Materialforschung 
Statt Beton: Wie man mit Pflanzen baut
Dass man mit Hopfen Bier braut, hat Tradition. Dass die krautige Kletterpflanze auch als Baustoff taugt, war zunächst ein Scherz. Die Idee kam zwei Münchner Studenten beim Bier im Wohnheim. Aus dem Scherz wurde Hopfon, ein Start-up der Technischen Universität München, das noch in diesem Jahr als erstes Hopfenprodukt Akustik-Dämmplatten auf den Markt bringen will.
Dass sich Hopfen als Baumaterial eignet, liegt vor allem an seiner faserigen Struktur und der hohen Zugfestigkeit. Hinzu kommt der holzige Kern der Pflanze, die Schäbe, die aus Hopfen gefertigten Materialien ausreichend Druckstabilität gibt.
Auf künstliche Zusatzstoffe will das Münchner Start-up verzichten; man hat das Ziel, kreislauffähige Materialien zu produzieren, die sich am Ende ihrer Lebenszeit problemlos in ihre Bestandteile zerlegen und als Ausgangsstoff für neue Produkte verwenden lassen. Zudem sind die Transportwege kurz und der Rohstoff-Nachschub ist garantiert, denn die Hallertau vor den Toren Münchens ist das größte Hopfenanbaugebiet der Welt. Von der Ernte werden nur 20 Prozent zum Bierbrauen benötigt, der Rest ist Abfall oder eben Rohstoff.
Die Gründung von Hopfon fällt in eine Zeit, in der Forscher und Entwickler im großen Stil nach Alternativen zu herkömmlichen Baustoffen suchen. Denn schon allein mit ihrem Universal-Baustoff Beton gehört die Baubranche zu den größten Umweltsündern überhaupt. Was fehlt, sind nachwachsende und wiederverwendbare Alternativen.
Holz hat keine so gute Umweltbilanz
Zwar hat sich Holz im Gebäudesektor eine langsam wachsende Nische erkämpft, das war es im Wesentlichen aber auch schon. Holz hat zudem als Baustoff im Vergleich zu Hanf, Flachs oder Stroh eine schlechtere Umweltbilanz, denn es wächst zwar nach, das aber nur sehr langsam, während Naturfasern im Jahresrhythmus geerntet werden.
Die Materialökologie, eine noch junge Disziplin, die Biologie, Energietechnik, Bauingenieurwesen und Materialwissenschaften vereint und mit digitalen Technologien wie dem 3D-Druck kombiniert, will das Bauen verändern und klimaneutrale und kreislauffähige Materialien entwickeln.
Beispielsweise pflanzenfaserverstärkten Beton. Normaler Beton steckt hohe Druckbelastungen problemlos weg, doch unter Zug reißt er schnell. Eingegossene Stahlmatten erhöhen deshalb seine Zugfestigkeit und machen Beton zu Stahlbeton. Als bessere Variante hat sich inzwischen jedoch Textilbeton etabliert, der Stahleinlagen durch Gewebe aus Glas- oder Carbonfasern ersetzt und wesentlich schlankere Konstruktionen erlaubt, was Material und Kosten spart. Doch die Herstellung dieser Gewebe ist energieaufwendig und verbraucht fossile Rohstoffe.
Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Holzforschung in Braunschweig experimentieren aus diesem Grund mit einem Textilgewebe aus Flachsfasern. Je nach Anforderung variiert die Gewebestruktur, die auf der institutseigenen Webmaschine aus Flachsgarn gewoben und mehrlagig in den Beton eingegossen wird.
Flachsbeton trägt gut
Die Steifigkeit des Gewebes ist einstellbar, sodass auch gekrümmte Formen wie Kuppeln oder gerundete Wandelemente möglich sind. Erste Tests attestieren Flachsbeton eine gute Tragfähigkeit. Das könnte den innovativen Baustoff für den Brückenbau prädestinieren.
Das in den USA ansässige Start-up Biomason hat sich für seinen Werkstoff Biolith von der Natur inspirieren lassen und für die Herstellung von Beton und Zement ein ganz neues Verfahren entwickelt, das die herkömmliche Methode auf den Kopf stellt. Statt Zement aus Kalkstein zu brennen, damit Sand und Kies zu binden und den entstandenen Beton aushärten zu lassen, setzt man recycelter Granitkörnung einen speziellen Bakterienstamm zu, der mit kalzium- und kohlenstoffhaltiger Nährlösung gefüttert wird. Binnen Tagen scheiden die Bakterien Calciumcarbonat aus, das auch Grundstoff für konventionellen Zement ist und die Granitkörnung zu festem Stein mit betonähnlichen Eigenschaften abbindet.
