutel liegt.
Im Schnitt, so eine Datenerhebung des pmd, läuft jeder Staubsauger 45,45 Stunden pro Jahr. Bei einem Strompreis von 17 Cent pro Kilowattstunde ergeben sich die jährlichen Energiekosten für den Prototyp zu 7 Euro 70 und die eines Durchschnitts-Saugers (1600 Watt) zu 12 Euro 40. Also eine Ersparnis von 38 Prozent. Für den Verbraucher entscheidend dürfte jedoch die Ersparnis beim Filtermaterial sein: Legt man eine Lebensdauer von acht Jahren zu Grunde liegt sie bei etwa 300 €.
Diese nackten Zahlen verkaufen sich jedoch nicht ohne Marktpsychologie: „Um die ökologische und gleichzeitig Geld sparende Optimierung des Staubsaugers bei der Vermarktung des Geräts nutzen zu können, muss man die Kunden entsprechend darüber informieren und ihnen die neuartigen Effekte erklären“, betont Kerstin Haury.
„Wenn man die Vorteile für den Nutzer in gebündelter Form, etwa durch Schlagworte wie ‚Konstant hohe Saugleistung’ kommuniziert, könnte der Markt ein solches Produkt durchaus akzeptieren“, meint Peter Adelt, Vorstandsmitglied des Kölner Marktforschungs- und Beratungsinstituts psychonomics. Auf technische Details, so der Marketing-Profi, sollte man nur in der Gebrauchsanleitung eingehen. „Auf der Verpackung oder in Werbespots sollte die Technik nur in sehr einfacher und verständlicher Form dargestellt werden, möglichst unterstützt durch Grafiken oder Animation.“
Öko-Marktforscher Götze ist skeptischer: „Erfahrungsgemäß sind solche Innovationen schwer zu kommunizieren“.
Der Zyklon-Staubsauger von Dyson jedenfalls ist in seinem Preissegment Marktführer in Deutschland.
Im ersten Rennen konnte der Prototyp überzeugen. Er entfernte den weißen Prüfstaub unter den kritischen Augen der Symposiumsbesucher eindrucksvoll vom dunklen Prüfteppich. Doch wird er das zweite schikanenreichere Rennen „Markteinführung“ überstehen? Die Staubsaugerhersteller haben das Problem „nachlassende Saugleistung“ erkannt und nachgerüstet: Der fünfschichtige Staubbeutel eines Herstellers soll eine „länger anhaltende hohe Saugleistung“ gewährleisten, verspricht der Packungsaufdruck. Die erste Schicht filtert die gröbsten Staubkörner während die nächsten Schichten immer feinere Staubkörner heraussieben. So wird erreicht, dass die einzelnen Schichten nicht so schnell verstopfen.
Die Zyklon-Technik wartet inzwischen mit einem zweistufigen Verfahren auf: Ein „äußerer Zyklon“ filtert die groben Staubkörner und mehrere kleine „innere Zyklone“, in denen noch größere Zentrifugalkräfte wirken, sollen kleinste Staubpartikel aus der Luft schleudern. Wartungsfrei sind diese Lösungen nicht. Sie kommen aber dem nachlässigen Nutzer entgegen. Gibt es also noch ein Marktsegment für den wartungsfreien Sauger? pmd-Mitarbeiter Jan Großmann ist optimistisch: „Mit diesem Design-Prototypen haben wir beste Chancen, einen Hersteller zu finden.“ Falls es kein bestehendes Marktsegment für den Sauger gäbe, meint der Wirtschaftsingenieur, könne ein Neues geschaffen werden.
Keine technische Idee ist an ein bestimmtes Produkt gebunden. James Dyson ließ sich in einem Sägewerk inspirieren, wo Zyklone Staub von Luft trennten. Die Filterbandkasette mit ihrem mechanischen Transportmechanismus aus Darmstadt findet möglicherweise ihren Weg in eine völlig andere Anwendung.
 Dr. Christian Meier
ist Physiker und arbeitet freiberuflich als Wissenschaftsjournalist und Wissenschafts-Lektor. 
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