Wunderwaffe aus dem Wald
Artikel aus dem TÜV SÜD Journal 2/2010
 | Wolkenkratzer aus Fichte, Hightech-Keramiken aus Rattan: Der Werkstoff Holz erfährt derzeit ein Comeback – als Baustoff, aber auch in Medizin und Werkstoffwissenschaften. Der Siegeszug macht selbst vor dem menschlichen Körper nicht halt: Implantate auf Holzbasis könnten künftig sogar Schlüsselbeine stabilisieren. |
Die »Spruce Goose«, die »Fichtengans«, war ein imposantes Flugzeug: am Heck rund 25 Meter hoch, die Flügelspannweite betrug fast 100 Meter – höher und breiter als der Großraumflieger Airbus A380 oder die Boeing 747. Doch während der A380 mit einem Rumpf aus glasfaserverstärktem Metalllaminat glänzt, hob das größte Flugboot der Welt mit einem ganz anderen Material ab. Die »Fichtengans« war aus Holz gebaut. Dies entsprach einer Vorgabe der US Navy, die im Kriegsjahr 1941 die Verwendung »nicht kriegswichtiger Werkstoffe« zu einer Auflage der Ausschreibung machte.
Holz hat keinen besonders guten Ruf: Holz brennt, schimmelt und bricht zu schnell. Fliegt jemand in der Holzklasse, dann sitzt er eingepfercht zwischen viel zu engen Sitzreihen. Auch der »Fichtengans« brachte der Werkstoff kein Glück: Das Flugzeug mit der größten Flügelfläche aller Zeiten flog nur ein einziges Mal, die Flughöhe betrug nur 20 Meter.
Dabei hat Holz eigentlich das Zeug zum Hightech-Werkstoff. Seit einigen Jahren erlebt es eine noch recht stille, aber stete Renaissance. Nicht, weil es – wie im Fall der »Fichtengans« – keine Alternativen gäbe, sondern wegen seiner vielseitigen Einsatzmöglichkeiten. Holz stärkt heute Leitplanken und die Flügel von Windkrafträdern, wird als Baumaterial immer beliebter und steckt gar in den Absätzen von Gucci-Schuhen. Die Edel-Absätze bestehen aus Arboform, einem thermoplastischen Werkstoff der Firma Tecnaro, die ihre Innovation als »flüssiges Holz« bezeichnet: Bei der Papierherstellung wird Holz in seine drei Hauptbestandteile Lignin, Zellulose und Hemizellulose zerlegt. Tecnaro nutzt das Abfallprodukt Lignin, vermengt es mit feinen Naturfasern aus Holz, Hanf oder Flachs und setzt Wachse hinzu. Das Ergebnis ist ein schmelzbares Kunststoffgranulat, das spritzgegossen und anschließend wie echtes Holz weiterverarbeitet – also gesägt, geschliffen oder poliert – werden kann. Zudem ist es, falls die Schuhe nicht mehr passen, bequem kompostierbar. Arboform könnte auch passable Handygehäuse oder Parkettböden abgeben oder die Innenausstattung von Autos zieren.
Tecnaro baut seinen Erfolg auf Lignin auf, das schon seit 150 Jahren in Skandinavien, Nordamerika, Russland – also überall dort, wo große Wälder die Flächen bedecken – erforscht wird. Dieser zweithäufigste Holzbestandteil ist ein Polymer, eine Verbindung von sehr großen Molekülen, die dafür sorgt, dass der Baum fest steht. Lignin bildet quasi das Skelett des Baumes.
Dubai – auf Holz gebaut?
