Smart Bio Materials

  Kallebassenkürbis Tragkonstruktionen  

Vor dem Hintergrund eines gesteigerten Umweltbewusstseins der Bevölkerung entwickelt sich die Nachfrage nach umweltgerechten und nachhaltig produzierten Produkten zu einem wichtigen Einflussfaktor in der Gestaltung und Entwicklung von Investitions- und Konsumgütern. Dieses Umdenken ist insbesondere in der Bauindustrie mit ihren massiven Umwelteinflüssen in Form von Energie- und Ressourcenverbrauch von größter Relevanz. Der Bausektor ist einer der größten Konsumenten von Rohmaterial – ca. 30-50% des Gesamtmaterialverbrauchs in Europa, zwischen 1.200 und 1.800 Millionen Tonnen jährlich, werden für die Errichtung von Neubauten und die Sanierung von bestandsbauten aufgewendet. 5-10% des Gesamtenergieverbrauchs der EU-Staaten entfallen auf die Produktion von Baumaterial.

Aus diesem Grund stellt die Substitution von konventionellen Baumaterialien wie Stahl oder Beton durch nachwachsende, bio-basierte Alternativen einen vielversprechenden Ansatz dar, um den Ressourcen- und Energieverbrauch des Bausektors zu reduzieren und gleichzeitig die Rezyklierfähigkeit von Baumaterial zu erhöhen.

 

Wachstum und Konstruktion in der Natur als Prozess und Vorbild für innovative technische Lösungen

Seit jeher bezog der Mensch aus der Vielfalt von Lebewesen und Formationen der Natur seine Inspirationen zur Erweiterung seiner Welt von Artefakten und Produkten. Dabei finden natürliche Vorbilder auf verschiedene Art und Weise Niederschlag in der menschlichen Welt: Die Natur wird imitiert (Mimesis), d.h. die Art und Weise wie die Natur Lebewesen gestaltet und ‚konstruiert‘ dient als Vorbild für Artefakte und Produkte, mit denen sich der Mensch die Welt und sein Leben vielseitiger und angenehmer gestaltet. Natürliche Ordnungs- und Gliederungssysteme (Basis), auf deren Grundlage sich natürliche Strukturen formieren und aufbauen, werden auf artifizielle Systeme übertragen. Darüber hinaus interessiert sich der Mensch für die Prozesse, mit denen Dinge in der Natur umgewandelt werden oder wie natürliche Strukturen und Systeme gebildet oder hervorgebracht werden (Genesis).

Wenn die Natur bisher als Vorbild diente, um Beispiele für technische Lösungsansätze für mensch-gemachte Konstruktionen und Prozesse zu finden, so wissen wir heute auch, dass natürliche Konstruktionen und natürliche Prozesse in einem hohen Maß effizient sind hinsichtlich Materialeinsatz und Funktion.

 

Wikingerschiffe, Stabkirchen und geleitete Linden

Rekonstruktion eines Wikingerschiffes (Skuldelev-Schiff) mit gekrümmten ‚Knes‘ zur Befestigung der Traversen Graefe Rekonstruktion eines Wikingerschiffes (Skuldelev-Schiff) mit gekrümmten ‚Knes‘ zur Befestigung der Traversen

Die Wikinger haben zum Bau ihrer Schiffe gekrümmte Hölzer als Eckaussteifung, das so genannte ‚Kne‘ (deutsch: Knie) benutzt, die entweder aus gekrümmten Wurzelhölzern oder – der Über-lieferung nach - aus geleiteten, d.h. in gekrümmte Form gebrachten, Latschenkiefernhölzern hergestellt wurden. Ähnlich gekrümmte Bauelemente wurden auch zur Aussteifung und Bogen-bildung bei den hölzernen Stabkirchen eingesetzt. Im deutschsprachigen Raum, besonders in Thüringen und Franken, war es im Mittelalter üblich, Lindenbäume, welche in der Ortsmitte als Symbol für einen Treffpunkt oder als Gerichtsplatz (Thingplatz) gepflanzt wurden, mit Hilfe von Stützen und Gerüsten, so zu leiten, dass das Astwerk des Baumes als verbreitertes Schirm- oder Schattendach oder als Geschosstragkonstruktion genutzt werden konnte. Zur Nutzung eines solchen ‚Baumgeschosses‘ einer solchen ‚geleiteten Linde‘ wurden Bretter und Treppen angebaut (Graefe, 2014).

