Besser als die Natur: Technisch optimierte Naturwerkstoffe mit herausragenden Eigenschaften

Die Fähigkeit, aus natürlichen Materialien nützliche Werkzeuge zu erzeugen, zeichnet den Menschen seit jeher aus. Je versierter wir jedoch in der Herstellung von nützlichen Produkten aus Rohstoffen geworden sind, desto deutlicher sind die zerstörerischen Auswirkungen dieser Prozesse und Handlungen in der Umwelt sichtbar geworden.

Mittlerweile ist eine Ära angebrochen, in der wir gegenüber unserem Planeten vermehrt Verantwortung übernehmen. Fortschrittliche Verfahren zur Beherrschung und Gestaltung unserer materiellen Umgebung haben die Entwicklung neuer Produktionsprozesse und Werkstoffe ermöglicht, bei welchen anstelle von synthetischen vermehrt natürliche Basismaterialien eingesetzt werden.

Materials Council stellt hier verschiedene Beispiele von technisch optimierten Naturwerkstoffen vor, die zeigen, wie weit fortgeschritten unsere Methoden zur Beherrschung und Gestaltung der Natur mittlerweile sind und wie sehr wir nicht nur in Bezug auf die Nachhaltigkeit, sondern auch anderweitig davon profitieren, wenn wir Produkte einsetzen, die weniger synthetisch sind.

Physikalische Verfahren

Natürliche Materialien in ihre einzelnen Bestandteile zu zerlegen, ihren Aufbau zu verändern und sie in neuer Form wieder zusammenzufügen ist eine etablierte Methode zur Verbesserung der ästhetischen und technischen Eigenschaften eines Materials. Wiederhergestellter Stein ist vermutlich das geläufigste Beispiel hierfür: Reststücke, die beim Abbau von natürlichen Gesteinen wie Marmor oder Granit als Abfall zurückbleiben, werden neu zusammengesetzt und durch ein Bindemittel zusammengehalten. Das Resultat sind von Menschenhand gefertigte Steine, deren Aussehen gezielt bestimmt werden kann und die über bessere Eigenschaften verfügen als natürliche Steine.

Mit der Einführung neuer Produktionstechniken und -prozesse sowie Computer gesteuerter Hightech-Verfahren haben Hersteller auch neue und kosteneffiziente Wege entwickelt, um die Oberflächen von natürlichen Materialien zu bearbeiten. Lithos Design setzen bei der Bearbeitung von Naturstein auf Computer Modellierungen und 5-achsige CNC (computergestützte numerische Steuerung) Maschinen. Auf diese Weise entstehen Steinoberflächen mit dreidimensionalen Mosaiken, die als modulare Trennwände und Verkleidungspaneele in Innenräumen verwendet werden können. Die traditionelle Herstellungsweise solcher Oberflächen von Hand wäre nicht nur extrem zeitaufwändig, sondern auch äusserst anspruchsvoll.

Einige natürliche Materialien besitzen zwar gefragte funktionelle Eigenschaften und ästhetische Qualitäten, eignen sich jedoch aufgrund ihrer naturgegebenen Form, welche die Verwendungsmöglichkeiten stark einschränkt, nur für wenige Gebrauchszwecke. Bambus ist ein rasch nachwachsendes natürliches Material, das pro Tag um bis zu 1m an Höhe zulegen kann und für den Gebrauch im Bau äusserst nachhaltig ist. Aufgrund des naturgegebenen hohlen Stammes kann Bambus jedoch schlecht als unmittelbarer Ersatz für normierte Holzprodukte eingesetzt werden.

Hersteller wie Moso aus den Niederlanden produzieren heute aus Bambus normierte Paneele, Bretter, Furniere und Blöcke und bieten somit ein Sortiment an, das in seiner Bandbreite mit den üblich verfügbaren Hölzern vergleichbar ist. Die Produkte von Moso unterscheiden sich in ihrem Aussehen und ihren materiellen Eigenschaften kaum von den gewöhnlich in der Architektur und im Design verwendeten Harthölzern, wenn sie letztere in qualitativer Hinsicht nicht sogar übertreffen. Durch den Prozess der „Karbonisierung“ des Zuckers, der im Bambus von Natur aus enthalten ist, kann das Aussehen nach Belieben verändert werden, vom ursprünglichen Hellgelb, über eine Abstufung von dunkleren Tönen bis hin zu einer satten Farbe, die an Mahagoni erinnert.