Das Polymer sorgt für Stabilität auf hohen Schuhen, aber auch für Statik im Hochbau: Michael Zangerl, verantwortlich für die Geschäftsfeldentwicklung der österreichischen Rhomberg Bau, führt ein interdisziplinäres Forschungsteam, das an einem Gebäudekonzept für die Entwicklung eines energieeffizienten Holzhochhauses in Systembauweise arbeitet. Der Holzbau an sich ist nicht neu, neu ist die Idee, mit Holz immer höher zu bauen: Erst im Sommer vergangenen Jahres stellten die Architekten Kaden+Klingbeil ihr Holzhochhaus in der Esmarchstraße 3 im Berliner Stadtteil Prenzlauer Berg fertig. Dafür bekamen sie den Deutschen Holzbaupreis 2009. »Ausgerechnet in Berlin ist es Bauherren und Planern in einem Akt gemeinsamer Anstrengung gelungen, mit dem Wohnhaus das erste siebengeschossige Holzgebäude in urbanem Kontext innerhalb Mitteleuropas zu realisieren«, heißt es in der Würdigung der Jury.
Die österreichischen Baupläne gehen aber noch weiter: »Wir arbeiten am weltweit höchsten Holzhochhaus mit 20 Geschossen«, sagt Zangerl und gerät ins Schwärmen: Sein »LifeCycle Tower« könne dank Systembauweise in kürzester Zeit errichtet werden und erlaube dennoch eine individuelle Gestaltung nach den Vorstellungen des Bauherrn. Das Konzept sei »lebenszyklusoptimiert« und garantiere dank des Einsatzes des Baustoffes Holz eine lange Lebensdauer sowie eine schnelle Austauschbarkeit veralteter Teile. Zudem sei Holz absolut ökologisch, CO2-neutral und ressourcenschonend. Es weise – Lignin sei Dank – eine hohe Festigkeit bei geringem Eigengewicht auf und entspreche modernsten Sicherheitsanforderungen. Gibt es also Grenzen des modernen Holzbaus? »Eine Obergrenze kann ich nicht nennen«, sagt Zangerl, »aber auch im Wolkenkratzerbereich könnte Holz interessant werden« (siehe Interview).
Wären also Bauwerke wie das taiwanesische 500-Meter-Hochhaus Taipeh 101 oder der Burj Chalifa in Dubai mit seinen 830 Metern Höhe aus Holz möglich? »Der Burj Chalifa hat eine wunderbare Form, die genau zeigt, was die Mechanik den Baumeistern vorgibt«, erläutert Professor Jan-Willem van de Kuilen, Leiter des Fachgebiets Holztechnologie an der Technischen Universität München. »Für Holz gilt dasselbe wie für Stahlbeton: Je höher man baut, umso breiter müssen die Wände im Fundament sein.« Holz besitze eine Festigkeit und Steifigkeit, die mit der von Stahlbeton durchaus mithalten könne, so van de Kuilen, »theoretisch können wir also so hoch bauen wie mit konventionellen Baustoffen.« Praktisch seien aber eher Gebäude mit maximal 40 Stockwerken denk- und baubar. Das entspräche Bauten wie den Türmen der Deutschen Bank, die die Skyline von Frankfurt am Main prägen, oder dem Warschauer Kulturpalast, dem höchsten Gebäude Polens. In der Praxis komme es auf die richtigen Randbedingungen an: Für Erdbebengebiete seien flexible, leichte Holzbauten durchaus vorteilhaft.
Ökologisch betrachtet täte Großbaustellen wie Schanghai oder Dubai ein fundamentaler Wechsel auf den Baustoff Holz ohnehin gut: »Die Bauwirtschaft ist extrem ressourcenintensiv«, sagt Michael Zangerl. Rund ein Drittel des weltweiten CO2-Ausstoßes und des Abfallaufkommens gingen auf das Konto der Baubranche. Der Nachhaltigkeitsaspekt des Holzes ist einer der wesentlichen Gründe für eine Renaissance des Holzbaus, denn der Baustoff Holz hat über seine gesamte Lebensdauer hinweg eine hervorragende Ökobilanz. Eine Tonne Fichte, so rechnet die Bundesforschungsanstalt für Forst- und Holzwirtschaft in Hamburg vor, nimmt im Durchschnitt während ihres Wachstums 1,85 Tonnen CO2 auf und speichert es. Wenn der Bau eines modernen Einfamilienhauses in Holzfertigbauweise 15 Tonnen Holz und Holzwerkstoffe benötigt, entspricht dies somit einer Entlastung von 28 Tonnen CO2.
