Mit Hopfen, Flachs und Pilz-Myzel

Das Problem dabei: All die Rohstoffe, die die Baubranche in rauen Mengen verbraucht, stellt die Erde nur begrenzt zur Verfügung. Eines vermutlich nicht allzu fernen Tages wird auch die letzte Lagerstätte erschöpft sein. Doch die Baubranche ist nicht nur der größte Rohstoffschlucker, sie türmt auch den höchsten Müllberg auf. Von den über 400 Millionen Tonnen Müll, die 2021 in Deutschland anfielen, stammte über die Hälfte aus dem Bausektor.

Was fehlt, sind nachwachsende und wiederverwendbare Alternativen zu konventionellen Baustoffen, die – gefertigt aus endlichen Rohstoffen – einmalig verbaut und dann entsorgt werden. Zwar hat sich Holz im Gebäudesektor eine langsam größer werdende Nische als nachhaltiger Baustoff erkämpft – doch das war’s dann im Wesentlichen auch schon. In diese Lücke stößt die Materialökologie: eine noch junge Disziplin, die unter ihrem Dach Biologie, Energietechnik, Bauingenieurwesen und Materialwissenschaften vereint und mit digitalen Technologien wie dem 3D-Druck kombiniert. Das Ziel von alldem ist es, neue, klimaneutrale und kreislauffähige Materialien zu erschaffen.

Zum Beispiel pflanzenfaserverstärkten Beton: Normalbeton steckt hohe Druckbelastungen problemlos weg, doch unter Zug reißt er schnell. Eingegossene Stahlmatten erhöhen seine Zugfestigkeit und machen Normalbeton zu Stahlbeton, wie er beispielsweise im Brückenbau eingesetzt wird. Als bessere Alternative hat sich inzwischen jedoch Textilbeton etabliert, der Stahleinlagen durch textiles Gewebe aus Glas- oder Karbonfasern ersetzt. Der Vorteil: Da Textilgewebe anders als Stahl nicht korrodiert, ermöglicht Textilbeton bei gleicher statischer Belastbarkeit wesentlich schlankere Konstruktionen, was Material und Kosten spart. Allerdings ist die Herstellung dieser Gewebe energieaufwendig und basiert auf fossilen Rohstoffen.

Gewebe aus Flachsfasern

Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Holzforschung in Braunschweig experimentieren stattdessen mit einem Textilgewebe aus Flachsfasern, das als nachwachsende Alternative für die erforderliche Zugfestigkeit des Betons sorgen soll. Je nach Anforderung variiert die Gewebestruktur, die auf der institutseigenen Webmaschine aus Flachsgarn gewoben und mehrlagig in den Beton eingegossen wird.

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. „Eine Stahlbetonbrücke mit 15 Metern Spannweite muss etwa 40 Zentimeter dick sein“, erläutert Fraunhofer-Forscher Jan Binde: „Das Pendant aus Flachsbeton wäre mit 12 bis 16 Zentimetern deutlich schlanker.“ Die Materialersparnis sei beträchtlich.

Das in den USA ansässige Startup-Unternehmen Biomason hat sich für seinen Werkstoff Biolith dagegen von der Natur inspirieren lassen – und für die Herstellung von Beton und Zement ein gänzlich 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 so entstandenen Beton aushärten zu lassen, setzt man recycelter Granitkörnung bei Umgebungstemperatur einen speziellen Bakterienstamm zu, der mit kalzium- und kohlenstoffhaltiger Nährlösung gefüttert wird. Innerhalb weniger Tage scheiden die Bakterien Kalziumkarbonat 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 vier Wochen aushärtet, bereits nach 3 Tagen seine volle Festigkeit. Hinzu kommen handfeste umwelttechnische Vorteile: Biolith ist zu 100 Prozent recyclingfähig und der Klimagasausstoß bei der Produktion beschränkt sich auf ein Minimum. Laut Biomason ist der Baustoff sämtlichen bautechnischen Anforderungen an Stabilität, Tragfähigkeit und Witterungsbeständigkeit gewachsen und im Hochbau auf vielerlei Weise einsetzbar.

Bakterien als Baumeister

Einen ähnlichen Ansatz wie Biomason verfolgt Wil Srubar von der University of Colorado in Boulder (USA). Für seinen „lebenden Beton“ setzt auch er auf biologische Verarbeitung mittels Bakterien. Allerdings nimmt Srubar die Dienste von Cyanobakterien in Anspruch, die sich ähnlich wie Pflanzen mit Sonnenlicht und Kohlendioxid per Photosynthese vermehren. Die auch Blaualgen genannten Bakterien werden mit Sand, Gelatine und einer 40 Grad Celsius warmen Nährlösung in Formen gefüllt und produzieren bei ihrer Vermehrung Kalziumkarbonat. Nach wenigen Tagen beginnen die Bakterien abzusterben, und das Material härtet zu festem Stein aus.