Heute muss man sich jedoch nicht mehr länger nur auf homogene Materialien beschränken. Das Konzept der „engineered materials“ (Materialien, die so designt sind, dass sie spezifischen qualitativen Anforderungen gerecht werden) wird am stärksten mit Verbundwerkstoffen in Verbindung gebracht. Entsprechend prominent sind Verbundwerkstoffe in der Kategorie der technisch optimierten Naturwerkstoffe denn auch vertreten.

Der in Zürich arbeitende Designer Beat Karrer ist einer von vielen Gestaltern, die aus natürlichem landwirtschaftlichen Abfall oder Nebenprodukten Materialgemische herstellen. Sein Werkstoff „Fluid Solids“ kann mit Techniken bearbeitet, geformt und gefärbt werden, die bereits für Thermoplaste verwendet werden. Karrers neuentwickeltes Material bietet eine weite Bandbreite an Möglichkeiten für die Produktion von Objekten in Kleinserie oder in grosser Zahl, wie der Concept Space von Architonic zeigt, der beispielsweise an der Milan Design Week 2013 zu sehen war. Karrer verwendet ein organisches Bindemittel. Sein Werkstoff Fluid Solids ist geruchslos, frei von Giften und komplett biologisch abbaubar, dies im Gegensatz zu synthetischen Verbundwerkstoffen, die bekanntlich schwierig zu trennen und zu recyclen sind.

Chemische Verfahren

Nebst physischen Veränderungen im Aufbau, in der Struktur und Form können natürliche Materialien auch über chemische Prozesse auf der molekularen Ebene verändert werden. Dank diesem Verfahren können die Leistungseigenschaften von Materialien, die generell als minderwertig oder mangelhaft gelten, verbessert werden.

Dank verschiedenen chemischen Verfahren zur massiven Verbesserung der qualitativen Charakteristik ist ein neuer Markt für Holzprodukte (wie Platowood, Thermowood, Accoya oder das kürzlich eingeführte Kebony) entstanden. Es handelt sich dabei um konkurrenzfähige und nachhaltige Alternative zu langsam wachsendem Hartholz aus den Tropen.

Kebony wird in einem spezifischen Verfahren, der „Kebonisierung“, hergestellt. Herkömmliches Holz wird mit flüssigem Bioabfall imprägniert, wodurch sich die Struktur der Zellwände dauerhaft verändert. Auf diese Weise behandeltes Holz ist langlebig, unterhaltsfrei, formstabil, resistent gegen den Befall durch Pilze und Insekten, widerstandsfähig und giftfrei. Ein Nebeneffekt der Kebonisierung ist die Veränderung der Färbung des Holzes. Selbst helle Hölzer erhalten dadurch einen satten, schokolade-braunen Ton.

Die Kebonisierung ist ein Polymerisationsverfahren, jedoch nicht mit Produkten, die aus Rohöl erzeugt worden sind, wie bei herkömmlichem Plastik, sondern durch Furfurylalkohol, der aus landwirtschaftlichen Ernteabfällen produziert wird. Das erzeugte technische Biopolymer Furan stärkt die Zellstruktur des Holzes und verleiht dem Kebony seine mechanischen Eigenschaften.

Biopolymere sind Materialien, die durch (oder aus) lebenden Organismen hergestellt werden und auch in der Architektur und im Design verwendet werden, am häufigsten für Verpackungen. Werden Biopolymere mit natürlichen Fasern verstärkt, können sie als Bio-Verbundwerkstoffe alternativ zu konventionellen, mit Fiberglas verstärkten Polymeren in einer wesentlich grösseren Bandbreite eingesetzt werden.

Wachstum und Belebung

Um die Natur dem menschlichen Willen zu unterwerfen, muss nicht immer rohe Gewalt angewendet werden. Es ist auch möglich, sie zu kontrollieren oder sie schonend in den Schranken zu halten, indem man die in ihr ablaufenden biologischen Mechanismen wie das Wachstum oder die Atmung ausnutzt. Grüne Dächer, lebende Fassaden und Urban Farms sind gute Beispiele dafür, wie die Natur für spezifische Zwecke innerhalb eines grösseren architektonischen Systems unter Kontrolle gebracht werden kann.

