Elfenbein aus der Retorte

Echtes Elfenbein – zumeist Stoßzähne von Elefanten oder anderen Säugern wie Walrossen – ist von Natur aus cremeweiß und leicht lichtdurchlässig. Im Längsschnitt hat es eine feine, holzähnliche Maserung. Dank seiner thermischen Leitfähigkeit fühlt sich Elfenbein bei einem Kontakt mit der Haut warm an. Die Oberfläche ist griffig, weil die innere Struktur des Materials Flüssigkeiten wie Handschweiß absorbiert. Dass dieser natürliche Rohstoff früher gern zum Herstellen von Kunstgegenständen genutzt wurde, liegt neben seiner angenehmen Optik und Haptik auch an der guten Schnitzbarkeit: Elfenbein besteht zu 60 bis 70 Prozent aus Kalziumphosphat, einem kleineren Anteil Kalk und zu gut 20 Prozent aus einer knorpelähnlichen, stark kollagenhaltigen Substanz, in der Wasser gebunden ist. Wegen des hohen Kollagen-Anteils und seines schichtweisen Wachstums neigt Elfenbein kaum zum Splittern. So können Elefanten und Walrosse mit ihren Stoßzähnen selbst steinige Böden oder Meeresgründe umgraben, um nach Wasser und Wurzeln oder Muscheln zu suchen.

Erscheinungsbild wie handgearbeitet

Eine gewisse Splitterfestigkeit zählte auch zu den Anforderungen an die neuen Säulenkapitelle für den Reliquienschrein von Mauerbach, denn abschließende optische Korrekturen sollten Kunstrestauratoren per Hand vornehmen, mit dem Schnitzmesser. „Am Ende mussten die Teile ja wie handgearbeitet aussehen“, erklärt Stampfl, der die 18 Ersatzteile 2021 exakt in der gewünschten Form und Qualität ausliefern konnte. Sie sind aus einem Material namens „Digory“ – ein Wortmix aus Digital und Ivory (englisch für Elfenbein). Aus werkstoffwissenschaftlicher Sicht besteht Digory aus Kalziumphosphat-Partikeln mit nur wenigen Mikrometer Durchmesser, die gemeinsam mit feinem Siliziumoxid-Pulver in eine Matrix aus Kunstharz (als Ersatz für das Kollagen) eingebracht wurden. „Nur, wenn man den richtigen Anteil Kalziumphosphat verwendet, hat das Material am Ende dieselben leicht lichtdurchlässigen Eigenschaften wie Elfenbein“, verrät Thaddäa Rath, die sich nach dem Abschluss ihrer Doktorarbeit mit dem Unternehmen Eburo selbstständig machte.

Die fertige Verbindung wird in 70 bis 100 Grad Celsius heißem Zustand verarbeitet. „In diesem Temperaturbereich hat unser Rohmaterial genau die richtige Viskosität, um es in die gewünschte Form bringen zu können“, erläutert Jürgen Stampfl. Kommt das fertig ausgeformte Produkt aus dem 3D-Drucker, wird es an der Oberfläche poliert und durch UV-Strahlen vollständig ausgehärtet. Erst danach ist das künstliche Elfenbein komplett reaktionslos, sodass es – beispielsweise bei Schmuckstücken – zu keinen Reizungen der Haut kommen kann. Eine Maserung und die für gealtertes Elfenbein typischen Farbnuancierungen trugen Stampfl und Rath anfangs noch oberflächlich auf, wobei sie unter anderem schwarzen Tee als Färbemittel benutzten. „Inzwischen können wir alterungsbedingte Färbungen an der Oberfläche durch Pigmentbeigabe in die Rohmasse naturgleich nachempfinden“, sagt Rath.