Pflanzenimplantate über einen Umweg
Auf dem Campusgelände der Universität Erlangen dominiert kein Fichtenholz, sondern Stahlbeton aus den 1970er-Jahren. Zwar ist dies kein Beitrag zur CO2-Reduktion, dafür wirkt das Holz hier im Verborgenen. Die Forscher um Professor Peter Greil, dem Vorstand des Instituts für Werkstoffwissenschaften, machen aus Holz Knochenimplantate, oder, wie Greil es nennt, »Knochenersatz mit pflanzenabgeleiteten, zellularen Keramiken«. »Wir nutzen eine bereits vorgegebene Struktur und setzen diese durch physikalisch-chemische Methoden in eine Keramik um, die nach Möglichkeit die Struktur des Ausgangsmaterials beibehält.«
Die Forscher betrachten das Holz als »Formgebungswerkzeug« und profitieren von den Ähnlichkeiten zwischen Holz und Knochen. »Ein Röhrenknochen ist innen sehr porös, nach außen aber immer dichter«, sagt Greil. Eine Struktur, die sich in bestimmten, sehr regelmäßig gewachsenen Hölzern wie Rattan wiederfindet. »Es ist diese Strukturanalogie von Pflanze und Knochen, auf die wir bauen. Natürlich können wir keine Pflanze in einen Röhrenknochen transplantieren, sondern müssen sie in ein Material umbauen, das biokompatibel ist.«
Die Erlanger Forscher fräsen ein Knochenersatzstück aus Holz und wandeln es durch Hinzufügen von gasförmigen oder flüssigen Reaktionspartnern in Keramik um. »Das geht deshalb, weil das Holz über Porenkanäle zur eigenen Versorgung der Pflanze verfügt«, erklärt Greil. »Wir infiltrieren diese Kanäle mit chemischen Reaktionslösungen. Dadurch können die Zellwände des Holzes auch bei niedrigen Temperaturen in keramisches Material umgebaut werden.« Diese Prothesen können dann ein Schlüsselbein stützen.
40 Jahre Ermüdung machen das Holz stark
Holz ist ein starker Werkstoff, im Großen wie im Kleinen: »Die Natur hat das Holz 40 Jahre lang in einer permanenten Ermüdungssituation wachsen lassen«, erklärt der Münchener Holzprofessor Jan-Willem van de Kuilen, »ob der Werkstoff dann noch 40 weitere Jahre auf Ermüdung beansprucht wird, ist dem Holz egal.« Van de Kuilen setzt dabei nicht nur auf Holz als Baustoff, sondern geht noch weiter und nutzt die Eigenschaften des Holzes, um an-deren Werkstoffen quasi unter die Arme zu greifen. »Self- Healing Materials« nennt er das, sich selbst heilende Werkstoffe. »Biofasern wie Holz haben Hohlräume, die wir mit bestimmten Materialien füllen können.«
Die Idee: Werden diese »gefüllten Mikrofasern« zum Beispiel einem Lack zugesetzt und entstehen in diesem später Risse und Kratzer, reißen auch die Mikrofasern. Das den Hohlräumen zugefügte Material fließt heraus und füllt den Riss. Eine Anwendung bei Autos bietet sich an, aber zum Beispiel auch bei Flugzeugen, die weit größeren Beanspruchungen ausgesetzt sind. »Risse treten hier überall auf«, sagt van de Kuilen, »das wird bei Planung, Bau und Betrieb des Flugzeugs schon einkalkuliert.« Dennoch, so glaubt der Münchener, könnten selbstheilende Werkstoffe auf Holzbasis hier für enorme Kosteneinsparungen sorgen.
Der »Fichtengans« allerdings hätten auch gefüllte Biofasern nicht geholfen: Das größte je gebaute Flugboot hatte seine Flugpremiere am 2. November 1947 und schaffte es nur 1,5 Kilometer weit. Ihr kurzer Jungfernflug war auch ihr letzter, die Holzbauweise ließ die »Spruce Goose« zu schwer werden. Heute steht der Megaflieger im Evergreen Aviation & Space Museum in McMinnville, Oregon/USA. In einem Hangar aus Stahlbeton und Glas.