Nachwachsende Baustoffe für die Städte der Zukunft

Schon heute wissen wir, dass unsere konventionellen Ressourcen wie Sand, Kupfer, seltene Erden, Zinn oder Zink bereits in den nächsten Dekaden zur Neige gehen, bzw. uns in der Erdkruste nicht mehr zur Verfügung stehen werden. Die Frage lautet daher: mit welchen alternativen Baustoffen werden wir die Stadt der Zukunft errichten? Das globale Bauwesen konzentriert sich trotz allem auf einige wenige Materialien wie Sand, Kies oder Stahl – aber die Ressourcen sind endlich oder mit unwägbaren Folgen für einzelne Ökosysteme verbunden. Sand, als ein wichtiger Zuschlagstoff für Beton, droht in einigen Regionen bald auszugehen. Dies im Übrigen auch in Deutschland in der Region um Hamburg und Berlin, wie jüngst 'Der Spiegel' berichtete. Der Einsatz von Stahlbeton, der zu zwei Dritteln aus Sand besteht, macht zudem inzwischen viele Länder von Importen abhängig.

Wissenschaftler des Fachgebiets „Nachhaltiges Bauen“ an der Fakultät für Architektur des KIT suchen deshalb nach Alternativen zu den konventionellen Materialien. Die Vision ist, Häuser „sozusagen wachsen zu lassen und nach Ende ihrer Nutzung die Baustoffe wiederzuverwenden oder zu verwerten“, erklärt der Leiter des Fachgebiets, Professor Dirk E. Hebel. Das interdisziplinäre Karlsruher Team aus Architekten, Bau- und Bioingenieuren und Materialwissenschaftlern untersucht daher intensiv auch den Einsatz regenerativer Materialien in der Architektur. Und sie sind fündig geworden. Die Wissenschaftler machen sich die Strukturen des Pilzmyzeliums zu Nutze.

Myzelium ist das „Wurzelwerk“ von Pilzen, ein schnell wachsendes feines Geflecht aus fadenförmigen Zellen. Um Bausteine aus Myzelium herzustellen, verwenden die Forscher den Pilz Ganoderma lucidum (Glänzender Lackporling) und mischen das Pilzgewebe mit Holzspänen oder anderen pflanzlichen Abfällen. Auf einer Farm des Industriepartners Mycotech in Indonesien wächst daraus in wenigen Tagen eine dichte, schwammähnliche Substanz aus miteinander verflochtenen Zellfäden. Diese Masse lässt sich in fast jede Form füllen, wo sie sich über einige Tage weiter verdichtet. Abschließend wird sie erhitzt, um das Wachstum zu stoppen und den Pilz abzutöten. Das Ergebnis sind faszinierende Bauelemente, die, je nach Methode und Zuschlagsstoffen, dann entweder gut isolieren oder besonders druckresistent sind.

Die große Herausforderung für die Wissenschaftler ist dabei generell die Druck- und Zugbelastbarkeit. Die ist bei gewachsenen (aber auch wiederverwerteten) Baustoffen in der Regel vergleichsweise gering. Doch durch gezielte Gestaltung der geometrischen Form und des inneren Kräfteflusses lassen sich diese Eigenschaften wesentlich verbessern. Die Wissenschaftler am KIT greifen dabei auf die Hilfe der Block Research Group an der ETH Zürich und deren Methoden zur grafischen Statik zurück. Mithilfe moderner Software erweitern sie die traditionell zweidimensionale grafische Statik auf die dritte Dimension. Weiche Baustoffe erhalten so das Potenzial, konventionelle Materialien in vielen architektonischen Strukturen zu ersetzen.

Die aus Myzelium hergestellten Bauelemente könnten nach ihrer Nutzung auch wieder vollständig kompostiert werden. Der Werkstoff würde so einen geschlossenen Materialkreislauf ermöglichen. Das Material kann auch überall lokal angebaut werden, wodurch lange Transportwege überflüssig werden. Es gibt auch keine Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion, da die Pilzstruktur keine Felder oder Äcker zum Wachstum braucht. Da es sich um organisches Material handelt, bindet es zusätzlich Kohlenstoff. Die Liste der Vorteile ist lang. Wie man sich den sogenannten MycoTree vorzustellen hat, zeigt das Video, welches auf der Seoul Biennale of Architecture and Urbanism gedreht wurden.

Obwohl Bambus seit langem als verlässliches, robustes Baumaterial bekannt ist, wurde es fast sträflich von der Industrie vernachlässigt. Bambus ist nie in großem Maßstab industriell als Baumaterial eingesetzt wurden, obwohl es faszinierende Beweise für dessen praktische Anwendbarkeit gibt. Bekannte Architekten sind Simón Vélez (Kolumbien), Jörg Stamm (RWTH Aachen), Kengo Kuma oder Vo Trong Nghia. Auch wurden in Hongkong schon lange Hochhäuser mit Baugerüsten aus Bambus errichtet.

Bambus gehört zur biologischen Familie der Gräser, besitzt lange, stabile Fasern und wächst deutlich schneller als Holz. Es gibt Bambusarten, die bei optimalen Wachstumsbedingungen sagenhafte 100 Zentimeter am Tag zulegen. Dadurch werden zudem große Mengen von klimaschädlichem Kohlendioxid aus der Atmosphäre gebunden. Das Team um Professor Dirk E. Hebel am KIT arbeitet an neuartigen Verbundwerkstoffen mit Bambus. Bisher bereitet noch das Quell- und Schrumpfverhalten von Bambus Sorgen. Als natürliches Pflanzenmaterial absorbiert Bambus immer auch Wasser. Ein weiterer Punkt ist die Widerstandsfähigkeit gegenüber Pilzbefall. 