Feine Unterschiede zum Original

Würde die Forscherin ihr Material als synthetisches Elfenbein bezeichnen? „Das nicht unbedingt“, sagt Rath. „In seiner Zusammensetzung und dem inneren Aufbau unterscheidet es sich um einiges vom Original. Der Zoll könnte Digory durch Bestrahlen mit UV-Licht von echtem Elfenbein unterscheiden: Unser Material reflektiert weniger stark.“ Diese Unterscheidbarkeit sei übrigens ein Plus, betont Rath: „Sonst könnte man etwa Schmuck aus Digory nicht in den Urlaub mitnehmen.“

© bdw-Grafik/Ricardo Rio Ribeiro Martin

Doch für den normalen Betrachter ist das künstliche nicht vom echten Elfenbein zu unterscheiden. Haptik, Farbe, Dichte, Materialsteifigkeit und -festigkeit stimmen überein, wie auch Raths Doktorvater unlängst feststellte: „Ich hielt ein aus Elfenbein geschnitztes Hirschgeweih und das Gegenstück aus dem 3D-Drucker in den Händen“, berichtet Jürgen Stampfl, „und ich konnte keinen Unterschied erkennen.“

Das künstliche Elfenbein aus Wien kommt gerade recht im Kampf gegen illegale Jagd. Um vor allem Elefanten-Populationen in Afrika zu schützen – Asiatische Elefanten haben nur selten Stoßzähne und stehen deshalb nicht so im Visier von Wilderern –, wurde der Handel 1989 verboten. Doch seit 1997 dürfen einige afrikanische Nationen unter strengen Bedingungen wieder Elfenbein exportieren. In der EU sind interner Handel sowie kommerzielle Aus- und Einfuhren seit 2022 zwar weitgehend verboten, doch es gibt Ausnahmen für Musikinstrumente, die vor Mitte der 1970er-Jahre hergestellt wurden, sowie für Museumsexponate.

Schlupflöcher für illegalen Handel

Allerdings: Das Problem mit den legalen Ausnahmen ist, dass sie Schlupflöcher für illegalen Handel bieten. Nach Schätzungen werden noch immer bis zu 20.000 Elefanten pro Jahr von Wilderern zur Strecke gebracht, viele verenden qualvoll durch Giftpfeile oder in Fallen. Die Stoßzähne werden ihnen oft bei lebendigem Leib abgesägt, was sehr schmerzhaft ist, weil ein Nervenkanal das Zahnbein der Länge nach durchzieht. Besonders in Zentralafrika ist Elfenbeinwilderei weiter stark verbreitet und gefährdet speziell die Unterart der Waldelefanten, deren Bestand auf nur noch etwa 50.000 Tiere geschätzt wird.

Diese Problematik sei auch der Kunstszene in Europa zunehmend bewusst, meint Thaddäa Rath. Sie sieht eine steigende Bereitschaft, auf echtes Elfenbein zu verzichten – auch beim Restaurieren alter Instrumente, etwa wenn es um Mundstücke von Blasinstrumenten geht oder um Saitenspanner von Gitarren und Banjos. „Solche Komponenten wurden früher, auch aus optischen Gründen, gern aus Elfenbein hergestellt“, sagt die Wiener Forscherin. Alternative Materialien für die Restaurierung fehlten vor der Entwicklung von Digory: Weder Tierknochen noch Muscheln oder Kunststoffe boten zufriedenstellende Lösungen. „Doch nun können wir viele Kulturobjekte stilgerecht restaurieren, ohne gegen Tierwohl und Elfenbeinverbot zu verstoßen“, freut sich Rath. Alles, was sie zur Replikation benötigt, ist ein Originalteil, eine Scandatei, ein Foto oder eine Maßzeichnung als Vorlage.

Fantastisches Gefühl am Klavier

Ortswechsel. Auch am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart widmen sich Wissenschaftler seit einigen Jahren dem Bau von Instrumentenbauteilen. Klavierkenner sind sich einig: Für die weißen Tasten gibt es kein besseres Material als Elfenbein – nicht nur, weil es den Fingern beim Spielen die richtige Reibung bietet. Eine mit Elfenbein überzogene Tastatur ist zudem so griffig, dass sie sich selbst mit schwitzenden Händen noch überaus kunstvoll beherrschen lässt. Am Eingang des Stuttgarter Instituts steht ein hochwertiges Piano, unter dessen Deckel cremeweiße Tasten aus künstlichem Elfenbein schlummern. Manchmal werden sie zum Test gespielt. Der usbekische Starpianist Eugene Mursky beschrieb das Gefühl in den Fingerspitzen als „fantastisch – es fühlt sich warm an, wie echtes Elfenbein“.