Biolith erreicht im Gegensatz zu herkömmlichem Beton, der erst nach 28 Tagen richtig fest wird, bereits nach drei Tagen seine volle Härte. Hinzu kommt: Biolith ist zu 100 Prozent recyclingfähig und der Klimagas-Ausstoß bei der Produktion beschränkt sich auf ein Minimum. Laut Biomason ist der Baustoff allen bautechnischen Anforderungen an Stabilität, Tragfähigkeit und Witterungsbeständigkeit gewachsen.
Einen ähnlichen Ansatz verfolgt Wil Srubar von der University of Colorado in Boulder. Für seinen „lebenden Beton“ setzt er auf Cyanobakterien, die sich mit Sonnenlicht und Kohlendioxid per Photosynthese vermehren. Die auch Blaualgen genannten Bakterien werden mit Sand, Gelatine und einer 40 Grad warmen Nährlösung in Formen gefüllt und scheiden bei ihrer Vermehrung Calciumkarbonat ab. Nach wenigen Tagen beginnen die Bakterien abzusterben, das Material härtet zu Stein aus.
Steine wachsen wieder zusammen
Weil jedoch ein Teil der Bakterien überlebt, kann aus Bruchstücken neues Material gezüchtet werden. Als Srubars Team einen Stein halbierte und die Hälften mit den Zutaten des Grundrezepts in zwei Formen gab, wuchsen die wieder zu vollständigen Steinen heran.
Im Gegensatz zu anorganischem Beton entzieht der Bakterienbeton bei der Herstellung der Atmosphäre sogar Kohlendioxid. Allerdings sei Bakterienbeton im Moment noch weniger belastbar als die meisten konventionellen Betonsorten, räumt Srubar ein. Als Straßenpflaster oder Fassadenmaterial könne man ihn aber uneingeschränkt nutzen. Es brauche noch Forschung.
Da ist die Architektin Hanaa Dahy weiter. Die assoziierte Professorin für nachhaltiges Design und integrierte Technologie an der Aalborg Universität Kopenhagen ist auf das Bauen mit biobasierten Materialien spezialisiert. Sie war an drei Fahrrad- und Fußgängerbrücken beteiligt, errichtet aus einem Verbundwerkstoff auf der Basis von Flachs. Eine steht in Almere in den Niederlanden, die zweite wird gerade im bayerischen Ulm errichtet. Die dritte Flachsbrücke, wieder in Holland geplant, soll noch in diesem Jahr fertiggestellt werden.
Für ihre Verbundmaterialien nutzt Hanaa Dahy Naturfasern wie Hanf, Flachs und Stroh, die ein pflanzenbasiertes Harz als Bindemittel fest umschließt und härtet. „Je nach Art der Faser und Polymerstruktur des Harzes kann man Baustoffe mit unterschiedlichsten Eigenschaften kreieren“, erläutert die Architektin.
Drei Stockwerke aus Naturfaser
Mit Bio-Verbundmaterialien ließen sich im Hochbau schon heute fast alle Einsatzbereiche abdecken, versichert die Forscherin. Sie seien geeignet als leichte Trennwände, frei stehende Wände und als Fassadenelemente. In wenigen Jahren werde die Technologie weit genug sein, um mit Naturfasern ein- bis dreistöckige Gebäude bauen zu können.
Beim Einsatz im Außenbereich gibt es allerdings noch Entwicklungsarbeit. Deshalb sind die Flachsbrücken mit Sensoren bestückt, die die Bauwerke systematisch in Echtzeit überwachen. Die Daten sollen vor allem Aufschluss über die Langlebigkeit und Witterungsbeständigkeit der eingesetzten Materialien geben.
Diesen Praxistest hat Bambus längst hinter sich. Die zu den Süßgräsern zählende, anspruchslose Pflanze hat als Baustoff in Afrika, Südamerika und vor allem Südostasien eine uralte Tradition. Die innen hohlen Stäbe sind ähnlich zugfest wie Stahl, aufgrund ihrer leichten, röhrenartigen Struktur jedoch wesentlich nachhaltiger zu transportieren. Zudem wächst Bambus etwa 15-mal schneller als ein Baum.