Und weil ein Teil der Bakterien den Herstellungsprozess um mehrere Wochen überlebt, kann aus Bruchstücken sogar neues Material gezüchtet werden. Als Srubars Team einen Stein halbierte und die Hälften mit den Zutaten des Grundrezepts in zwei Formen gab, wuchsen diese wieder zu vollständigen Steinen heran. Auf diese Weise gelang es, aus einer „Elterngeneration“ drei „Kindergenerationen“ zu züchten.

Allerdings sei Bakterienbeton aktuell noch weniger belastbar als die meisten konventionellen Betonsorten, räumt Srubar ein. Als Straßenpflaster oder Fassadenmaterial sei er jedoch uneingeschränkt geeignet. Darüber hinaus könnte der Nutzen fürs Klima den innovativen Neubeton für die Baubranche attraktiv machen. Denn im Gegensatz zu herkömmlichem Beton stößt seine Produktion nämlich kein CO₂ aus, sondern entzieht es der Atmosphäre sogar, wirkt also als Kohlenstoff-Senke. Wann Bakterienbeton erstmals kommerziell verbaut werden kann, ist jedoch unklar: „Wir stehen erst am Anfang der Forschung“, sagt Srubar.

Da ist die Architektin Hanaa Dahy schon weiter. Die assoziierte Professorin für nachhaltiges Design und integrierte Technologie an der Aalborg Universität Kopenhagen ist auf das Bauen mit biobasierten Materialien spezialisiert. Im Rahmen des EU-Projekts „Smart Circular Bridge“ war sie am Bau von drei Fahrrad- und Fußgängerbrücken beteiligt, die aus einem Bio-Verbundwerkstoff auf Basis von Flachs errichtet wurden. Eine Brücke steht in Almere in den Niederlanden, die zweite wird gerade in Ulm errichtet. Die dritte Flachsbrücke, die wieder in den Niederlanden geplant ist, soll noch 2024 fertiggestellt werden.

Pflanzenharz als Bindemittel

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 lassen sich Baustoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften kreieren“, erläutert die Architektin. So seien lange Flachsfasern aufgrund ihrer hohen Reißfestigkeit für Brückenbauten besser geeignet als kurzfaseriges Stroh, das sich wiederum gut zu Leichtbauplatten verarbeiten lasse: „Strohplatten haben die gleichen bautechnischen Eigenschaften wie herkömmliche Platten aus den Holzwerkstoffen MDF oder HDF“, stellt Dahy fest.

Der Unterschied: Mit Naturfasern lässt sich wesentlich nachhaltiger bauen als mit herkömmlichen Materialien wie Stahl, Glas oder Beton, deren Produktion auf endlichen Ressourcen basiert und das Klima schädigt. Selbst Holz hat als Baustoff im Vergleich zu Hanf, Flachs und Stroh eine schlechtere Umweltbilanz, denn es wächst zwar nach, das aber nur sehr langsam, während Naturfasern im Jahresrhythmus geerntet werden. Die Kultivierung von Flachs, einer traditionellen Nutzpflanze, ist in ganz Europa verbreitet; Stroh fällt als Reststoff überall dort an, wo Getreide angebaut wird. Nachhaltiges Bauen dürfe nicht zulasten der Wälder gehen, ist Dahy überzeugt: „Im Kampf gegen den Klimawandel werden Bäume als CO₂-Speicher dringender gebraucht als in Form von Bauholz.“

Mit Bio-Verbundmaterialien ließen sich im Hochbau schon heute fast alle Einsatzbereiche abdecken, sagt die Forscherin. Sie seien geeignet als leichte Trennwände, freistehende 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 Forschungsbedarf. Deshalb sind die Flachsbrücken mit Sensoren bestückt, die die Bauwerke systematisch und in Echtzeit überwachen. Die erhobenen Daten sollen vor allem Aufschluss über Langlebigkeit und Witterungsbeständigkeit der eingesetzten Materialien geben.

Bambus – fest wie Stahl

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. Kein Wunder, sind die verholzten, innen hohlen Stäbe doch ähnlich zugfest wie Stahl – aufgrund ihrer leichten, röhrenartigen Struktur aber wesentlich effizienter zu transportieren. Zudem wachsen sie etwa 15-mal so schnell wie ein Baum.