Den Anstoß zu der Entwicklung erhielten Institutsdirektor Jochen Mannhart und sein Team ausgerechnet im Rahmen ihres jährlichen Weihnachtsausflugs, der 2014 in die Sauter Piano Manufactur nach Spaichingen führte. Am Ende des Rundgangs dort fragte Mannhart den Geschäftsführer der Firma: „Wenn Sie einen Wunsch frei hätten an eine Fee aus der Wissenschaft, welcher wäre das?“ Die Antwort von Otto Hott: „Künstliches Elfenbein.“ Mannhart nahm den Wunsch des Klavierbauers zur Kenntnis und die Herausforderung an. Schließlich ist das Entwickeln von neuen künstlichen Werkstoffen für das Stuttgarter Team Alltagsarbeit: In komplexen chemischen Verfahrensschritten ordnen Mannhart und Co. Atome völlig neu an, um neue Materialien zu kreieren. Das liefert im Idealfall nützliche Spezialwerkstoffe, die Natur und Physik so nicht hergeben. Doch in diesem Fall galt es, ein natürliches Material so zu synthetisieren, dass die originale Ressource nicht mehr ausgebeutet werden muss. Die Forscher begaben sich in ihren Versuchspark, um nach dem bewährten Verfahren – Atomschicht um Atomschicht – ultradünne Materialien herzustellen, die den natürlichen, schichtweise gewachsenen Aufbau von Elfenbein nachbilden sollten. Allerdings ohne Erfolg.

Naturnahe chemische Rezeptur

Zum Ziel führte stattdessen ein recht simples Verfahren: zwei Chemikalien zusammen in einer Lösung aufgehen lassen – fertig. Max-Planck-Chemiker Dieter Fischer und sein Team hielten die Rezeptur so nah wie möglich am Original. Als mineralbasierten Stoff wählten sie – ebenso wie die Natur und die Wiener Kollegen – Kalziumphosphat. Als Kollagen-Ersatz nahm Fischer aber, anders als Stampfl und Rath, kein Harz, sondern Gelatine: „Dieses Abbauprodukt von Kollagen hat den Vorteil, dass es wasserlöslich ist“, erklärt Fischer. „Danach mussten wird die Lösung nur in eine Form gießen und trocknen lassen.“

Heraus kam das nahezu perfekte synthetische Elfenbein, zu 100 Prozent natürlich. „Aus chemischer Sicht ist unser Werkstoff nicht von echtem Elfenbein zu unterscheiden“, sagt Jochen Mannhart, „jedenfalls nicht mit normalen Analysemethoden wie der Ramanspektroskopie.“ Dieses Verfahren regt die chemischen Bindungen eines Materials durch Laserlicht an und erkennt die jeweils materialtypischen Frequenzen in den zurückgestreuten Lichtwellen. „Wir haben quasi die Nanostruktur von Elfenbein nachgebaut“, erläutert der Forscher. Der Flughafenzoll, da ist sich Mannhart sicher, hätte kaum eine Chance, die Stuttgarter Imitation von echtem Elfenbein zu unterscheiden. Deshalb denkt das Stuttgarter Team darüber nach, künftige kommerzielle Produkte mit einem speziellen Kennzeichnungsstempel zu versehen.

Klaviertasten sind jedoch längst nicht mehr das Hauptthema, wenn die Max-Planck-Forscher über mögliche Einsatzgebiete für synthetisches Elfenbein sprechen. Die sind ungeahnt vielfältig: Mannhart holt eine handgeschnitzte Ente aus einer Schublade hervor und hält sie triumphierend in die Höhe. Der cremeweiße, mit gräulicher Maserung durchzogene Vogel ist natürlich nicht aus echtem Elfenbein, er stammt auch nicht aus der steinzeitlichen Höhle von Schelklingen wie das rund 40.000 Jahre alte Original. „Diese Ente wurde von einem Künstler nachgeschnitzt, aus unserem splitterfesten Material.“

Eine Zier fürs Fahrzeuginterieur

Doch statt synthetisches Elfenbein kunstvoll zu bearbeiten, kann man es auch gleich in Form gießen – etwa zu edel anmutenden Oberflächenverkleidungen. Damit ist der Werkstoff aus dem Schwabenland prädestiniert für die Innenauskleidung hochwertiger Automobile, Passagierflugzeuge oder Jachten – und das nicht nur im cremeweißen Elfenbein-Look: „Durch die Zugabe von Pigmenten können wir in allen beliebigen Farben und Melierungen produzieren“, erklärt der zuständige Produktmanager David Butcher, der den neuen Hightech-Werkstoff bereits bei einigen Herstellern vorgestellt hat.