Um unsere Abhängigkeit von Sand als eine endliche Ressource zu verringern, könnte die Nachfrage grundsätzlich auch durch Recycling von bereits einmal genutztem Sand oder Herstellung neuartiger Stoffe (Synthese) bedient werden. Bauschutt-Recycling gilt unter Fachleuten als ein vielversprechender Ansatz. "Wenn Bauschutt schadstofffrei ist, kann er, geschreddert und gesiebt, relativ leicht wiederverwertet werden", so der Baustoffexperte Prof. Dietmar Stephan im Interview mit helmholtz.de. Recyclingmaterial aus der Bauschuttaufbereitung wird heutzutage jedoch vor allem im Tief- und Unterstraßenbau eingesetzt, um mindere Aufgaben zu erfüllen. Künftig sollte der recycelte Beton auch höherwertig verwendet werden, also auch für die Herstellung von neuem Beton. Hierzu ein Beitrag auf 3Sat. In der Schweiz ist das schon gang und gäbe: Rund 80 Prozent der Bauabfälle, inklusive Aushub- und Abbruchmaterial, werden bereits wiederverwertet. Recyclingbeton ist für die Erstellung einfacher Bauwerke genauso geeignet wie herkömmlicher Beton, auch wenn dieser zurzeit noch einen höheren Zementanteil benötigt.

Neben der Verwendung von schnell nachwachsenden Rohstoffen schaut die Forschung auch auf traditionelle, bisher jedoch noch ungeeignete Ressourcen. Gelänge es einen biologischen „Kleber“ zu entwickeln, könnten wir eine der größten Ressourcen unserer Gesellschaft anzapfen: unseren Müll. So berichten Schweizer Zeitungen, Mikroorganismen könnten bald billiger diesen Zusammenhalt bewerkstelligen. „Geködert“ mit einer Nährlösung, wandeln die Bakterien ihre Nahrung in Kalzium um. Gewünschter Nebeneffekt: Die so umgewandelte Nährlösung kittet und verklebt jedes einzelne Teilchen. Man spricht auch von „biologischer Zementation“. Mit dieser Methode sind der Formenvielfalt keine Grenzen gesetzt. Jede Form ist prinzipiell denkbar. Perspektivisch könnte so herkömmlicher Zement ersetzt werden. Auch die CO2-Bilanz wäre wesentlich besser als bei Zement oder gebrannten Ziegeln. Und auch Asche könnte im Übrigen, anstatt Sand und Kies, im Beton eingesetzt werden.

Ein Unternehmen aus Amsterdam denkt in ähnlichen Visionen. Es hat eine Methode entwickelt, mit der es Bauschutt zu einem neuartigen Baustoff weiterverarbeitet. Nebst dem Produkt – Bauschutt wird zerkleinert und unter hohen Temperaturen neu formiert – spielt das Vermarktungskonzept eine große Rolle. Mischt man die anfallenden Farben des Bauschutts geschickt miteinander, entstehen Bauelemente, die aufgeschnitten an Salami (roter Klinkerschutt mit weissen Porzellanelementen) oder Nougat (hellbrauner Schutt mit dunkelbraunen Elementen) erinnern. Doch es gibt auch den Stein Wasabi oder Blaubeere. Die Schaffung eines Mehrwertes in Verbindung mit geschickter Vermarktung scheint angebracht und notwendig, um die Akzeptanz der Materialien zu erhöhen. Problematisch sind nach wie vor die Kosten des Pulverisierens von Beton.

Glas kann als Ersatz für Sand und Kies nur eine ganz untergeordnete Rolle spielen (Prof. D. Stephan, Interview Helmholtz). Bei der Verwendung von Glas gibt es ein Problem: die sogenannte Alkali-Kieselsäure-Reaktion, die dazu führt, dass Betonstraßen rissig werden und an der Oberfläche aufbrechen. Der Volksmund spricht von „Betonkrebs“. Die im Zement enthaltenen Alkalien lösen einen Teil des Glases an. Dadurch entsteht zusammen mit Wasser ein Gel, das quillt und einen hohen Druck produziert. Dies ist nicht auf Glas beschränkt, das Phänomen tritt auch auf, wenn Bausand und Kies beispielsweise Anteile von Feuerstein enthalten. Nichtsdestotrotz kann immer noch aus Altglas durch Zerkleinern und Mahlen ein sandartiger Werkstoff gewonnen werden, der dieselben Materialeigenschaften wie ursprünglicher Sand besitzt. Große Mengen unseres Altglases werden zurzeit nicht wiederverwertet und landen auf unseren Deponien. Diese Ressource zu aktivieren ist technisch möglich, doch ist der Preis noch zu hoch, um mit Sand aus der Natur mithalten zu können. Es finden sich jedoch inzwischen Firmen, die Recyclingglas im Fassadenbau oder Innenausbau einsetzen.

Beitrag erstellt am 9. Mai 2018

• Hebel, D.E. und Felix Heisel (2017): Cultivated Building Materials: Industrialized Natural Resources for Architecture and Building. Link
• Hebel, D.E., Wisniewska M.H. und F. Heisel (2014): Building from Waste, Birkhäuser Verlag