Allerdings galt Bambus bislang eher als ein Baustoff für arme Leute. Doch das ändert sich gerade. Im kanadischen Vancouver ist aktuell „Vancouver Forest“ in Planung: ein 18-stöckiges Hochhaus mit 200 Wohnungen, das bis auf einen Kern aus Beton, in dem ein Aufzugsschacht sowie eine Feuerschutztreppe untergebracht sind, ausschließlich aus Holz und Bambus besteht.

Außerdem eignet sich Bambus für natürliche Verbundwerkstoffe. 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. 2017 präsentierten Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich auf der Seoul Biennale of Architecture and Urbanism in Südkorea unter der Bezeichnung Mycotree eine selbsttragende, sich verästelnde Konstruktion, die aus einem Bambus-Myzel-Verbundwerkstoff gefertigt war.

Als Myzel wird das Wurzelwerk von Pilzen bezeichnet, ein schnell wachsendes Geflecht von Millionen sich verzweigenden, äußerst feinen Fäden, das den Boden durchzieht und in morsches Holz oder andere organische Stoffe hineinwächst. „Pilze können keine Photosynthese betreiben“, erläutert Dirk Hebel, Leiter des Fachbereichs Nachhaltiges Bauen am KIT. „Den Zucker, den sie zur Bildung neuer Zellen benötigen, holen sie sich mithilfe der Fäden aus organischen Materialien.“

Aus Pilzen wird ein Vlies

Die Eigenschaft, organisches Material durchwachsen und wie Kitt zu einer festen Struktur verbinden zu können, macht Pilze zu Hoffnungsträgern für das nachhaltige Bauen der Zukunft. Denn füttert man Pilzfäden mit biologischen Reststoffen – etwa Stroh, Kaffeesatz, Sägemehl oder Getreidespelzen –, gibt Wasser dazu, füllt die daraus gewachsene schwammartige Masse in eine Form, wo sie weiterwächst, und härtet das geformte Produkt anschließend im Ofen aus, lassen sich Werkstoffe mit exzellenten physikalischen Eigenschaften herstellen. Sie könnten eines Tages konventionelle Baumaterialien wie Dämmmatten, Leichtbauplatten oder Ziegelsteine ersetzen. Die bautechnischen Eigenschaften solcher Werkstoffe, ob fest oder fluffig, tragfähig oder elastisch, porös oder dämmend, sind steuerbar und hängen von der Pilzart, den Zuschlagstoffen und der Wachstumsdauer ab.

Mit diesem Verfahren stellt Hebels interdisziplinäres Team aus Architekten, Bautechnikern, Bioingenieuren und Materialwissenschaftlern Pilzsteine her, die in puncto Festigkeit und Tragfähigkeit üblichen Ziegel- und Betonsteinen ebenbürtig oder sogar überlegen sind. Hinzu kommt, dass pilzbasierte Baustoffe bei der Produktion wenig bis gar kein CO₂ freisetzen, sondern über ihre Lebensdauer die Menge speichern, die sie während des Wachstums aufgenommen haben.

Auf Abfall bauen

„Die Rohstoffe, die wir seit Jahrhunderten aus der Erdkruste gewinnen, gehen uns langsam aus“, stellt Dirk Hebel fest. „Doch als Ersatz haben wir eine Rohstoffquelle, die unerschöpflich ist: die biologische.“ Für Pilzstein-Experimente nutzt sein Team unter anderem das Myzel des beliebten Heilpilzes Reishi, hierzulande bekannt als Glänzender Lackporling. Rohstoffnachschub für eine Produktion im industriellen Maßstab sei ausreichend verfügbar, betont der KIT-Wissenschaftler. Das ist schon deshalb sichergestellt, weil in der europäischen Pilzindustrie täglich mehrere 100.000 Tonnen Myzel als Abfall anfielen, die bislang komplett kompostiert würden. „Pilzbaustoffe werden Beton nicht völlig ersetzen können, seinen Einsatz jedoch deutlich reduzieren“, ist Hebel überzeugt.

Den grundsätzlichen Beweis, dass sich Gebäude ausschließlich mit nachwachsenden Baustoffen errichten lassen, hat das US-amerikanische Startup Ecovative mit ihrem „Tiny Mushroom House“ bereits angetreten. Das vier Meter lange und etwas über zwei Meter breite Fertighäuschen aus Pilzbauplatten sei wasserdicht, brandsicher, frei von Chemikalien und komplett kompostierbar, wirbt die Firma. Zu 100 Prozent nachwachsende Häuser sind also keine Utopie mehr. Für die grüne Revolution in der Bauwirtschaft braucht es nur noch Bauherren, die bereit sind, mehr Nachhaltigkeit zu wagen.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…