„Man sieht ja häufig schon an der ersten Reaktion des Gegenübers, wie überzeugend ein Material ist“, berichtet Butcher aus seinem Arbeitsalltag. „In diesem Fall kann ich sagen: Die Industrie ist mehr als überzeugt.“ Automobil-, Flugzeug- oder Bootsbaubranche registrierten erfreut, dass das künstliche Elfenbein aus Stuttgart auch den im Fahrzeugbau besonders strengen Sicherheitskriterien genügen dürfte. Neben der Splitterfestigkeit, die etwa Automobil-Armaturenabdeckungen in Crashtests nachweisen müssen, weist der Werkstoff aus der Retorte auch eine hohe Feuerresistenz auf. „Ebenso wie natürliches Elfenbein würde er erst bei sehr hohen Temperaturen anfangen zu brennen“, sagt Jochen Mannhart. „Das ist gerade in Flugzeugen, aber auch auf Jachten ein riesiger Vorteil gegenüber herkömmlichen Kunststoffen: Denn falls unterwegs ein Brand ausbricht, kommt es darauf an, dass er sich möglichst langsam ausbreitet. Jede schwer entzündliche Komponente ist da hilfreich.“

Drucken, polieren und aushärten

Ein namhafter deutscher Kfz-Hersteller bestellte bereits Probebauteile aus dem synthetischen Elfenbein, um sie branchenüblichen Vorabtests zu unterziehen. Dabei überzeugte auch die Langlebigkeit des Materials – selbst unter jahrelanger starker Sonneneinstrahlung, der Autos im Fahralltag ausgesetzt sind. „Ein Vertreter des Autobauers sagte mir nach einem simulierten Langzeittest, er habe noch nie ein Material gesehen, das unter UV-Lichteinwirkung so stabil bleibt“, berichtet David Butcher: „Das gilt sowohl für die Farbe als auch für die Oberflächenstruktur, die nicht einmal kleinste Risse erlitten hatte.“

Inzwischen können die Stuttgarter aus ihrem synthetischen Elfenbein auch einen feuerfesten Schaumstoff fertigen. „Das hat unser Chemiker Ralf Rühl erreicht, indem er kleine Glaskügelchen mit weniger als einem Millimeter Durchmesser in die Ausgangsmasse eingearbeitet hat“, erläutert Dieter Fischer. Das so entstandene ultraleichte und weiche Material ist im Gegensatz zu herkömmlichem Schaumstoff feuerfest und eignet sich etwa zum Unterfüttern von Armaturenverkleidungen.

Und was ist mit der Hoffnung der Klavierbau-Branche auf hochwertige Tasten aus künstlichem Elfenbein? „Wann wir da die Marktreife ausrufen können, ist schwer zu prognostizieren“, sagt Jochen Mannhart und bekennt: „Unsere Rezeptur für diesen Zweck ist noch nicht optimal. Nach dem Austrocknen schrumpft das Material ein wenig, die Tasten werden an der Oberfläche rissig.“ Man wähne sich bei 95 Prozent, verrät er, aber es sei wie so oft: „Die letzten fünf Prozent dauern mitunter etwas länger – zumal es derzeit schwierig ist, Investoren für die Pianobranche zu finden. Dieser Geschäftszweig wäre ohnehin eher eine Nische.“ Der Materialforscher sieht seinen Werkstoff vor allem als hochwertigen, nachhaltigen und sicheren Ersatz für Plastik im Fahrzeug-Innenausbau. „Hier existiert ein gigantischer Markt“, meint Mannhart.

In der Pianosparte könnte den Stuttgartern Thaddäa Rath zuvorkommen. Auch sie arbeitet an hochwertigen Klaviertasten und hält ihr Produkt für weit fortgeschritten. „Wir führen bereits Gespräche mit einem heimischen Klavierbauer“, verrät die Wiener Forscherin und erklärt einen kleinen, aber feinen Vorteil ihres Materials, zumindest für Klaviertasten: „Weil wir eine Kunstharz-Matrix nutzen, reagiert Digory nach dem Trocknen so gut wie nicht mehr. Größe, Farbe und Oberflächenstruktur unserer Tasten bleiben stabil.“ Testen kann man das seit Ende 2024 in einem Raum des Wiener Musikquartiers, einem Co-Working-Space für Musiker.