 

Geleitete natürliche Konstruktionen und Bauteile aus geleiteten Naturprodukten

geleiteter Bambus

Im Rahmen des interdisziplinären Forschungsprojekt TEPHA (Technical Product Harvesting) an der RWTH Aachen untersuchen Biologen, Ökologen sowie Maschinenbauer und Architekten die Möglichkeiten zur technischen Nutzung von geleiteten Pflanzen und Pflanzenteilen, etwa zur Herstellung von Gehäusen, Bauelementen und Baukonstruktionen. Durch die Formgebung während des Wachstumsprozesses entstehen biobasierte Halbzeuge, die von den Mechanismen natürlicher Topologieoptimierung profitieren. Weitere Vorteile einer solchen natürlichen Produktion von Halbzeugen liegen in der klimaschonenden Erzeugung sowie der erhöhten Rezyklierbarkeit des Endprodukts. Hierzu werden Pflanzen wie Bambus (Phyllostachys) und Erle (Alnus), sowie verholzende Früchte wie der Kalebassenkürbis (Lagenaria siceraria) im Rahmen von experimentellen Wachstumsuntersuchungen mit Hilfe von Formen in definierte Geometrien gebracht. Im Anschluss an die Wachstumsperiode härtet der so geformte biomorphe Körper durch den Prozess der Lignifizierung (Verholzung) aus und kann als druckfestes und formstabiles Halbzeug in einen technisch verwertbaren Zustand überführt werden. Pilze stellen in diesem Zusammenhang einen weiteren Untersuchungsgegenstand mit großem Anwendungspotenzial dar, da sie, anders als Pflanzen, über eine extrazelluläre Matrix verfügen, die dreidimensional in alle Richtungen wachsen kann. Die Pilzmatrix kann so in jede beliebige äußere Form hineinwachsen und anschließend durch die Zugabe von Harzen oder anderen verfestigenden Flüssigkeiten stabilisiert werden.

 

Wachstumssimulation

L-System für eine Staudenpflanze nach Prusinkiewicz (Prusinkiewicz 1990) Tragkonstruktionen L-System für eine Staudenpflanze nach Prusinkiewicz (Prusinkiewicz 1990)

Anknüpfend an die Idee, Bäume und Sträucher zur Durchbildung besonders geformter Zweige, Äste oder Stämme zu nutzen, oder ganze Bau- und Tragkonstruktionen daraus zu bilden, stellt sich die Frage nach der Prognostizierbarkeit des Pflanzenwachstums und der Pflanzenstruktur bezüglich Geometrie, Abmessungen und Querschnitten und der Festigkeiten. Dabei kann die an die bereits vorhandenen Grundlagen der des Functional Structural Plant Model (FSPM) angeknüpft werden. Die FSPM baut auf einer schematisierten Pflanzentopologie auf. Die Pflanzenmorphologie, nämlich die Reihenfolge, Anzahl und Anordnung der Bildung von Knoten, Stengel, Blättern und Knospen wird mit Hilfe des Lindenmayer-Systems vorgegeben. Es können Abläufe für das zeitliche Längen- und Dickenwachstum sowie Mechanismen für Tropismen verschiedener Art (Heliotropismus usw.) berücksichtigt werden.

Für die Fragestellungen nach den die Statik betreffenden Eigenschaften wie Geometrie, Querschnitte und Festigkeiten, die das Wachstum begleiten, werden Algorithmen der Form- oder Struktur-optimierung oder evolutionäre Algorithmen herangezogen und mit der FSPM kombiniert.

 

Ausblick

Wachstumsmanipulation von Kallebassenkürbis Tragkonstruktionen Wachstumsmanipulation von Kallebassenkürbis

Die mittelbare oder unmittelbare Nachbildung der Natur in Artefakten und technischen Produkten ist eine menschliche Vorgehensweise mit langer Tradition. Naturorientierte und naturinspirierte Artefakte und Konstruktionen zeichnen sich durch hohe Effizienz im Hinblick auf den geleisteten Materialeinsatz und den erzielten Funktionseffekt aus.

Im Zuge des Klimawandels hat die Verminderung des Ausstoßes von Kohlendioxyd eine so große Brisanz erlangt, dass auch die Auseinandersetzung mit natürlichen Geneseprozessen auf wissenschaftliche und systematische Art und Weise und deren potentielle Anwendung in der Technik von vorrangiger Bedeutung geworden ist. Neben der teilweise komplexen prozessualen Mimesis besteht eine direkte Möglichkeit darin, natürliche Wachstumsprozesse, insbesondere von Pflanzen, so zu beeinflussen bzw. zu leiten, dass dabei Rohlinge und Halbzeuge für Artefakte oder technische Objekte, oder ganze Baukonstruktionen entstehen. Hierzu muss das natürliche Wachstum unterschiedlichster geeigneter Nutzpflanzen gezielt analysiert werden, um die jeweiligen Wachstumszustände unter allen Einwirkungen prognostizieren zu können. Um diese Methodik auszubauen, muss das biomechanische Wissen erweitert werden und Simulationstechniken kombiniert werden. Ziel kann eine neue, nachhaltige und naturnahe Welt von Produkten und Artefakten sein, die energieineffiziente entstandene Produkte und Artefakte auf Dauer ersetzt.

 

Forschungsprojekte

Technical Product Harvesting

Wachstum und Konstruktion in der Natur als Prozess und Vorbild für innovative technische Lösungen.

Nachhaltiges Bausystem aus Pilzmyzel

Untersuchung der technischen Voraussetzungen für einen Einsatz von Pilzmyzel im Bauwesen.