„BenettiMOSS“ von Benetti stone ist ein solches Produkt. Der aus Paneelen zusammengesetzte, vertikale Garten für Innenräume besteht aus stabilisierten Flechten, welche in eine Harzbasis eingebettet sind. „BenettiMOSS“ reguliert in Innenräumen den Feuchtigkeitsgehalt und reinigt die Luft. Die Flechte ist extrem robust. Sie verlangt weder eine Bewässerung noch sonstigen Unterhalt und gedeiht sogar ohne natürliches Licht.

Im April hat das internationale Ingenieurbüro Arup das Pilotprojekt der Fassade des BIQ Hauses anlässlich der International Building Exhibition in Hamburg der Öffentlichkeit vorgestellt. In der Gebäudehülle leben Mikroalgen in verglasten Fassadenelementen. Während die Algen wachsen, bieten sie Schutz vor der Sonne, sorgen für mehr Privatsphäre sowie für thermische Isolation und Lärmreduktion. Zudem absorbieren sie Sonnenenergie, die zur Beheizung des Warmwassertanks des Gebäudes genutzt wird. Die ausgewachsenen Algen werden gesammelt und in einer Biogasanlage vor Ort fermentiert, wodurch nutzbare Energie entsteht.

Die Fähigkeit, die Natur zu beherrschen, wird nicht mehr nur allein zur Herstellung von Produkten oder Materialien genutzt, sondern auch um völlig neue Herstellungsprozesse und -techniken zu entwickeln.

Der Designer Markus Kayser hat nicht nur die Nutzung natürlicher Energiequellen erforscht, sondern auch ihre Verwendung als Werkzeug. Im Jahr 2010 kreierte Kayser einen von Sonnenenergie angetriebenen Lasercutter, welcher nicht nur Sonnenenergie einfängt, um ein mechanisches Schneidegerät anzutreiben, sondern die Sonnenstrahlen direkt nutzt, um durch eine Glasball-Linse ähnlich wie im Lasercut-Verfahren zweidimensionale Komponenten zu schneiden. Im darauffolgenden Jahr ist Kayser in die ägyptische Wüste zurückgekehrt. Dieses Mal mit dem SolarSinter im Gepäck. Diese Maschine macht sich ebenfalls die Sonnenstrahlen zunutze, um Wüstensand zu schmelzen und in feste Objekte zu verwandeln. Das Verfahren ist mit der 3D-Drucktechnologie SLS (selektives Lasersintern) vergleichbar.

Im Jahr 2008 hat der Architekt Magnus Larsson und Ordinary Ltd. eine Studie darüber erstellt, wie Bakterien genutzt werden können, um Wüstensand in riesige Sandsteingebilde zu verwandeln. Es handelt sich dabei faktisch um einen organischen 3D-Drucker, der in neuen Massstäben arbeitet. Am nutzbringendsten einsetzbar ist diese Technik in schwer erreichbaren Gebieten und Umgebungen. Da der Bauplatz bereits selbst das Baumaterial liefert, muss dieses nicht aus der Ferne antransportiert werden.

Die grosse Zahl an Gestaltern und Herstellern, welche ähnliche Ideen erforschen, ist ein klares Indiz dafür, dass man heute von den Vorteilen dieses Konzepts überzeugt ist und dass darin grosses Potential liegt für die Revolutionierung der Bauweise in der Zukunft. Dies zeigt sich vielleicht am besten im ambitiösen Vorschlag des Büros Foster & Partner für einen riesigen 3D-Drucker, der auf dem Mond angesiedelte Bauten aus Monderde erzeugen kann. Die hierzu benötigte Technologie stammt von D-Shape (einer Marke, die vom auf 3D-Druck spezialisierten Londoner Unternehmen Monolite UK Ltd. geschaffen wurde).

Die in diesem Artikel erwähnten Beispiele von technologisch optimierten Naturwerkstoffen zeigen, dass durch die Anwendung innovativer Verfahren und durch kreative Nutzung nachhaltiger Materialien und verfügbarer Ressourcen attraktive Produkte erzeugt werden können, die in einer grösseren Harmonie zu unserer natürlichen Umgebung stehen und sich in der Praxis mindestens ebenso gut, wenn nicht besser bewähren als die etablierten synthetischen Produkte. Gleichzeitig entstehen völlig neue Bau- und Herstellungsverfahren, die es uns ermöglichen, die Gestaltung der Umwelt über das, was wir je für machbar hielten, hinaus zu erweitern.

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