Auf der indonesischen Ferieninsel Bali wurde ein sechsstöckiges Wohnhaus nahezu vollständig aus Bambus erbaut. Im kanadischen British Columbia ist Vancouver Forest in Planung, ein 18-stöckiges Hochhaus mit 200 Wohnungen, das bis auf einen Betonkern für Aufzugsschacht und Feuertreppe aus Holz und Bambus errichtet werden soll.
Pilzwurzeln kombiniert mit Bambus
Zudem eignet sich Bambus für natürliche Verbundwerke. In Asien wird die Kombination von Biokunststoffen mit stabilisierenden Bambusfasern unter der Bezeichnung Wood-Plastic-Composites gehandelt. In Europa versucht man unter anderem, Bambus mit Pilzmyzel zu kombinieren, dem Wurzelgeflecht der Pilze.
2017 präsentierten Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der ETH Zürich auf einer Messe in Seoul eine selbsttragende, sich verästelnde Konstruktion, die aus einem Bambus-Myzel-Verbundwerkstoff gefertigt war, „Mycotree“ genannt. Die Fähigkeit seines Myzels, organisches Material durchwachsen und wie Kitt zu einer festen Struktur verbinden zu können, macht Pilze zu Hoffnungsträgern für das nachhaltige Bauen der Zukunft.
Füttert man Pilzfäden mit biologischen Reststoffen – etwa Stroh, Kaffeesatz, Sägemehl oder Getreidespelzen – und gibt man Wasser dazu, lässt sich die daraus entstehende schwammartige Masse in eine Form geben, wo sie weiterwächst. Anschließend härtet man die Formen im Ofen aus und erhält Werkstoffe mit hervorragenden physikalischen Eigenschaften, die eines Tages konventionelle Baumaterialien wie Dämmmatten, Leichtbauplatten oder Ziegelsteine ersetzen könnten.
Die bautechnischen Eigenschaften dieser Werkstoffe, ob fest oder fluffig, tragfähig oder elastisch, porös oder dämmend, lassen sich gezielt steuern und hängen von der Pilzart, den Zuschlagsstoffen und der Dauer des Wachstums ab. Mit diesem Verfahren stellen Dirk Hebel, Leiter Nachhaltiges Bauen am KIT, und sein interdisziplinäres Team aus Architekten, Bautechnikern, Bioingenieuren und Materialwissenschaftlern bereits Pilzsteine her, die in Sachen Festigkeit und Tragfähigkeit üblichen Ziegel- und Betonsteinen ebenbürtig oder sogar überlegen sind.
Nachwachsende Häuser, keine Utopie
Hinzu kommt, dass pilzbasierte Baustoffe bei der Produktion wenig bis gar kein CO2 freisetzen, sondern über ihre Einsatzdauer die Menge speichern, die sie während des Wachstums aufgenommen haben. „Die Rohstoffe, die wir seit Jahrhunderten aus der Erdkruste gewinnen, gehen uns langsam aus“, stellt Dirk Hebel fest. „Als Ersatz haben wir jedoch eine Rohstoffquelle, die unerschöpflich ist: die biologische.“
Den grundsätzlichen Beweis, dass sich Gebäude ausschließlich mit nachwachsenden Rohstoffen errichten lassen, hat das US-amerikanische Start-up Ecovative mit ihrem Tiny Mushroom House bereits angetreten. Das vier Meter lange und über zwei Meter breite Fertighäuschen aus Pilzbauplatten sei wasserdicht, brandsicher, frei von Chemikalien und komplett kompostierbar, wirbt die Firma.
Zu 100 Prozent nachwachsende Häuser – sie sind demnach keine reine Utopie mehr.
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Dieser Artikel stammt aus der RHEINPFALZ am SONNTAG, der Wochenzeitung der RHEINPFALZ. Digital lesen Sie die vollständige Ausgabe bereits samstags im E-Paper in der RHEINPFALZ-App (Android, iOS). Sonntags ab 5 Uhr erhalten Sie dort eine aktualisierte Version mit den Nachrichten vom Samstag aus der Pfalz, Deutschland und der Welt sowie besonders ausführlich vom Sport.